《单片机原理与接口技术》混合式教学探索与实践

马春燕 郑剑海 王淑红 李志锋

摘要：在《单片机原理与接口技术》课程教学过程中，为了满足不同层次学生的学习需求，针对不同的教学内容、教学目标，设计了线上与线下相结合、讲与练相结合、虚拟仿真与实体实验相结合、实验箱与“口袋机”相结合的多种混合教学模式，特别是引进“口袋”实验室概念，应用“口袋机”这一便携式实验设备，实现了真正意义上的开放式教学，建立信息化管理系统平台，实现了“口袋机”的借用、归还、预约、续借等管理功能，调动学生的学习热情，让学生“動起来、忙起来”，使学生在项目实践中学习和掌握系统的知识体系。

关键词：单片机;混合式教学;口袋实验室

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）50-0168-03

新工科是当前我国在面临新一轮科技革命、产业变革和新经济环境，基于国家战略发展提出的新要求。教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”等指导性文件，指明了以学生为中心的教学理念和工程教育教学改革的路线，而教学模式改革是重要途径[1]。

一、混合式教学模式

目前，全国高等学校的教学模式包括：传统课堂教学、MOOC、SPOC、翻转课堂和混合式教学模式等[2-4]。混合式教学模式源自混合式学习，可以看作面对面的课堂学习与在线学习两种方式的有机整合，混合学习的核心思想是根据不同问题和要求，采用不同的方式解决问题。混合式教学模式包括教学形式、教学技术、教学手段和教学评价等四个方面的混合教学。教学形式表现为传统面对面学习与网络在线学习的混合;教学技术表现为视频、音频和文本等多媒体技术的混合;教学手段表现为教师面授教学引导与学生自主学习混合;教学评价表现为过程性评价与总结性评价的混合。其核心思想是教师的“教”与学生的“学”的混合，要求根据不同教学问题，采用不同的教学方式解决，通过为学生提供自主学习的通道和信息传递方式，更有利于促进学生接受知识，从而实现较为理想的教学效果[5]。

二、混合式教学模式设计与实践

“教学有法，教无定法”，这意味着没有一个现成的、放之四海皆准的混合式教学模式可以套用。必须根据不同的教学内容和教学目标，设计并采用不同的教学模式，完成教学任务。

（一）混合式教学模式设计

面对面课堂教学以教师的“教”为主要特征的教学活动，教师可以根据学生、学习内容、学习目标的不同，选择一种或多种教学模式进行混合式教学设计，积极引导学生完成自主学习和小组学习，对于难于理解和掌握的知识点，教师可以在课堂上融合多种教学策略进行精讲，充分激发学生学习兴趣，提高学习能力，达到教学目标。在线学习以学生的“学”为主要特征，实现学生自定步调、自主学习同教师在线指导相结合。学生通过在线网络学习平台对视频资源、测试等任务进行学习，借助在线论坛、QQ、微信、Email等方式与其他同学或教师进行同步或异步交流、讨论、分享等学习互动环节，方便及时解决遇见的困难和问题。把混合式教学模式应用于《单片机原理与接口技术》课程的教学过程，目的是满足不同层次学生的学习需要。在课堂上教师讲解理论知识和具体应用实例，带领学生开展项目实践。在网络上重现课堂例题操作步骤、录制视频，同时提供拓展高阶编程实践，并对学生项目的实施进行跟踪管理。对不同的教学内容、教学目标、教学形式、教学技术、教学手段，设计了线上与线下相结合、讲与练相结合、虚拟仿真与实体实验相结合、实验箱与“口袋机”相结合的多种混合教学模式，旨在激发学生学习的主动性和创造性，培养学生的创新思维和实践能力。

（二）混合式教学模式实践

以《单片机原理与接口技术》课程为例，进行混合式教学模式的探索与实践。课程主要内容包括单片机结构及原理、汇编语言指令系统及程序设计、接口技术及应用系统设计三大部分。各部分内容紧密相关，但又各具特点，需要采用不同的教学方法和手段进行教学。

1.线上与线下相结合。单片机结构及原理部分，介绍AT89S52单片机片内硬件结构和引脚功能，要求重点掌握AT89S52单片机的存储器结构、特殊功能寄存器的基本功能以及复位电路与时钟电路的设计，建立单片机最小系统的概念。这部分教学采用线上与线下相结合的教学方式，学生提前线上观看教学视频，对AT89S52单片机先有一个总体认识，然后带着问题进入课堂，听教师讲解分析教学难点和重点，师生展开面对面的讨论和学习，化解难点，掌握重点，为后续课程的学习奠定基础。

2.讲与练相结合。汇编语言指令系统及程序设计部分，介绍8051单片机汇编语言指令系统和汇编语言程序设计方法，重点掌握111条指令的格式及功能，顺序结构、查表、分支转移、循环等程序的基本结构及设计方法。对于这部分内容，采用基于虚拟仿真软件，讲与练相结合的教学方式，应用Keil μVision单片机集成仿真软件，学习并运行指令和程序，观察每条指令执行中，寄存器和指针的变化以及程序的执行过程，边讲边练，使学生能更加直观、形象地学习和掌握指令的功能和编程的技巧。

3.虚拟仿真与实体实验相结合。接口技术及应用系统设计部分，介绍单片机片内资源的结构以及接口电路的设计方法。重点包括AT89S52单片机中断系统、定时器、串行接口、LED/LCD显示器、开关/键盘、ADC与DAC等内容。对于这部分内容，采用虚拟仿真与实体实验相结合的教学方式，在Proteus仿真实验平台上搭建功能电路，编写初始化及功能程序，初步学习和了解定时器的定时、计数及中断、串行通信、LED显示器、开关输入、键盘扫描的工作原理及编程方法，而后在单片机实验箱上插接电路，构成硬件系统，全面熟悉并掌握单片机接口电路的设计、测试、编程及调试的步骤和方法。

4.实验箱与“口袋机”相结合。目前，全国各高校普遍采用单片机实验箱进行《单片机原理与接口技术》实验，实验箱可靠性强，但是实验箱的接口电路基本固定，不具备再开发的功能，不利于学生发散思维的训练，同时受空间和时间限制，实验教学滞后于课堂教学，很难保证学生在有实验激情和创作灵感的时候进行实验、设计与探索。因此在实验和课程设计环节，为了有效提高学生实际动手和创新实践能力，在教学过程中，采用实验箱与“口袋机”相结合的开放式教学方式，打破传统固定实验室空间和时间的限制，调动学生的学习热情，让学生动起来、忙起来，使学生在硬件实验、系统设计和项目实践中学习和掌握单片机的知识体系，培养学生知识综合运用能力和工程实践能力。（1）“口袋机”教学实验系统。为解决传统实验室存在的空间和时间相对固定，不能满足学生随学、随做的需求问题，设计开发了基于“口袋机”的“单片机原理与接口技术”开放式教学实验系统。系统由“口袋机”主机、接口模块、虚拟终端显示微信小程序及借用管理系统组成。学生可以像借阅图书一样，用学生证便可借用“口袋机”和接口模块，在寝室、图书馆、自习室，甚至任何一个可以学习的地方，随时进行学习和实验，完成课程实验、课程设计和创新活动。（2）“口袋机”主机。“口袋机”主机采用“核心板+底板+功能扩展板+虚拟外设”的设计理念，功能可搭配，便于学生实验、课程设计及项目开发。“口袋机”尺寸为135mm×90mm×20mm，体积小，便于携带，功耗低，可以随时随地边学、边练。“口袋机”主芯片采用STCmicro宏晶科技公司IAP15W4K58S4单片机，可以完成发光二极管流水灯控制、红外传感器测距、独立按键控制流水灯以及OLED显示等实验。“口袋机”外形及核心板如图1所示。（3）“口袋机”接口模块。系统共有13个接口模块，包括矩阵键盘与拨码开关模块、16×16点阵显示模块、7段LED数码管模块、电机控制模块、十字路口交通灯控制模块和继电器控制模块，尺寸为100mm×55mm，通过GPIO的A口和B口与“口袋机”主机相连。可以完成矩阵键盘控制、矩阵键盘控制、数码管动态显示、直流电机调速、交流电机PWM调速、智能交通灯和继电器控制等实验。（4）“口袋机”虚拟终端显示微信小程序。“口袋机”底板上设计有WiFi、蓝牙、无线射频单元电路，可以通过对应的虚拟终端程序发送信息，在智能手机上显示程序运行结果，即虚拟终端显示功能。使用WiFi功能，可以实现“一点对多点”的信息传输，便于教师演示性教学，不受时间、空间和设备限制，可以随时发布教学信息，便于学生实时观察实验结果。智能手机关注“北京杰创永恒科技有限公司”微信公众号，进入“杰创POK虚拟终端”，打开手机蓝牙或接入WiFi局域网，“口袋机”上电，搜索附近的“口袋机”设备，连接成功后，进入实验列表界面。以交通灯实验为例，点击交通灯实验，“口袋机”开始运行控制程序，数据通过蓝牙或WiFi实时传输到智能手机，显示“十字路口”交通灯的控制场景，如图2所示。（5）“口袋机”借用管理系统。通过“口袋机”借用管理系统，学生使用学生证即可完成借用和归还，实现“口袋机”的借用、归还、预约、续借等管理功能，共享“口袋机”实验设备，随借、随用，打破传统固定实验室空间和时间的限制，使学生在课堂上积极动脑学习，课后有灵感、有想法时就可以拿出“口袋机”做实验，巩固和拓展知识面。

三、结语

混合教学是在对在线学习反思的基础上形成的新的术语，不只是线上和线下两种形式的简单组合，而是要充分发挥和利用在线学习和面对面教学的优势，通过“混合”促进传统教学模式的变革。因此，混合教学模式可以说是一个教学理念的回归，又是一个发展。混合式教学模式在《单片机原理与接口技术》课程教学过程中的应用和实践，收到了良好的教学效果。混合式教学模式课程设计的理论探索和实践应用的不断深化，将为越来越多的学生带来优化的学习效果。

参考文献：

[1]伍龙，苗磊，黄凯峰.新工科下单片机课程混合式教学模式改革[J].淮南师范大学学报，2019，21（113）：132-136.

[2]王婷婷，彭熙，葛非.SPOC与翻转课堂混合教学模式在通识教育中的应用[J].科技文汇，2019，4（456）：124-126.

[3]李克东，赵建华.混合学习的原理与应用模式[J].电化教育研究，2004，7（135）：1-6.

[4]陈雅.基于混合式学习的任务驱动式教学[J].中国成人教育，2017，（2）：85-87.

[5]孙娜，刘永良，孙向南.“互联网+”新时代背景下混合形态教学模式构建[J].计算机教育，2019，（2）：102-106.