基于翻轉課堂的單片機硬件實習教學改革

萬軍　李巖　韓學超

摘 要 針對傳統單片機硬件實習課程教學過程中存在的問題，探討基于翻轉課堂模式的教學過程，該過程由微視頻制作與學習、虛擬仿真和實物制作以及實習項目總結等部分組成，結合具體案例介紹關鍵的環節。實踐表明，基于翻轉課堂的教學過程有效提高了學生單片機理論聯系實際的能力，在單片機實習教學中取得較好的效果。

關鍵詞 翻轉課堂；單片機；微視頻；虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）04-0144-03

Abstract Aiming at the existent problems in the teaching process of

single-chip microcomputer （SCM） hardware practice course， this paper discusses the teaching process based on the flipped classroom model. This teaching process consists of micro-video production and

learning， virtual simulation and circuit board production as well as

practice project summary. Combined with a specific case， key tea-ching sessions are introduced. Practices have showed that the new teaching process can effectively improve the ability of students to integrate theory with practice in SCM， and achieve good results in the SCM practice teaching.

Key words flipped classroom； single-chip microcomputer； micro-video； virtual simulation

1 前言

單片機課程是培養電子信息相關專業學生動手能力和創新意識的主干課程[1]，該課程概念抽象，實踐性強。單片機硬件實習教學在對學生鞏固和拓展單片機知識、硬軟件基本設計方法與調試技巧以及單片機應用能力上起著不可替代的作用。

翻轉課堂具有以學生為中心、學生自主學習、師生互動、教師成為導師、直接指導和建議式學習混合、缺席學生不會被落下功課、教學內容永久保存、所有學生參與學習并獲得個性化教育等特征[2]。通過實踐表明，采用翻轉課堂教學模式取得的教學效果遠比傳統的教學模式好得多。但是將翻轉課堂用于單片機實踐類教學的研究還較少。本文分析了目前單片機實習教學中導致效果不理想的原因，并設計了基于翻轉課堂模式的單片機實習教學過程。

2 單片機硬件實習教學存在的問題

單片機硬件實習是使學生結合一個具體的實習項目，能將已學過的模擬電路、數字電路以及單片機等知識綜合運用于設計中，并完成電路板的制作和軟件調試。目前傳統授課形式是教師先實驗室講解，學生再動手實踐。近幾年，隨著課程教學改革的不斷深入，實踐環節逐漸受到重視，教學效果有一定的增強，但仍然存在一些問題，主要體現在以下幾個方面。

1）與課堂理論教學相比，實驗室中的指導教師授課效果難以保證。學生因接受能力不同和上課條件的限制[3]，難以較好地理解教師對實習任務的講解。

2）實習任務的完成需要學生首先在實驗室實驗裝置上對實習中涉及的單片機相關功能部件進行單元化調試，由于受實驗室條件和實習課時的限制，學生在實驗室操作時間較短，限制了對相關內容的熟悉。

3）部分學生由于不正確的原理方案，導致制作的電路板錯誤并返工，從而造成實習任務未能按時完成。

3 基于翻轉課堂的單片機硬件實習教學設計

基于翻轉課堂教學模式的單片機硬件實習過程，強調以項目和學生為中心。教師以學生能力培養為出發點，結合單片機技術的實際應用，擬定切實可行的項目[4]。項目選題可結合教師自身的科研項目或企業課題，應具有綜合性、實用性和適合的難度。最終下達若干個實習項目給學生，學生以2～3人為1個小組，自由選擇一道題目完成一個實物作品。實習完成后，由教師驗收作品并對小組每位成員進行提問。

根據翻轉課堂教學模式的思想，給出單片機硬件實習的實施方案，如圖1所示，具體流程如下。

學習微視頻 教師根據每個實習項目的要求，細化實習任務要點，并分解至各個單獨的模塊，將其分別錄制成微視頻。微視頻資源主要包括實習任務的解決方案、各個模塊的電路演示和大致講解以及軟件操作注意事項等內容。學生在實習前自行觀看微視頻，思考教師在微視頻中提出的引導性問題。

進行虛擬仿真和實物制作 學生學習完教學微視頻后，根據實習任務要求，使用Proteus軟件設計硬件電路，編寫軟件程序，完成虛擬仿真和測試。待Proteus虛擬仿真通過后，學生在實驗室完成具體的作品制作?？墒紫纫罁抡嬖韴D，在單片機實驗裝置上連接電路，下載程序以驗證硬件測試效果；測試通過后，自行搭建實際的硬件電路板，對軟硬件進行聯機調試。在實習過程中，師生進行討論，教師解答學生的疑問。

項目驗收和總結 學生根據實習內容撰寫實習報告，重點分析討論實習結果，總結微視頻學習以及實習過程中遇到的問題。指導教師根據學生作品的完成情況、項目難易程度和創新性以及實習報告等，對學生的實習成績進行綜合評定。教師還需根據學生反饋信息修改實習方案，完善微視頻，為后續實習提供改進措施。

4 單片機硬件實習教學設計案例

下面以項目“多路數據采集系統設計”為例，詳細說明具體實施步驟。此任務基于STC單片機，通過模數轉換器ADC0809，實現8路通道的電壓信號采集和顯示，測量的通道通過按鍵切換，采集的數據顯示在LCD上，采用8255A并行接口芯片進行各類數據的輸入輸出，要求最終完成作品實物。

在基于翻轉課堂的實習教學過程中，微視頻可有效地引導學生熟悉本次實習任務要求，Proteus虛擬仿真能夠使學生在沒有硬件條件的情況下熟悉電路的搭建和程序的調試，仿真成功可有效地保證實物作品的質量。微視頻和Proteus仿真環節對增強學生的實習效果起著較大的作用，以下結合本案例做詳細說明。

微視頻制作 針對多路數據采集系統設計的項目，將其分解為ADC數據采集、LCD顯示和按鍵處理等幾個任務。制作的視頻中包括ADC0809單路采集和基于8255A的流水燈設計兩個單獨功能的Proteus電路仿真演示和講解，同時提出相關引導性問題和提高性要求，例如：ADC0809數據傳送方式和8255A的各個口操作方式是什么？如何完成16路通道的電壓采集？視頻制作完畢后，將微視頻上傳到課程網絡平臺供學生下載后自主學習[5]。

Proteus虛擬仿真 學生觀看微視頻后，在熟悉各個單獨Proteus仿真模塊的基本上，根據實習任務的要求，分別進行Proteus電路的各個獨立模塊的改進和整合。針對此實習項目，在ADC0809單路采集仿真電路的基礎上完成8路數據采集的擴充，在基于8255A的流水燈設計仿真電路基礎上修改完成基于8255A的LCD顯示。在電路設計完成后，學生需編寫對應的實驗程序。各個獨立模塊完成后，實現電路模塊和程序模塊的整合。圖2顯示了8路數據采集系統的Proteus仿真原理圖。

5 結束語

單片機硬件實習教學是單片機課程的重要組成部分，針對目前實習教學中存在的問題構建基于翻轉課堂的實習教學過程。此實習教學過程在常州大學城市軌道交通信號與控制專業13級學生中進行了具體實施并獲得較好的效果，與往屆學生相比，實習作品的質量、按時完成率均得到較大提高。本文提出的實習教學改革方案可推廣到其他微機系列課程實習中，如微機原理實習、嵌入式系統實習等。

參考文獻

[1]王娜.基于翻轉課堂的單片機教學改革研究[J].通化師范學院學報：自然科學，2015，36（12）：90-93.

[2]曾明星，周清平，等.軟件開發類課程翻轉課堂教學模式研究[J].實驗室研究與探索，2014，33（2）：203-209.

[3]高先鋒，王亮申，等.翻轉課堂在應用型人才培養中的應用研究：以魯東大學“金工實習”課程為例[J].職業技術教育，2015（23）：31-34.

[4]唐煒.基于“項目驅動”的單片機類課程實踐教學改革[J].實驗室研究與探索，2010，29（5）：135-137，159.

[5]葉鋼.“微課+任務驅動”在單片機教學中的應用[J].電腦知識與技術，2016，12（5）：145-146.