基于Proteus與螺旋進程的“單片機”課程翻轉(zhuǎn)課堂研究

葛動元，姚錫凡，梁蔓安，劉恩辰，謝國進

（1．廣西科技大學 機械工程學院，廣西柳州545006；2．華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

0 引言

虛擬仿真教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。虛擬仿真技術(shù)可以在短時間內(nèi)讓學生進入相應(yīng)情境，體驗在實物實踐中進行操作的感覺，有利于提高學生學習興趣；以達到更快、更好掌握專業(yè)理論知識的目的［1］。

“翻轉(zhuǎn)課堂”（Flipped Classroom 或 Inverted Classroom）是以學生為主體、以教師為主導(dǎo)的一種新型教學模式。1996年，美國 Maureen J．Lade和Glenn J．Platt提出“翻轉(zhuǎn)課堂”的雛形，并在“微觀經(jīng)濟學原理”課程教學中加以實踐；2000年美國學者Maureen J．和Glenn Plat等以“經(jīng)濟學入門”的課程教學為例，對翻轉(zhuǎn)課堂進行研究，發(fā)表題為“翻轉(zhuǎn)課堂：創(chuàng)建全納學習環(huán)境的路徑”的論文［2］。國內(nèi)的研究相對起步較晚，但是研究成果卻較多。比如文獻［3］認為：翻轉(zhuǎn)課堂的一個顯著特點就是利用計算機技術(shù)將知識傳授過程放在課外，使學生有更多自由的選擇學習方式。文獻［4］提出：翻轉(zhuǎn)課堂里，“授業(yè)”由技術(shù)完成，“解惑”才是主要的工作。文獻［5］提出：基于多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，應(yīng)當成為翻轉(zhuǎn)課堂研究的重點。

本文在“單片機原理與應(yīng)用”課程的教學實踐中，提出基于Proteus仿真與螺旋式發(fā)展的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，可為各相關(guān)電類課程的教學提供新思路。

1 單片機教學現(xiàn)狀及不足之處

“單片機原理與應(yīng)用”是一門實踐性很強的專業(yè)課程，與其他的專業(yè)課程一樣，實驗課是為課堂的理論教學服務(wù)的，目的是幫助學生更好地理解與掌握基本原理。而當前在具體的實驗教學中，由于實驗箱或?qū)嶒炁_的電路走線是固定的連接好的，學生在實驗時基本是依照實驗說明書在上面進行：連接導(dǎo)線—運行程序—觀察結(jié)果；實驗操作存在單一性、程式化的缺點，缺乏應(yīng)有的開放性。學生難以根據(jù)自己的理解、掌握程度、薄弱環(huán)節(jié)，或者針對具體的功能要求，搭建自己的實驗系統(tǒng)來鞏固相應(yīng)的單片機的基本原理。以上不足之處，使得有些學生實驗完成后，甚至難以將實驗的具體硬件電路和相應(yīng)的程序一一對應(yīng)起來。我們根據(jù)對多屆學生的問卷調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)學生在學習該課程時，由于實驗條件與時間的限制，的確存在上述問題。加之有些學生在實驗時甚至是抱著應(yīng)付的心態(tài)；因此有不少學生對單片機基本原理存在是似而非的認識，覺得“單片機原理與應(yīng)用”是一門很深奧、很抽象的課程。我們認為，如果引入基于Proteus的虛擬仿真技術(shù)，同時輔以適當?shù)膶嵨镏谱髡n外活動，該課程的教學效果會有很大的改觀。

2 基于Proteus的翻轉(zhuǎn)課堂教學研究

我們的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式中，學生從被動學習過渡到自主學習，成為單片機課程教學重要參與者。學生在課下對教學視頻進行學習，通過預(yù)設(shè)啟發(fā)性問題的方式，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題的能力，實施線上教育。課堂上，教師組織并參與教學互動，激發(fā)學生學習的積極性，對線上教育中出現(xiàn)的問題進行處理，實施線下教育。我們通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式，實現(xiàn)課外線上教育與課堂的線下教育輪番呈現(xiàn)，教師協(xié)助學生實現(xiàn)專業(yè)知識的內(nèi)化，將本課程的知識無縫地嵌入到整個專業(yè)學習的知識體系之中，使其成為大學生今后從事專業(yè)的一個重要支點。

2．1 線上教學系統(tǒng)

翻轉(zhuǎn)課堂的核心之一在于課堂的交流討論，實現(xiàn)交互生成性學習。通過課外觀看教學視頻等方式，學生對課程教學的內(nèi)容、目的、進度等有一定的了解，確保其在課堂教學開始之前有較充分的準備。在單片機的教學中，學生普遍表現(xiàn)出一定程度的學習焦慮或恐懼癥狀，據(jù)我們的問卷調(diào)查分析，原因之一為課程各部分知識點的內(nèi)容較抽象，入門難；加之實驗時沒有得到充分訓練，學生對單片機的學習熱情受到挫折，喪失原有的興趣與動力。同時上一屆的不良情緒不可避免地向?qū)W弟們傳導(dǎo)與蔓延，造成一定的教學困難。針對這一問題，我們在本課程教學之初，通過線上教學系統(tǒng)，讓學生了解本課程的教學目標與要求，了解本課程在機電一體化中的地位，以及課程與未來專業(yè)發(fā)展的聯(lián)系。我們通過制作往屆學生在課外活動中的精彩案例視頻，把往屆學生實物制作的關(guān)鍵步驟、作品的相應(yīng)效果以及所取得的成績，一一展示給正在進行課程學習的本屆學生。給他們某種積極的心理提示：單片機的在專業(yè)的發(fā)展中具有引人入勝的未來，甚至可促成新的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，激發(fā)學生迎難而上的決心。隨著線上學習的逐步開展，使得學生主動地了解、分享某些本來由教師掌控的教學信息，以便學生在教學過程中能夠多視角地領(lǐng)會教學內(nèi)容，在一定程度上弱化教師與學生之間不合理的信息不對稱因素的負面影響［6］。在線上教學中，通過形成生動、積極向上的學習、探究氛圍，促成重大的教學成果。

2．2 線下教學系統(tǒng)

在翻轉(zhuǎn)課堂的開展過程中，作為教學主體的學生，需要有時間和空間來總結(jié)他們的學習活動以及心得體會。即學生在教學的一定階段，需采用縱向或者橫向的方式，通過比較、總結(jié)，評估自己的學習狀態(tài)，查找自己的知識盲點。這種反饋式小結(jié)有可能在多種層次上發(fā)生，也可能在共同體中發(fā)生，從而使學生對課程知識結(jié)構(gòu)有層次清楚、條理分明的認識。與傳統(tǒng)環(huán)境中的學生一樣，翻轉(zhuǎn)課堂中的學生也在意自己的學習過程與效果，當他們遇到困難，難以繼續(xù)學習時，很容易會產(chǎn)生無助感與挫敗感。對于這個需要解決的問題，我們采取的辦法為：①根據(jù)教學的具體實際，構(gòu)建基于虛擬仿真的翻轉(zhuǎn)課堂，通過多層次互動，強化學生的對單片機基本原理的掌握，在學生之間形成一個堅實、相互耦合的知識鏈。②在學習遇到困難而一籌莫展時，我們采取一種迂回戰(zhàn)術(shù)：即不要求學生短時間完全掌握該知識點的全部內(nèi)涵；而是按照重點知識、難點知識本身的層次性以及學生的學習狀態(tài)與認知規(guī)律，抽絲剝筍地逐一分解，形成錯落有致的知識鏈條，以此完成對該知識點的掌握。該部分的研究與實踐請參閱本文第3部分的有關(guān)螺旋式遞進的教學模式。

在我們多年的教學實踐中發(fā)現(xiàn)，營建友善、互助、活潑、嚴謹課堂氛圍，有助于逐步形成學生在以后學術(shù)研究中所需要的坦誠交流、求真求實的學術(shù)品質(zhì)。同時交互式課堂討論也有利于性格內(nèi)向的學生融入到整個課堂建設(shè)中來。在翻轉(zhuǎn)課堂的線下教學時，我們強調(diào)平行互動為先的方式，即鼓勵學生參與到其他同學們的活動之中。在此過程中，如果進展遇到困難，他們一般會自發(fā)地表現(xiàn)出較強的探求愿望，主動地尋求幫助。作為課堂教學的協(xié)助者，教師需要站在專業(yè)知識的高度，選擇適當?shù)臅r機參與進去，與其一起解決問題，形成學生學習與進步過程中一個新的良機。這種融入式的教學活動能協(xié)助后進的學生，使班級的課程教學總體發(fā)展處于齊頭并進的良好狀態(tài)，化解部分學生的學習滯后而影響教學系統(tǒng)穩(wěn)定性的潛在風險［7］。

2．3 仿真教學與實物制作的設(shè)計

在“單片機原理及應(yīng)用”課程的教學內(nèi)容的組織中，鑒于虛擬仿真軟件較強的擴展性和開放性，考慮到翻轉(zhuǎn)課堂的特點與要求，我們實現(xiàn)了基于Proteus與實物制作的驅(qū)動教學機制。在單片機理論教學與實驗教學輪流交替過程中，課題組開發(fā)了多款基于單片機的機電產(chǎn)品，積累較多的實踐經(jīng)驗。在單片機的教學、教研與教改活動中我們發(fā)現(xiàn)：采用Proteus有助于明確概念，解決難點［8～9］；同時發(fā)現(xiàn)，在教學進程中的綜合訓練階段，將單片機在工程中的典型應(yīng)用案例引入教學時取得的教學效果最為顯著。這不但可以調(diào)動學生的學習熱情，而且有利于學生通過案例來鞏固本課程的基本原理。

學生在基于單片機的課外實物制作的活動中，對于復(fù)雜的系統(tǒng)或者電路原理圖的正確理解是一個至關(guān)重要的問題。所以在課題開展過程中，學生首先用Proteus根據(jù)具體的要求設(shè)計電路，編制程序；通過反復(fù)實驗、調(diào)試；直到仿真成功。再根據(jù)仿真確定設(shè)計方案，購買相應(yīng)的元器件，進行實物制作［8～9］。虛擬仿真不但可以避免因方案不正確所造成硬件裝置的報廢，解決實驗資源緊張的難題，而且可以培養(yǎng)學生的實驗操作和系統(tǒng)開發(fā)能力。

同時，我們也根據(jù)學生的學習情況、專業(yè)基礎(chǔ)以及學習的主動性，組織學生根據(jù)自身愛好成立課外活動小組?；蛘咦寣W生適度參與到教師的科研項目中去。比如“基于單片機的機械往復(fù)機構(gòu)實驗裝置的研發(fā)”、“基于單片機的變頻器實驗裝置的研發(fā)”、“基于單片機的健身投籃裝置的設(shè)計”等項目，就是由教師提出，學生參與的創(chuàng)新性課題，現(xiàn)在已經(jīng)基本完成，擬申報2項發(fā)明專利與1項實用新型專利。其中的“基于單片機的機械往復(fù)機構(gòu)實驗裝置”的電路仿真圖如圖1所示，其中限位開關(guān)用按鈕表示。

圖1 機械往復(fù)實驗裝置控制電路仿真圖

在仿真驗證完成之后，進行實物制作，經(jīng)過調(diào)試，最終實現(xiàn)系統(tǒng)研發(fā)。其中的限位傳感器采用EE-SX670凹槽對射型光電管，當工具在超程時，位于兩端傳感器的輸出端即第三個引腳向單片機申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后，即可調(diào)用中斷服務(wù)程序，控制電機反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)往復(fù)運動，達到了預(yù)定的設(shè)計目的。學生通過該實物制作，對單片機中斷技術(shù)的基本原理及應(yīng)用有了更深的認識；同時實踐操作能力、溝通合作能力，發(fā)現(xiàn)問題以及解決問題的能力等，都得到了較充分的訓練。該實物制作的實物圖如圖2所示。

3 螺旋式進程的翻轉(zhuǎn)課堂教學研究

在課程的教學實施過程中，根據(jù)學生的知識結(jié)構(gòu)與認知規(guī)律，以及寬口徑、厚基礎(chǔ)的教學要求，首先讓學生對單片機相應(yīng)的原理有一個感性認識，然后逐步深化，直至掌握單片機各個模塊工作原理。

圖2 機械往復(fù)實驗裝置實物圖

我們的翻轉(zhuǎn)課堂教學研究是以數(shù)制、單片機的結(jié)構(gòu)與組成、指令系統(tǒng)、定時器／計數(shù)器、串口通信、中斷技術(shù)、系統(tǒng)擴展以及基于單片機的機電產(chǎn)品的開發(fā)等為主線，各章節(jié)內(nèi)容相互級聯(lián)，采用螺旋式上升的形式展開的，如圖3所示。讓學生通過理論學習、仿真學習，以及實物制作等環(huán)節(jié)，循序漸進地掌握單片機的基本原理。

這一基于螺旋式進程的翻轉(zhuǎn)課堂教學研究使得整個教學過程具有直觀性、啟發(fā)性與遞進性的特點，水到渠成地完成教學任務(wù)。

圖3 螺旋式進程的教學模型

根據(jù)我們的分析與研究，發(fā)現(xiàn)在所采取的螺旋式進程模式中，一方面，教師傳授給學生的信息量隨著教學的推進以及難度的增大而逐步遞減，另一方面，學生學習時所掌握的知識慢慢地由教師的灌輸轉(zhuǎn)換為自身的習得［10］。尤其在與工程實踐結(jié)合緊密的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師主要的工作是方向上的把握，比如課題研究的必要性、可行性分析等。有關(guān)的具體細節(jié)、技術(shù)路線，甚至關(guān)鍵技術(shù)，基本由學生經(jīng)過探索、分析、設(shè)計以及調(diào)試而逐步展開，直到實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)，形成研究成果。

4 結(jié)語

（1）本研究將虛擬仿真教學與項目教學緊密地結(jié)合起來，既減少設(shè)備消耗，以及耗材的使用量；又可克服時間與空間上的限制，提高課程教學的開放性程度。

（2）通過翻轉(zhuǎn)課堂的教學實踐與教研教改活動的開展，加強對學生的創(chuàng)新思維和解決實際問題能力的培養(yǎng)。教師由知識的灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生自主學習的助力者，學生由知識的接受者變?yōu)橹R的探索者。這在“單片機原理與應(yīng)用”的課程教學中具有重要的現(xiàn)實意義；有利于形成穩(wěn)定、精準、魯棒性好的前饋式教學系統(tǒng)。

（3）通過基于虛擬仿真與螺旋式進程的單片機課程教學的翻轉(zhuǎn)課堂的開展，教學的組織方法與形式得到優(yōu)化，學生的工程實踐的能力、團隊協(xié)作的能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力和理論探索的能力等得到直接的鍛煉；達到教學目的—掌握單片機的基本原理，并具備初步的機電產(chǎn)品的研發(fā)能力。