新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 董丹華

在現(xiàn)有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于Proteus的項(xiàng)目式仿真實(shí)例庫(kù)，并進(jìn)行混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)踐。 以具體的綜合應(yīng)用型的仿真實(shí)例，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和過程的設(shè)計(jì)、仿真電路繪制及仿真的主要過程進(jìn)行闡述。實(shí)踐表明，利用Proteus的混合教學(xué)模式，可以加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的理解，通過Proteus仿真軟件開發(fā)并設(shè)計(jì)的直觀的聯(lián)動(dòng)仿真電路，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)、編程能力及單片機(jī)綜合應(yīng)用的能力。

針對(duì)新疆地方高校學(xué)生學(xué)習(xí)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》有很大困難，本文提出基于Proteus的混合教學(xué)模式，該模式是以“多路LED燈的花樣控制”“十字交通信號(hào)燈單片機(jī)模擬系統(tǒng)” “汽車溫度監(jiān)測(cè)單片機(jī)模擬系統(tǒng)”“汽車倒車測(cè)距儀單片機(jī)模擬系統(tǒng)”等仿真電路實(shí)例庫(kù)，超星泛雅自建課程平臺(tái)、學(xué)習(xí)通App、釘釘直播課堂等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具設(shè)計(jì)的混合教學(xué)模式，能有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，將課堂從以往老師的“教”為中心轉(zhuǎn)變成以學(xué)生的“學(xué)”為中心，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維方式由驗(yàn)證型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用設(shè)計(jì)型，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)外圍電路和程序的自主綜合設(shè)計(jì)。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是我校面向“交通運(yùn)輸”“汽車檢測(cè)與維修技術(shù)”（專科）等專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程在學(xué)生科研項(xiàng)目訓(xùn)練、學(xué)科競(jìng)賽、專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)占據(jù)主要位置?！秵纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用》課程內(nèi)容較復(fù)雜和抽象，教改前：首先講解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成電路及工作原理，然后詳細(xì)闡述51指令系統(tǒng)的每一條指令，接著引導(dǎo)學(xué)習(xí)讀匯編程序及進(jìn)行簡(jiǎn)單程序的設(shè)計(jì)，再接下來講解單片機(jī)的外圍資源，如：外部中斷、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行通信及接口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等，最后舉幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。所有知識(shí)和理論通過此教學(xué)過程全部涉及到，但使得基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用之間存在嚴(yán)重脫節(jié)，且由于知識(shí)點(diǎn)較多導(dǎo)致記憶的內(nèi)容多，且抽象枯燥難懂學(xué)了后面忘了前面，造成相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)失去興趣而影響整體教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的10～16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的源程序在實(shí)驗(yàn)箱上連幾根線即可完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生收獲不大。

2 混合式教學(xué)與Proteus仿真

2.1 混合式教學(xué)

互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展不斷改變著高校師生的學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)空間及教師教學(xué)方式的創(chuàng)新與變革。高校師生高度關(guān)注線上與線下教學(xué)有機(jī)融合的混合式教學(xué)方法，有學(xué)者從不同角度對(duì)其進(jìn)行研究。

祝智庭教授的《遠(yuǎn)程教育中的混合學(xué)習(xí)》文獻(xiàn)中最早提出混合學(xué)習(xí)概念。何克抗教授認(rèn)為課程理論與信息技術(shù)相融合是教學(xué)設(shè)計(jì)理論的新發(fā)展，指出混合式學(xué)習(xí)的方式采取的是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)科技，打通“線上”和“線下”的空間隔閡，充分利用學(xué)習(xí)時(shí)間，突破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)在時(shí)間和空間上的制約，能夠達(dá)到進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和熱情的目的[1]。張倩提出：疫情防控期間應(yīng)著力從建設(shè)信息化、智能化的混合式教學(xué)設(shè)施，發(fā)展雙邊互動(dòng)的混合式教學(xué)方式，篩選豐富而規(guī)范的混合式教學(xué)內(nèi)容等方面構(gòu)建融合式的混合式教學(xué)模式[2]。于歆杰結(jié)合近年來與不同類型學(xué)校的教師合作的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了與混合式教學(xué)相關(guān)的六對(duì)系[3]。曹海艷等認(rèn)為混合式教學(xué)設(shè)計(jì)是成功開展混合式教學(xué)的關(guān)鍵，并提出了4個(gè)階段、10個(gè)步驟的設(shè)計(jì)模式[4]。李海東等提出混合式教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)流程模型、指標(biāo)體系與方法[5]。有研究學(xué)者著重于用技術(shù)為學(xué)習(xí)提供有效支持，通過記錄、管理、考核、實(shí)時(shí)反饋等多種功能，做到學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)可追溯和把控，保證學(xué)習(xí)效果的達(dá)成。20余年來混合式教學(xué)概念演變由聚焦信息技術(shù)逐步向關(guān)注師生共同成長(zhǎng)、提升教學(xué)效果轉(zhuǎn)變[6]。

2.2 Proteus仿真軟件

Proteus軟件集成電路仿真、PCB設(shè)計(jì)和虛擬模型仿真的功能，在單片機(jī)仿真應(yīng)用領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[7]。Proteus仿真軟件提供的單片機(jī)以及外圍元器件虛擬模型與硬件實(shí)物芯片功能是一一對(duì)應(yīng)的，因此在教學(xué)實(shí)踐中把Proteus軟件與Keil編譯器聯(lián)動(dòng)仿真引入到課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中, 設(shè)計(jì)了將學(xué)生的興趣、所學(xué)專業(yè)相結(jié)合的綜合性實(shí)例庫(kù)，如圖1～圖4所示。

圖1 “多路LED燈的花樣控制”仿真實(shí)例Fig.1 Simulation example of "pattern control of multiple LED lights"

圖2 “十字交通信號(hào)燈單片機(jī)模擬系統(tǒng)”仿真實(shí)例Fig.2 Simulation example of "single-chip computer simulation system for cross traffic lights"

圖3 “汽車溫度監(jiān)測(cè)單片機(jī)模擬系統(tǒng)”仿真實(shí)例Fig.3 Simulation example of "automotive temperature monitoring microcontroller simulation system"

圖4 “汽車倒車測(cè)距儀單片機(jī)模擬系統(tǒng)”仿真實(shí)例Fig.4 Simulation example of "single-chip computer simulation system of car reversing rangefinder"

學(xué)生將程序編譯生成.Hex文件導(dǎo)入至仿真電路的主控芯片中，就可以在Proteus軟件界面中通過播放按鈕直觀地看到程序控制的仿真電路其模擬運(yùn)行的狀態(tài)和結(jié)果，代替了實(shí)物演示的需求。Proteus軟件能夠?qū)纹瑱C(jī)程序的燒錄、執(zhí)行的過程形象地展現(xiàn)出來，這是傳統(tǒng)單片機(jī)原理課程教學(xué)難以做到的，課堂的生動(dòng)與互動(dòng)性增強(qiáng)了。

3 基于Proteu的混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)

為了解決線下面授和學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不足，引發(fā)和督促學(xué)生對(duì)單片機(jī)知識(shí)的持續(xù)深入學(xué)習(xí)，引入基于Proteu的混合教學(xué)模式，用興趣和適當(dāng)?shù)膲毫Π褜W(xué)生端的“讓我學(xué)”改變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

3.1 教學(xué)內(nèi)容組成

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程是一門面向應(yīng)用的具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性的課程。課程特點(diǎn)：（1）硬件結(jié)構(gòu)和原理、接口技術(shù)與編程方法并重；（2）軟、硬件相結(jié)合；（3）理論與實(shí)踐相結(jié)合。

課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括三個(gè)部分：（1）51單片機(jī)的片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)，最小系統(tǒng)構(gòu)成；（2）51匯編語言指令系統(tǒng)，常用程序設(shè)計(jì)；（3） 51單片機(jī)片內(nèi)中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、異步串行口的功能及工作原理以及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。本課程總學(xué)時(shí)48，采用混合式教學(xué)，線上學(xué)時(shí)占總學(xué)的百分之40%（包含學(xué)生自主學(xué)習(xí)、線上遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等）。以51系列單片機(jī)為例，以項(xiàng)目為主線，系統(tǒng)介紹51系列單片機(jī)的原理和應(yīng)用，是學(xué)生掌握單片機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)課程。

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)及環(huán)境

3.2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

（1）以學(xué)以致用為目的，教學(xué)設(shè)計(jì)為解決工程應(yīng)用任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)。選擇與學(xué)生合適的教材和匹配的線上慕課資源來提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，課前課后的測(cè)驗(yàn)（網(wǎng)上搜不到的自編題目）檢測(cè)自學(xué)和掌握效果，通過成績(jī)排名進(jìn)行督促，及時(shí)提供學(xué)習(xí)反饋及幫助；

（ 2）錄制淺顯易懂的微課小視頻，幫助漢語言水平較弱學(xué)生。英語類軟件安裝、聯(lián)調(diào)、操作環(huán)節(jié)遇到的困難，通過視頻一對(duì)一在線指導(dǎo)；

（3）根據(jù)學(xué)生擁有電腦情況建立學(xué)習(xí)小組，并根據(jù)小組成員的學(xué)習(xí)效果，制定合理評(píng)價(jià)細(xì)則。

3.2.2 教學(xué)環(huán)境

此處教學(xué)環(huán)境分為三部分：在線課程資源網(wǎng)址、實(shí)踐硬件環(huán)境和課堂交互軟件，具體如表1所示。

表1 教學(xué)環(huán)境Tab.1 Teaching environment

3.3 教學(xué)過程

利用各種線上線下互動(dòng)工具進(jìn)行教學(xué)任務(wù)的實(shí)施，采用基于實(shí)踐、理論、再實(shí)踐的教學(xué)過程，如圖5所示。

圖5 “Proteus的混合教學(xué)模式”教學(xué)過程Fig.5 The teaching process of "Proteus' blended teaching model"

具體的教學(xué)過程描述如下：

（1）課前。在自建的SPOC課程網(wǎng)站上，按合理的邏輯順序，組織好以完成項(xiàng)目案例為目標(biāo)的相關(guān)慕課資源，錄制重組資源中未涉及的教學(xué)內(nèi)容的微課視頻做為補(bǔ)充，提供資源中缺乏的文字資料，例如，8051匯編指令對(duì)應(yīng)機(jī)器碼表、Proteus元器件名稱中英文對(duì)照表、單片機(jī)開發(fā)板的電路原理圖、各類元器件和傳感器技術(shù)說明文檔等。要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)在線發(fā)布的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并完成相關(guān)的話題討論、限時(shí)作業(yè)或測(cè)驗(yàn)。教師端加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的討論、限時(shí)作業(yè)或測(cè)驗(yàn)成績(jī)等學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，監(jiān)控并督促學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，診斷其薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行合適的匹配，并準(zhǔn)備課中的講授內(nèi)容、課堂互動(dòng)、仿真動(dòng)畫演示等。

（2）課中。緊緊圍繞項(xiàng)目案例所涉及到的相關(guān)知識(shí)，對(duì)學(xué)生課前掌握不足或理解偏差的知識(shí)進(jìn)行組織和講授，通過課堂互動(dòng)、仿真動(dòng)畫演示等活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生的探索精神。

（3）課后。發(fā)布相關(guān)的作業(yè)及實(shí)操內(nèi)容，作業(yè)或?qū)嵅賰?nèi)容提交時(shí)間截止后，及時(shí)向?qū)W生提供參考答案及常見問題反饋，公布單元學(xué)習(xí)成績(jī)排名，激發(fā)學(xué)生適度的爭(zhēng)強(qiáng)好勝心。完善小組學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)細(xì)則，鼓勵(lì)學(xué)生之間的交流與討論，加強(qiáng)學(xué)生間團(tuán)隊(duì)協(xié)作。加大教師的參與度，有效的互動(dòng)是學(xué)生所學(xué)知識(shí)得以內(nèi)化、能力獲得提升的最重要體現(xiàn)。

最后，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐過程出現(xiàn)的各類問題進(jìn)行收集、匯總，完善“常見問題與解決辦法”文字材料?？偨Y(jié)教學(xué)過程中值得繼續(xù)采納與推廣的，同時(shí)也不斷反思學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的問題及解決辦法。

4 實(shí)踐結(jié)果與研究

4.1 課程考核

課程考核是保證教學(xué)質(zhì)量和檢驗(yàn)最終教學(xué)效果的重要手段，其目的在于督促并指導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地鞏固、復(fù)習(xí)所學(xué)知識(shí)與技能，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解程度和靈活運(yùn)用能力。課程考核應(yīng)堅(jiān)持誠(chéng)實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)、公平、公正的原則。本課程采用過程性考核，包含兩部分，如圖6所示。

圖6 課程考核指標(biāo)Fig.6 Course assessment indicators

針對(duì)不同授課班級(jí)學(xué)生的特點(diǎn)具體的占比和權(quán)重可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整。

4.2 課程考核結(jié)果

本次教學(xué)實(shí)踐比較對(duì)象為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院交運(yùn)176、交運(yùn)2021級(jí)兩個(gè)民語言班級(jí)，每班學(xué)生19人，共計(jì)38人。交運(yùn)176為對(duì)照班，交運(yùn)2021為實(shí)驗(yàn)班。實(shí)驗(yàn)班采用Proteus的混合教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)照班采用普通混合式教學(xué)。開課前進(jìn)行的調(diào)查分析顯示：兩個(gè)班學(xué)生的語言表達(dá)、原有認(rèn)知、英語水平、計(jì)算機(jī)水平、學(xué)習(xí)習(xí)慣相差不大，這為開展教學(xué)效果評(píng)價(jià)與比較提供了較好的前提條件。

兩個(gè)班的過程性考核結(jié)果如圖7所示，由此可見，采用基于Proteus的混合教學(xué)模式和多元化的過程性考核將重心放在學(xué)生學(xué)習(xí)過程考核上，督促學(xué)生課后持續(xù)投入時(shí)間和精力，避免了學(xué)生在考試前通過死記硬背的突擊學(xué)習(xí)來應(yīng)付考試，改變了以往掛科人數(shù)居高不下，不能學(xué)以致用的局面。

圖7 學(xué)生成績(jī)分布柱圖Fig.7 Student achievement distribution column chart

5 結(jié)語

與以往普通的混合式教學(xué)模式相比，采用Proteus的混合教學(xué)模式可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增進(jìn)學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)，較好地解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的硬件資源有限、理論與實(shí)踐脫離、理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足、課程內(nèi)容抽象難理解導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高等一系列問題，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間，提高了合格率，加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

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引用

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