王春榮，夏爾冬，衛(wèi) 沅，鄭飛杰

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

單片機(jī)原理及應(yīng)用是電子技術(shù)專業(yè)和機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等本科學(xué)生的專業(yè)必修課，同時(shí)也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課，該門課運(yùn)用到電工學(xué)、C程序設(shè)計(jì)、機(jī)電技術(shù)、電工學(xué)、自動(dòng)控制原理等前續(xù)課程的知識(shí)[1-2]，使得該課程具有內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)的教學(xué)方式，往往把有限的學(xué)時(shí)更多地分配給了理論教學(xué)，被動(dòng)的“滿堂灌”式的理論教學(xué)，難免會(huì)顯得枯燥單一，缺乏互動(dòng)性，進(jìn)而使得學(xué)生失去學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不足，也決定了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容更多的是以驗(yàn)證性為主的簡單實(shí)驗(yàn)，使得理論知識(shí)與實(shí)踐無法很好地結(jié)合，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力與自主創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉。

“翻轉(zhuǎn)課堂”是一種能較好地解決上述問題的教學(xué)改革方案[3]。翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式，借助于便捷的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以微視頻、PPT等形式的教學(xué)多媒體為核心，把教學(xué)場地與時(shí)間，從空間與時(shí)間上都進(jìn)行了有效延伸，不僅可以克服傳統(tǒng)教學(xué)方式下，時(shí)間與空間的不足或限制，而且還可以有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，把更多的學(xué)習(xí)內(nèi)容與更多的學(xué)習(xí)主動(dòng)性交給學(xué)生。傳統(tǒng)模式下的45 min教學(xué)課堂，成為了師生之間或討論或引導(dǎo)的時(shí)間與場地。將教師與學(xué)生在教學(xué)過程中的角色進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，體現(xiàn)了以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為中心、教師的組織引導(dǎo)為輔助的教學(xué)特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)教學(xué)模式，“翻轉(zhuǎn)課堂”模式往往具有更好的教學(xué)效果[4]。為此，本文在對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種以“翻轉(zhuǎn)課堂”為核心的教學(xué)改革方案。

1 基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程改革

1.1 翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂即所謂的顛倒課堂，是一種與傳統(tǒng)教學(xué)模式完全不同的創(chuàng)新型教學(xué)模式。翻轉(zhuǎn)課堂改變了教學(xué)中教師與學(xué)生的角色，與傳統(tǒng)教學(xué)模式不同，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的主體是學(xué)生，學(xué)生在課下自主的安排時(shí)間對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)疑問；然后在課堂上針對(duì)疑惑問題進(jìn)行討論，將課堂轉(zhuǎn)變以學(xué)生為主體的答疑解惑過程。

1.2 可行性分析

單片機(jī)原理及應(yīng)用是一門應(yīng)用性、綜合性較強(qiáng)的課程，不但要求學(xué)生掌握所學(xué)的理論知識(shí)，而且還應(yīng)將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。目前，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程多采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即以教師為中心向?qū)W生講授理論知識(shí)的教學(xué)模式。傳統(tǒng)的教學(xué)模式，不僅存在著知識(shí)的強(qiáng)行灌輸、“填鴨式”教學(xué)，使得學(xué)生難以真正融入到課程中、與教師互動(dòng)少、對(duì)課程學(xué)習(xí)興趣低等[5-6]；而且往往存在教師在講臺(tái)上講的津津有味、自我感覺良好，而學(xué)生則是云里霧里、不知所云的現(xiàn)象。此外，課程涉及的內(nèi)容包括單片機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)兩大部分，課程內(nèi)容抽象，學(xué)生普遍反映較難理解，而且利用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教師很難在課堂上利用有限的時(shí)間調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果等。

翻轉(zhuǎn)課堂特別適合單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中單片機(jī)引腳的介紹、內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)擴(kuò)展等內(nèi)容。由于這些知識(shí)在課程中將反復(fù)應(yīng)用，教師可將以上課程內(nèi)容制作成視頻，上傳至我校使用的“學(xué)習(xí)通”APP軟件中，學(xué)生可在課前觀看視頻，并借助“學(xué)習(xí)通”的聊天功能與班級(jí)的學(xué)生或教師進(jìn)行交流，或在課堂上學(xué)生根據(jù)自己的疑問與教師進(jìn)行討論或小組內(nèi)討論，加強(qiáng)了學(xué)生與教師的互動(dòng)。課后學(xué)生可還以隨時(shí)觀看視頻并結(jié)合PPT對(duì)自己忘記的知識(shí)進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)。因此，將翻轉(zhuǎn)課堂引入到單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的教學(xué)效果。

1.3 循環(huán)程序設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

循環(huán)程序設(shè)計(jì)是本課程的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)，幾乎在各種實(shí)際應(yīng)用中都離不開循環(huán)程序。然而，由于設(shè)計(jì)循環(huán)體、循環(huán)次數(shù)以及循環(huán)次數(shù)的修改一直是學(xué)生的難點(diǎn)。本文以循環(huán)程序設(shè)計(jì)為例，介紹提出的翻轉(zhuǎn)課程與實(shí)踐操作相結(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)的具體實(shí)施，具體如表1所示。在設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中始終以學(xué)生為主體，以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性和提高實(shí)踐能力、學(xué)習(xí)興趣為切入點(diǎn)，并引入跑馬燈將理論知識(shí)與實(shí)踐緊密結(jié)合，提高教學(xué)效果且符合我校應(yīng)用型本科辦學(xué)的特點(diǎn)。

表1 教學(xué)設(shè)計(jì)Tab.1 Teaching design

1.4 翻轉(zhuǎn)課堂與科技競賽結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

1.4.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存問題

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是建立在學(xué)生掌握了所需的理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，并且是對(duì)理論知識(shí)查缺補(bǔ)漏的一種手段，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。但目前各個(gè)高校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，例如簡單的跑馬燈實(shí)驗(yàn)、矩陣鍵盤實(shí)驗(yàn)、串行通信實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)基本上都能從課本上或者是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊上查閱到相關(guān)的資料，即學(xué)生基本上可以照葫蘆畫瓢的完成實(shí)驗(yàn)，缺乏一定的創(chuàng)新，不能有效的培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；而且學(xué)生在完成了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之后，對(duì)單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用也知之甚微，無法通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.4.2 改革措施

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，引入與單片機(jī)相關(guān)的科技競賽（例如：電子設(shè)計(jì)大賽、世界機(jī)器人大賽機(jī)器人格斗賽、世界機(jī)器人大賽機(jī)器人格斗賽技術(shù)挑戰(zhàn)等）對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。教師通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，了解到學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的掌握程度，將歷年競賽中的關(guān)鍵技術(shù)提煉成各個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并將學(xué)生分組來完成不同的實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅具有較大的創(chuàng)新性，而且杜絕了學(xué)生復(fù)制他人程序的情況，有效的提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。同時(shí)，可以邀請歷年參加比賽并獲獎(jiǎng)的高年級(jí)學(xué)生錄制與實(shí)驗(yàn)相關(guān)或者是調(diào)試機(jī)器人程序過程遇見的各種問題的視頻，學(xué)生通過觀看這些視頻不僅有助順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而且可通過學(xué)長參加競賽獲獎(jiǎng)來激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。具體改革措施詳見圖1。

圖1 翻轉(zhuǎn)課堂與科技競賽結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革Fig.1 The experiment teaching reform of the combination of the overturned classroom and the science and technology competition

1.4.3 具體實(shí)例

本節(jié)以“機(jī)器人登臺(tái)實(shí)驗(yàn)”為例，詳細(xì)介紹改革措施的具體實(shí)施。本實(shí)驗(yàn)基于單片機(jī)，通過機(jī)器人尾部兩個(gè)紅外傳感器采集信息，判斷機(jī)器人是否已經(jīng)上臺(tái)，（當(dāng)機(jī)器人本體未全部登臺(tái)時(shí)，通過電機(jī)控制最前兩輪前傾，使得機(jī)器人重心靠前，增加登臺(tái)的成功率與速度；當(dāng)機(jī)器人已經(jīng)登臺(tái)時(shí)，控制最前兩輪立起，準(zhǔn)備執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)），最終完成機(jī)器人模塊搭建和程序調(diào)試，機(jī)器人登臺(tái)具體過程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人登臺(tái)過程Fig.2 The robot steps onto the stage

（1）制作微視頻

針對(duì)實(shí)驗(yàn)需完成的內(nèi)容，將其分解為機(jī)器人模塊拼接、紅外信息的采集、電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制、電機(jī)轉(zhuǎn)角的控制等子任務(wù)，并制作相應(yīng)的視頻講解和PPT。同時(shí)，指出相關(guān)問題，如：P3口的第二功能有哪些？TIMER1和TIMER2分別是幾位的定時(shí)器計(jì)數(shù)器？PWM波產(chǎn)生的原理等。錄制完視頻之后，上傳至學(xué)習(xí)通平臺(tái)，供學(xué)生觀看學(xué)習(xí)。

（2）實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

首先，學(xué)生可在課外時(shí)間通過“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)觀看微視頻和PPT等相關(guān)材料，明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)、目的、重難點(diǎn)、機(jī)器人各模塊的功能和拼接要點(diǎn)。然后，在上課時(shí)主要完成機(jī)器人模塊的拼接和相對(duì)應(yīng)程序的調(diào)試。具體如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程Fig.3 Experimental procedure

1.5 考核方式改革

目前，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的考核方式多以期末理論考試為主，或者期末考試占70%、實(shí)驗(yàn)考核占30%。單一以期末考試為主的考核方式，使得學(xué)生不注重平時(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的訓(xùn)練，期末搞突擊，并且考試作弊情況多發(fā)。期末考試與實(shí)驗(yàn)考核相結(jié)合的考核方式雖然優(yōu)于單一以期末為主的考核，但是在普通的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，有些學(xué)生通過復(fù)制別人程序來完成實(shí)驗(yàn)，這導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)考核與實(shí)際情況存在著較大偏差。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式主要分為課前學(xué)習(xí)、問題提煉與反饋、問題的討論與解決[7-8]。為了避免單一考核方式引起的考核結(jié)果偏差，本文結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式對(duì)考核方式進(jìn)行改革，具體考核方式為：翻轉(zhuǎn)課堂為20%、平時(shí)成績?yōu)?0%、科技競賽與考證為10%、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為20%、期末成績?yōu)?0%。具體考核依據(jù)如表2所示。

表2 考核方式Tab.2 Evaluation method

通過對(duì)于傳統(tǒng)考核方式進(jìn)行改革，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣、參加各類科技競賽的積極性、提煉問題的能力。其中翻轉(zhuǎn)課堂模式與科技競賽創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的提出，真正使學(xué)生在課前自主的對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且提高了實(shí)際動(dòng)力能力。

2 教學(xué)改革結(jié)果分析

2016年提出了上述改革方案，并在機(jī)械設(shè)計(jì)制作及其自動(dòng)化專業(yè)的本科生中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。表3給出了改革前后，學(xué)生參加電工考證和參加部分科技競賽的對(duì)比情況。分析表1可以發(fā)現(xiàn)，通過本文教學(xué)改革方法的實(shí)施，大幅度地提高了學(xué)生參加電工考證和參加科技競賽的比率，并且獲2017年和2018年世界機(jī)器人大賽，機(jī)器人格斗賽無差別輪式機(jī)器人2V2-大學(xué)組冠軍，以及2018年世界機(jī)器人大賽，機(jī)器人格斗賽技術(shù)挑戰(zhàn)-大學(xué)組季軍等佳績。這些都表明：通過翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)改革，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力得到了較明顯的提高。

表3 教學(xué)改革前后對(duì)比分析Tab.3 Comparison before and after the teaching reform

3 結(jié)論

本文在對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，為了提高我校單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的教學(xué)效果，提出了一種基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)改革方案。三年多的教學(xué)實(shí)踐表明，本文提出的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，借助于微視頻等教學(xué)媒介，以及在任課教師的精心組織與引導(dǎo)下，不僅能夠較好地克服傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，而且使得教師能夠真正督促與把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；同時(shí)，翻轉(zhuǎn)課堂與科技競賽結(jié)合的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和考核方式，也在提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力方面，起到了很明顯的促進(jìn)和督促作用。本文所提的教學(xué)改革方案，為單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的教學(xué)改革，提供了一種參考方案。