曹淑瑛 郑加驹 耿读艳 孙景峰 王宇哲
摘 要：在当前“减学时强能力”的教育环境下，依据单片机课程特点、教学中存在的问题，并结合本专业实际情况，提出了实验与理论紧密结合的“学教并重”混合式教学模式。利用信息化教学手段对课前、课中、课后所有实验和理论教学环节进行了设计，引进Keil+Protues虚拟仿真技术，采用“学教并重”教育理念，分层设计了实验项目、优化了教学内容。教学实践表明，这种教学模式能有效提高教学效率，培养学生自主学习、实践和创新能力。
关键词：单片机;混合式教学;虚拟仿真技术;学教并重
单片机技术被广泛应用于家用电器、工业自动化、智能家居、物联网等领域，该课程是一门应用性、实践性和综合性很强的课程。本课程涉及数电、模电、C语言、控制理论、电机学、电力电子技术等知识，是教育部和工信部举办的各项大学生竞赛必不可少的工具[1]，在大学生创新创业实践活动中起着重要作用，在电气、自动化、机电一体化、通信等专业课程教学体系中起着承上启下的作用。
然而，本课程学时数却在不断缩减，且很多高校的授课对象已从大三学生变为无计算机硬件知识和无专业知识的大二学生。在当前“减学时强能力”的教育环境下，对课程教学改革迫在眉睫。
一、课程教学存在的问题
（一）理论和实验教学脱节
本课程理论知识点繁杂、内容抽象，在教学中既须掌握硬件设计、软件设计，也须掌握硬件与软件的协调设计、协调仿真和协调调试，因此其理论和实验教学必须紧密结合。目前，教学多数仍是“先讲解理论、后进行实验”。授课与实验时间可能相差1～2周，学生在学习中产生的想法和存在的疑问不能得到及时验证和解决，学习主动性下降。
（二）教学模式待改进
教学模式主要有三种：“以教师为中心”填鸭式、以“学生为中心”翻转课堂式和“学教并重”混合式。填鸭教学，学生被动学习，不适合创新性人才培养。翻转课堂教学可培养学生自主学习能力，但对于无计算机硬件知识的大二学生来说，很难掌握单片机“软硬件兼施开发与应用”。课堂面授、MOOC、翻转课堂、虚拟仿真实验等相结合的“学教并重”混合式教学开始出现[24]，而如何根据本课程特点，进行混合式教学需要深入研究。
（三）教学内容需更新
实验系统集成度高，实验中学生常只进行简单连线，不能自行设计与搭建硬件，使得学生对实验原理不能充分掌握，且常因实验器材等的限制，放弃有创新的设计，挫伤学生实验的积极性。虽然不少高校开展“虚拟仿真实验教学”，旨在探索个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，但还处于起步阶段。此外，随着单片机技术（如嵌入式、云技术、物联网、互联网+人工智能等）迅猛发展，需更新教学内容，来满足应用创新型人才培养需求。
二、课程教学模式改革探索
依据课程特点和教学中存在的问题，结合本校电气工程与自动化专业实际情况：授课学时仅40、授课人数400多人，授课对象为无计算机硬件知识和专业知识的大二学生，课程组引进Keil+Protues虚拟仿真技术，采用“学教并重”教育理念，利用雨课堂、MOOC、超星、单片机技术等各种网络平台，打破教学上时间与空间的壁垒，提出下图所示的实验与理论紧密结合的混合式教学模式，对课前、课中、课后所有教学环节进行了设计。实践教学中，将单片机实验分为4个层次，并依据这4个层次实验、优化教学方式和内容。
（一）基础层实验
基础层实验，如Keil+Proteus流水灯控制实验，是针对51系列单片机理论知识点设置的验证性实验，教学方式上以教师为主。理论课上，教师借助雨课堂将知识点与虚拟仿真实验结合（例表1仿真实验与理论知识点的链接），实现课堂信息化沟通，采用演示法、讲练互评等教学方法，营造自主学习氛围，学生依据资料和授课，快速掌握课程基础知识、Keil+Proteus仿真软件及其调试等技能。
（二）设计层实验
设计层实验是融合若干知识点设置的“虚拟仿真+实物验证”实验。课程将输入、输出电路加上单片机的查询、中断及定时器控制等，构成难度适中的“硬件模块+软件模块”设计层实验，如按键控制数码管、外部中断温度预警控制、定时器按键扫描LCD显示等。教学方式上教师与学生并重。理论课上，教师借助雨课堂演示和讲练该类实验的知识点、设计思想和难点。课堂下，学生利用Keil+Protues软件编写程序、设计电路完成整个仿真调试。实验课上，学生利用实验器材，依据仿真原理进行实物连接，排查电路，进行实物调试，最终完成“虚拟仿真+实物验证”相结合的实践体检。此类实验可加强学生对课程三大主题：“软硬件的协同设计、协同仿真和协同调试”的理解和灵活运用。
（三）应用层实验
设计具有应用背景的单片机系统，是单片机走向应用的关键。为了保证应用层实验顺利完成，将实验由易到难分为三个模块：（1）模块1，数字时钟、简易报警器、可调PWM输出控制器、简易计算器等;（2）模块2，波形发生器、电压采集显示控制、步进電机控制等;（3）模块3，温度检测报警系统、出租车计价器、万年历等。教学方式上以教师为辅，学生为主。学期开课时，教师将实验项目发放，并为学生提供参考资料，学生可按照自身水平进行选择。课堂下，学生基于“软硬件模块化设计思想”，利用Keil+Protues仿真软件编写主程序和各个模块化子程序，并设计各模块硬件电路，完成整个“硬件模块+软件模块”仿真调试、PCB制版和三维PCB生成等“虚拟仿真系统”内容。限于学时少和学生过多，实验课上仅要求学生展示和互评“虚拟仿真系统”。对于有制作实物需求的学生，实验室提供辅导。该实验过程包含着对课程内容的全面领悟、对应用的初步体验、以及对模电、数电、电机学等知识的综合应用，这三者均属于深刻的实践经历。
（四）创新综合层实验
创新综合层实验为结合社会研究热点和本专业特点的具有极强应用背景的实验，如電机智能控制系统[1，5]、电磁馈能悬架控制系统[6，7]和环境智能监测仪等。教学方式上，学生和教师共同利用课余时间完成收集资料、商定方案、调试和验证等过程。
步进电机作为电气自动化专业的典型执行元件，具有成本低、快速启停、定位准确及步距误差不累计等优点，被广泛用在数控设备、机器人、家居和医疗等领域中[5]，也在大学生各种科技竞赛中广泛采用[1]。本课程将“基于STM32的步进电机智能控制系统”实物制作实验作为创新综合层实验项目。该系统分为手动按钮、语音、手机APP、电机驱动、电机等模块，可通过按钮、语音、手机远程这三种方式控制步进电机，极大拓宽了电机的使用范围，真正实现了理论、实践与应用的高度融合。
电磁馈能半主动悬架[6]可利用旋转或直线电机回收车辆悬架上可观的振动能，有望解决被动悬架阻尼不可调、减振效果差的问题，也有望克服主动悬架高能耗减振的缺陷，因而成为研究热点。本课程将“基于单片机的电磁悬架半主动控制系统”这一复杂工程问题的仿真实验作为创新综合层实验项目。该控制系统采用天棚算法和双滞环电流控制器相结合的混合控制策略，利用单片机生成晶体管Q1Q4的脉冲信号S1S4来控制AC/DC双向变换器，来实现低能耗馈能减振。该实验项目利用本课程应用层实验中“波形发生器”和“电机控制”等内容，建立了单片机课程与同步课程（如数电、模电等）和后续专业核心课程（如自动控制理论、电力电子技术、电机学等）之间的联系，是单片机在新能源汽车智能控制中的典型应用[7]。
该类创新综合层实验项目可促进学生综合能力提高，同时加强教师实践性知识的积累和教学内容的整合能力，促进教师职能向导师职能的转变。
三、结语
依据课程特点、教学中存在的问题，结合本专业实际情况，提出了实验与理论紧密结合的“学教并重”混合式教学模式。实现了“学以致用”的教学目标，培养了学生自主学习、实践和创新能力，提高了教师的综合能力，推进了课程优质建设。
参考文献：
[1]冯涛，李擎，崔家瑞，等.面向大学生科技竞赛的步进电机控制创新教学实训平台设计[J].实验技术与管理，2020，37（11）：110115.
[2]王通，朱士虎.“单片机原理与应用”课程教学改革研究[J].科技风，2020，7：3536.
[3]曾妍.《单片机技术》混合教学模式研究与实践[J].教育现代化，2018，5（46）：119121.
[4]乔莉，魏海波.基于翻转课堂和虚拟仿真的单片机教学改革[J].实验技术与管理，2018，35（3）：112114.
[5]邵杰.单片机技术在阀门电动执行机构中的逐步应用和发展[J].科技创新与应用，2018，6：5356.
[6]戴建国，王程，刘正凡，等.馈能悬架技术研究综述[J].科学技术与工程，2018，18（30）：131139.
[7]郜浩楠，徐俊，蒲晓晖，等.面向新能源汽车的悬架振动能量回收在线控制方法[J].西安交通大学学报，2020，54（4）：1926.
基金项目：河北省高等教育学会高等教育科学研究项目（GJXH2019014）;河北工业大学本科优质课程建设项目（YK2019001）
作者简介：曹淑瑛（1970— ），女，天津人，教授，研究方向：系统建模、测试及控制技术。
猜你喜欢 虚拟仿真技术混合式教学单片机 虚拟仿真技术在学前教学中的应用研究电脑知识与技术(2019年9期)2019-05-24交通警用视频监控系统融合虚拟仿真技术应用模式及功能研究科教导刊·电子版(2018年24期)2018-09-17虚拟仿真技术在木材科学与技术学科实验教学上的探索教育教学论坛(2017年51期)2017-12-27基于云模型的混合教学教师技能评价分析电脑知识与技术(2016年33期)2017-03-21论混合式教学方法在大学英语课堂中的应用企业文化·下旬刊(2016年11期)2017-01-14基于MOOC的混合式教学模式应用研究亚太教育(2016年33期)2016-12-19C8051F020与80C51单片机的异同点中国机械(2014年23期)2014-10-21单片机Ｉ／Ｏ口模拟串行通讯的Ｃ５１实现方法电子世界(2004年4期)2004-07-26单片机调试方法的探讨电子世界(2004年4期)2004-07-26用ＰＩＣ单片机制作的时间继电器电子世界(2004年5期)2004-07-26
