基于Proteus与螺旋进程的“单片机”课程翻转课堂研究

葛动元，姚锡凡，梁蔓安，刘恩辰，谢国进

（1．广西科技大学 机械工程学院，广西柳州545006；2．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）

0 引言

虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。虚拟仿真技术可以在短时间内让学生进入相应情境，体验在实物实践中进行操作的感觉，有利于提高学生学习兴趣；以达到更快、更好掌握专业理论知识的目的［1］。

“翻转课堂”（Flipped Classroom 或 Inverted Classroom）是以学生为主体、以教师为主导的一种新型教学模式。1996年，美国 Maureen J．Lade和Glenn J．Platt提出“翻转课堂”的雏形，并在“微观经济学原理”课程教学中加以实践；2000年美国学者Maureen J．和Glenn Plat等以“经济学入门”的课程教学为例，对翻转课堂进行研究，发表题为“翻转课堂：创建全纳学习环境的路径”的论文［2］。国内的研究相对起步较晚，但是研究成果却较多。比如文献［3］认为：翻转课堂的一个显著特点就是利用计算机技术将知识传授过程放在课外，使学生有更多自由的选择学习方式。文献［4］提出：翻转课堂里，“授业”由技术完成，“解惑”才是主要的工作。文献［5］提出：基于多媒体技术、虚拟现实技术的研究，应当成为翻转课堂研究的重点。

本文在“单片机原理与应用”课程的教学实践中，提出基于Proteus仿真与螺旋式发展的翻转课堂教学模式，可为各相关电类课程的教学提供新思路。

1 单片机教学现状及不足之处

“单片机原理与应用”是一门实践性很强的专业课程，与其他的专业课程一样，实验课是为课堂的理论教学服务的，目的是帮助学生更好地理解与掌握基本原理。而当前在具体的实验教学中，由于实验箱或实验台的电路走线是固定的连接好的，学生在实验时基本是依照实验说明书在上面进行：连接导线—运行程序—观察结果；实验操作存在单一性、程式化的缺点，缺乏应有的开放性。学生难以根据自己的理解、掌握程度、薄弱环节，或者针对具体的功能要求，搭建自己的实验系统来巩固相应的单片机的基本原理。以上不足之处，使得有些学生实验完成后，甚至难以将实验的具体硬件电路和相应的程序一一对应起来。我们根据对多届学生的问卷调查与分析，发现学生在学习该课程时，由于实验条件与时间的限制，的确存在上述问题。加之有些学生在实验时甚至是抱着应付的心态；因此有不少学生对单片机基本原理存在是似而非的认识，觉得“单片机原理与应用”是一门很深奥、很抽象的课程。我们认为，如果引入基于Proteus的虚拟仿真技术，同时辅以适当的实物制作课外活动，该课程的教学效果会有很大的改观。

2 基于Proteus的翻转课堂教学研究

我们的翻转课堂教学模式中，学生从被动学习过渡到自主学习，成为单片机课程教学重要参与者。学生在课下对教学视频进行学习，通过预设启发性问题的方式，锻炼学生发现问题的能力，实施线上教育。课堂上，教师组织并参与教学互动，激发学生学习的积极性，对线上教育中出现的问题进行处理，实施线下教育。我们通过翻转课堂的形式，实现课外线上教育与课堂的线下教育轮番呈现，教师协助学生实现专业知识的内化，将本课程的知识无缝地嵌入到整个专业学习的知识体系之中，使其成为大学生今后从事专业的一个重要支点。

2．1 线上教学系统

翻转课堂的核心之一在于课堂的交流讨论，实现交互生成性学习。通过课外观看教学视频等方式，学生对课程教学的内容、目的、进度等有一定的了解，确保其在课堂教学开始之前有较充分的准备。在单片机的教学中，学生普遍表现出一定程度的学习焦虑或恐惧症状，据我们的问卷调查分析，原因之一为课程各部分知识点的内容较抽象，入门难；加之实验时没有得到充分训练，学生对单片机的学习热情受到挫折，丧失原有的兴趣与动力。同时上一届的不良情绪不可避免地向学弟们传导与蔓延，造成一定的教学困难。针对这一问题，我们在本课程教学之初，通过线上教学系统，让学生了解本课程的教学目标与要求，了解本课程在机电一体化中的地位，以及课程与未来专业发展的联系。我们通过制作往届学生在课外活动中的精彩案例视频，把往届学生实物制作的关键步骤、作品的相应效果以及所取得的成绩，一一展示给正在进行课程学习的本届学生。给他们某种积极的心理提示：单片机的在专业的发展中具有引人入胜的未来，甚至可促成新的发现与发明，激发学生迎难而上的决心。随着线上学习的逐步开展，使得学生主动地了解、分享某些本来由教师掌控的教学信息，以便学生在教学过程中能够多视角地领会教学内容，在一定程度上弱化教师与学生之间不合理的信息不对称因素的负面影响［6］。在线上教学中，通过形成生动、积极向上的学习、探究氛围，促成重大的教学成果。

2．2 线下教学系统

在翻转课堂的开展过程中，作为教学主体的学生，需要有时间和空间来总结他们的学习活动以及心得体会。即学生在教学的一定阶段，需采用纵向或者横向的方式，通过比较、总结，评估自己的学习状态，查找自己的知识盲点。这种反馈式小结有可能在多种层次上发生，也可能在共同体中发生，从而使学生对课程知识结构有层次清楚、条理分明的认识。与传统环境中的学生一样，翻转课堂中的学生也在意自己的学习过程与效果，当他们遇到困难，难以继续学习时，很容易会产生无助感与挫败感。对于这个需要解决的问题，我们采取的办法为：①根据教学的具体实际，构建基于虚拟仿真的翻转课堂，通过多层次互动，强化学生的对单片机基本原理的掌握，在学生之间形成一个坚实、相互耦合的知识链。②在学习遇到困难而一筹莫展时，我们采取一种迂回战术：即不要求学生短时间完全掌握该知识点的全部内涵；而是按照重点知识、难点知识本身的层次性以及学生的学习状态与认知规律，抽丝剥笋地逐一分解，形成错落有致的知识链条，以此完成对该知识点的掌握。该部分的研究与实践请参阅本文第3部分的有关螺旋式递进的教学模式。

在我们多年的教学实践中发现，营建友善、互助、活泼、严谨课堂氛围，有助于逐步形成学生在以后学术研究中所需要的坦诚交流、求真求实的学术品质。同时交互式课堂讨论也有利于性格内向的学生融入到整个课堂建设中来。在翻转课堂的线下教学时，我们强调平行互动为先的方式，即鼓励学生参与到其他同学们的活动之中。在此过程中，如果进展遇到困难，他们一般会自发地表现出较强的探求愿望，主动地寻求帮助。作为课堂教学的协助者，教师需要站在专业知识的高度，选择适当的时机参与进去，与其一起解决问题，形成学生学习与进步过程中一个新的良机。这种融入式的教学活动能协助后进的学生，使班级的课程教学总体发展处于齐头并进的良好状态，化解部分学生的学习滞后而影响教学系统稳定性的潜在风险［7］。

2．3 仿真教学与实物制作的设计

在“单片机原理及应用”课程的教学内容的组织中，鉴于虚拟仿真软件较强的扩展性和开放性，考虑到翻转课堂的特点与要求，我们实现了基于Proteus与实物制作的驱动教学机制。在单片机理论教学与实验教学轮流交替过程中，课题组开发了多款基于单片机的机电产品，积累较多的实践经验。在单片机的教学、教研与教改活动中我们发现：采用Proteus有助于明确概念，解决难点［8～9］；同时发现，在教学进程中的综合训练阶段，将单片机在工程中的典型应用案例引入教学时取得的教学效果最为显著。这不但可以调动学生的学习热情，而且有利于学生通过案例来巩固本课程的基本原理。

学生在基于单片机的课外实物制作的活动中，对于复杂的系统或者电路原理图的正确理解是一个至关重要的问题。所以在课题开展过程中，学生首先用Proteus根据具体的要求设计电路，编制程序；通过反复实验、调试；直到仿真成功。再根据仿真确定设计方案，购买相应的元器件，进行实物制作［8～9］。虚拟仿真不但可以避免因方案不正确所造成硬件装置的报废，解决实验资源紧张的难题，而且可以培养学生的实验操作和系统开发能力。

同时，我们也根据学生的学习情况、专业基础以及学习的主动性，组织学生根据自身爱好成立课外活动小组。或者让学生适度参与到教师的科研项目中去。比如“基于单片机的机械往复机构实验装置的研发”、“基于单片机的变频器实验装置的研发”、“基于单片机的健身投篮装置的设计”等项目，就是由教师提出，学生参与的创新性课题，现在已经基本完成，拟申报2项发明专利与1项实用新型专利。其中的“基于单片机的机械往复机构实验装置”的电路仿真图如图1所示，其中限位开关用按钮表示。

图1 机械往复实验装置控制电路仿真图

在仿真验证完成之后，进行实物制作，经过调试，最终实现系统研发。其中的限位传感器采用EE-SX670凹槽对射型光电管，当工具在超程时，位于两端传感器的输出端即第三个引脚向单片机申请中断，CPU响应中断后，即可调用中断服务程序，控制电机反转，实现往复运动，达到了预定的设计目的。学生通过该实物制作，对单片机中断技术的基本原理及应用有了更深的认识；同时实践操作能力、沟通合作能力，发现问题以及解决问题的能力等，都得到了较充分的训练。该实物制作的实物图如图2所示。

3 螺旋式进程的翻转课堂教学研究

在课程的教学实施过程中，根据学生的知识结构与认知规律，以及宽口径、厚基础的教学要求，首先让学生对单片机相应的原理有一个感性认识，然后逐步深化，直至掌握单片机各个模块工作原理。

图2 机械往复实验装置实物图

我们的翻转课堂教学研究是以数制、单片机的结构与组成、指令系统、定时器／计数器、串口通信、中断技术、系统扩展以及基于单片机的机电产品的开发等为主线，各章节内容相互级联，采用螺旋式上升的形式展开的，如图3所示。让学生通过理论学习、仿真学习，以及实物制作等环节，循序渐进地掌握单片机的基本原理。

这一基于螺旋式进程的翻转课堂教学研究使得整个教学过程具有直观性、启发性与递进性的特点，水到渠成地完成教学任务。

图3 螺旋式进程的教学模型

根据我们的分析与研究，发现在所采取的螺旋式进程模式中，一方面，教师传授给学生的信息量随着教学的推进以及难度的增大而逐步递减，另一方面，学生学习时所掌握的知识慢慢地由教师的灌输转换为自身的习得［10］。尤其在与工程实践结合紧密的系统开发环节，指导教师主要的工作是方向上的把握，比如课题研究的必要性、可行性分析等。有关的具体细节、技术路线，甚至关键技术，基本由学生经过探索、分析、设计以及调试而逐步展开，直到实现系统开发，形成研究成果。

4 结语

（1）本研究将虚拟仿真教学与项目教学紧密地结合起来，既减少设备消耗，以及耗材的使用量；又可克服时间与空间上的限制，提高课程教学的开放性程度。

（2）通过翻转课堂的教学实践与教研教改活动的开展，加强对学生的创新思维和解决实际问题能力的培养。教师由知识的灌输者转变为学生自主学习的助力者，学生由知识的接受者变为知识的探索者。这在“单片机原理与应用”的课程教学中具有重要的现实意义；有利于形成稳定、精准、鲁棒性好的前馈式教学系统。

（3）通过基于虚拟仿真与螺旋式进程的单片机课程教学的翻转课堂的开展，教学的组织方法与形式得到优化，学生的工程实践的能力、团队协作的能力、发现问题的能力和理论探索的能力等得到直接的锻炼；达到教学目的—掌握单片机的基本原理，并具备初步的机电产品的研发能力。