劉曉紅 趙麗清 于艷

(青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 山東青島 266109)

《單片機原理與應用》和《電力電子技術(shù)》是青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院電類專業(yè)的兩門比較重要的專業(yè)基礎課程，新版教學大綱改革后，兩門課時均為56 學時（理論40、實驗16），都在大三上半年開設。單片機原理與應用課程涉及單片機基本理論、接口技術(shù)、指令體系等多方面的知識，包括51 單片機的硬件結(jié)構(gòu)、特殊功能寄存器、指令系統(tǒng)及單片機應用系統(tǒng)基本設計方法等相關(guān)內(nèi)容。通過對單片機課程的學習，使學生獲得以單片機為核心的控制系統(tǒng)設計的基礎知識及其設計方法，為從事單片機控制系統(tǒng)設計工作和科學研究打下基礎[1-2]。電力電子技術(shù)是一門橫跨電力、電子、自動控制這3門課程的交叉綜合學科，是利用大功率半導體器件對電能進行變化與控制的專業(yè)基礎課程。涉及電力變換的4 種形態(tài)（AC/DC、AC/AC、DC/DC、DC/AC）、軟開關(guān)和PWM 兩大控制技術(shù)、電力電子器件的原理、驅(qū)動、保護等多方面的知識，高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等相關(guān)內(nèi)容[3]。該課程是在學習《電路》和《電機與拖動基礎》的基礎上，通過對電力電子技術(shù)的學習，使學生獲得電力電子技術(shù)基礎知識和分析、構(gòu)建電力電子系統(tǒng)的基本能力，為從事電力電子技術(shù)相關(guān)工作和科學研究打下基礎[4]。二者都有較強的應用屬性，無論是教師的教授過程還是學生學習過程都不滿足于理論，更愿意嘗試實踐，嘗試解決生活中的問題。兩門課程教學內(nèi)容看似彼此獨立，但在實際應用中，單片機作為一個工具、手段可以對電力電子電路進行數(shù)字化控制，提升控制精度和靈活性。兩者的有機結(jié)合，可以提升學生的邏輯思維能力和對學科認識的深度和廣度。課題組教師在此方向進行了實踐探索，激發(fā)學生學習積極性，在學中做，做中學，從生活中細節(jié)入手，發(fā)現(xiàn)并解決問題，提升生活品質(zhì)和學習的成就感。

1 單片機原理與應用課程教學模式

新版教學大綱改革后，理論與實驗學時均有縮減（原理論課時48 學時，實驗24 學時），如何利用有限的時間讓學生全局掌握單片機原理與應用課程精髓并能熟練應用是教學重點和難點。結(jié)合現(xiàn)代教學手段，基于OBE教育理念，將課程教學分為線上線下混合式教學及編程與仿真結(jié)合的基礎學習階段、實驗實踐環(huán)節(jié)的進階學習的兩個階段。

1.1 線上線下混合式教學

得益于學校的教務系統(tǒng)與學習通平臺的對接，構(gòu)建了單片機原理與應用翻轉(zhuǎn)課堂知識體系，采用線上線下混合式教學，線下課堂教學精講，線上知識點專項實訓作業(yè)，引導學生自主思考，根據(jù)知識脈絡，查缺補漏，精準定位，提高學生對單片機的應用能力。第一階段為基礎知識的學習，線上教學平臺為學生預習和鞏固學習提供知識點的詳細講解，線下教學重點是構(gòu)建知識基礎框架，并根據(jù)具體應用案例講授學習方法和培養(yǎng)根據(jù)特定要求獲取相關(guān)信息并完整完成系統(tǒng)設計的能力。因?qū)W生已有C語言基礎，同時也為編制復雜程序做準備，教學過程以匯編為主，C語言輔助，PRETUES仿真驗證，如圖1所示，內(nèi)容為定時/計數(shù)器中斷方式實現(xiàn)。

圖1 單片機原理與應用教學過程

圖1 為定時/計數(shù)器知識點的作業(yè)內(nèi)容之一，要求學生分別用中斷和查詢方式實現(xiàn)規(guī)定的定時控制P1.2口LED閃亮，以C語言和匯編語言編程，Protues仿真視頻上傳，學生互評，相互學習編程思路，教師根據(jù)作業(yè)的具體情況，針對存在問題線下重點講解。根據(jù)學生理解程度，增加課下作業(yè)訓練（秒級定時加8位LED的多種控制方式、計數(shù)和定時結(jié)合等）。整個學習過程，講授留白，引導學生探索實現(xiàn)特定功能，由簡入繁，學生獲得成就感，學習積極性高。Keil 編程與Protues 仿真的引入如圖1（c）所示，學生可更方便驗證編程，更好地向單片機實踐和應用過渡[5]。

1.2 實驗與實踐環(huán)節(jié)

在掌握了單片機的基礎知識和框架后就是要通過實驗實踐環(huán)節(jié)的不斷練習，提升學生的實際應用能力。該環(huán)節(jié)共設8 個實現(xiàn)項目，每個項目中都對應著相關(guān)知識點。實驗設備來源有3個，分別為自行購買、繪制積木式單片機PCB并焊接完成相應模塊、實驗室提供。實踐過程，根據(jù)學生自身情況，漸進式輔助，鼓勵學生自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，結(jié)成興趣小組，增加學生討論和相互學習的機會，在完成基本實驗實踐內(nèi)容后，引導學生深入挖掘，并廣泛應用于生活實際[6]。

2 電力電子技術(shù)課程教學模式

電力電子技術(shù)涉及強、弱電，應用極其廣泛，傳統(tǒng)的課堂講授偏重理論，學生很少有實踐機會，比較枯燥。這兩門課程結(jié)合，彼此滲透，可以促進學生通過知識積累，解決實際應用問題。

2.1 線上線下混合式教學

為充分調(diào)動學生積極性，僅在課上講解關(guān)鍵知識點、作業(yè)解析及導向?qū)W習。全面了解學生課前、課中、課后的具體學習情況，采用線上線下混合式教學，構(gòu)建了電力電子技術(shù)課程知識結(jié)構(gòu)體系。

2.2 仿真軟件的引入

電力電子技術(shù)電路應用于電力領域、高壓環(huán)境、實踐環(huán)節(jié)之前一定給學生建立一個完整的強弱電、主觸發(fā)電路概念，引入Matlab 仿真軟件，軟件不做講解，參考資料上傳學習通，要求學生實踐課程前預習，帶仿真結(jié)果做實驗；單相交流調(diào)壓電路為電力電子四大變換電路之一，應用較為廣泛，主要用于異步電動機的軟啟動、調(diào)速、燈光調(diào)節(jié)等，以此電路為例，說明教學過程。要求學生掌握單相交流調(diào)壓電路，相控和斬控調(diào)壓工作原理、控制方式、移相范圍、功率因數(shù)及電路設計等基本概念。

相控式單相交流調(diào)壓電路電路結(jié)構(gòu)簡單，但諧波含量較高，相控式單相交流調(diào)壓電路需要全控器件，控制較復雜，但其電阻負載的電壓和電流基波同相位，即位移因數(shù)為1。此外，通過傅里葉分析可以看出，電源電流不含低次諧波，僅含與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，通過小體積的濾波器即可濾除。圖2是基于Matlab仿真的相控式單相交流調(diào)壓電路[7]。

圖2 基于Matlab仿真的斬控式單相交流調(diào)壓電路圖

2.3 實踐環(huán)節(jié)

整個教學過程，以學生為主導，課前教學平臺預習，課上知識點重點講解，課下消化加Matlab仿真驗證并進行深入應用設計，實踐環(huán)節(jié)結(jié)果分析、驗證，提升理論實踐水平。由圖3 可知，圖3（a）為單相交流調(diào)壓實驗的主電路圖，圖3（b）為單相交流調(diào)壓電路觸發(fā)電路圖，圖3（c）為單相交流調(diào)壓電路PCB 圖。此環(huán)節(jié)重點要求學生從理論、仿真到實踐，注重細節(jié)，尤其是散熱、驅(qū)動、隔離、保護、同步、PCB 走線布局等環(huán)節(jié)的設計[8]。

圖3 單相交流調(diào)壓電路系統(tǒng)框圖

3 基于模塊化設計思維的教學模式

經(jīng)過兩門課程的理論、仿真加實驗環(huán)節(jié)的學習，學生對單片機框架和基本功能以及電力電子電路、器件和功能都有了比較全面的認識，有一定的設計能力，學生迫切希望能夠組合設計實現(xiàn)一個具體應用，實驗室給學生提供了實踐平臺，為學生設計參考提供了一套三個雙控晶閘管構(gòu)成的三組單相風機調(diào)速控制系統(tǒng)。該項目電路共分為基于單片機的控制電路模塊、電源驅(qū)動隔離主電路模塊以及晶閘管加散熱模塊這3個部分。此系統(tǒng)可以同時帶動3臺5～10 kW的單相調(diào)速電機無極調(diào)速，系統(tǒng)的3 個部分通過標準接口連接。單片機控制電路有兩種交互方式提供，一為LCD加按鍵，二為觸摸屏，除了實現(xiàn)基本的交換互功能，最重要是交流電源的同步和根據(jù)設定電壓的觸發(fā)脈沖的給定，編程涉及外部中斷、定時等知識點，屬于單片機的典型應用。由于采用模塊化、標準化設計，可做不同搭配實現(xiàn)多種功能，基于此系統(tǒng)，進一步設計了斬控式交流調(diào)壓系統(tǒng)，兩者共用單片機控制模塊。

首次課程通過案例項目應用展示，將單片機原理與應用和電力電子技術(shù)課程融為一體，學生對整個系統(tǒng)有概念性認識，了解仿真和實驗驗證的關(guān)系、強電與弱電概念及隔離措施、模塊化設計思路，基于模塊化設計思維的教學框圖如圖4所示。模塊化設計貫穿整個教學過程，知識點模塊化，將復雜的知識條理化，理論講授、仿真設計及實踐交叉進行，從簡單模塊開始，快樂入門，并不斷激發(fā)興趣探索，到復雜模塊學習，不斷提升學生的學習及分析能力。在單個功能模塊熟化后，引導學生開始系統(tǒng)分析，電氣工程應用分析過程同樣采用模塊化設計思維，首先熟悉應用流程，并把流程轉(zhuǎn)化為對應的功能模塊，模塊間逐級互調(diào)，最后完成系統(tǒng)功能測試。以展示的案例項目為例，項目要求：實時檢測某場所溫度、濕度、CO2，并能根據(jù)設定值進行3臺單相轉(zhuǎn)速電機和1 臺變頻電機控制，監(jiān)測數(shù)據(jù)可實時上傳網(wǎng)站。該系統(tǒng)包含電源模塊（電源功率、路數(shù)）、單片機最小系統(tǒng)模塊（型號、IO口、存儲器大?。⑷藱C交互模塊、時鐘模塊、通信模塊、AD 模塊（模擬量輸入檢測）、DA模塊（模擬量輸出）、AC-AC交流調(diào)壓模塊，強弱電環(huán)節(jié)分開調(diào)試，弱電部分調(diào)通后再經(jīng)示波器波形驗證，強電部分的晶閘管觸發(fā)可先由模擬電路代替，分調(diào)成功后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。設計思路、方式方法不唯一，適時提醒學生腳踏實地，多看多練，開拓思維，要模塊內(nèi)系統(tǒng)化、接口標準化、程序模塊化設計、電路模塊化設計、成熟模塊標準化，固化后可應用到不同實踐中。

圖4 基于模塊化設計思維的教學框圖

4 結(jié)語

經(jīng)過幾輪的教學改革，教學形式和內(nèi)容不斷趨于完善，基于OBE設計的教學理念極大提高了學生積極性，并取得了很好的教學效果。課題組成員根據(jù)教學需求，結(jié)合科研，開發(fā)了多個相關(guān)教學套件，并不斷吸收學生優(yōu)秀案例，擴充教學案例并推動成果轉(zhuǎn)化，形成了積極、正向、動態(tài)的教學過程。