基于Proteus的混合教学模式设计与实践——以省属地方高校“单片机原理与应用”实验课程为例＊

新疆农业大学交通与物流工程学院 董丹华

在现有单片机实验系统基础上，设计基于Proteus的项目式仿真实例库，并进行混合式教学模式设计与实践。 以具体的综合应用型的仿真实例，对教学内容和过程的设计、仿真电路绘制及仿真的主要过程进行阐述。实践表明，利用Proteus的混合教学模式，可以加深学生对单片机原理与结构的理解，通过Proteus仿真软件开发并设计的直观的联动仿真电路，进一步激发学生学习兴趣，提高学生单片机外围电路设计、编程能力及单片机综合应用的能力。

针对新疆地方高校学生学习《单片机原理与应用》有很大困难，本文提出基于Proteus的混合教学模式，该模式是以“多路LED灯的花样控制”“十字交通信号灯单片机模拟系统” “汽车温度监测单片机模拟系统”“汽车倒车测距仪单片机模拟系统”等仿真电路实例库，超星泛雅自建课程平台、学习通App、钉钉直播课堂等网络教学工具设计的混合教学模式，能有效促进学生学习的积极性，将课堂从以往老师的“教”为中心转变成以学生的“学”为中心，培养学生的综合能力，使学生的实验思维方式由验证型转变为应用设计型，实现单片机外围电路和程序的自主综合设计。

1 课程教学现状

《单片机原理及应用》是我校面向“交通运输”“汽车检测与维修技术”（专科）等专业学生开设的专业基础课，该课程在学生科研项目训练、学科竞赛、专业课程设计、毕业设计等环节占据主要位置。《单片机原理及应用》课程内容较复杂和抽象，教改前：首先讲解单片机内部结构、组成电路及工作原理，然后详细阐述51指令系统的每一条指令，接着引导学习读汇编程序及进行简单程序的设计，再接下来讲解单片机的外围资源，如：外部中断、定时／计数器、串行通信及接口、A/D和D/A转换等，最后举几个应用实例。所有知识和理论通过此教学过程全部涉及到，但使得基础知识和实际应用之间存在严重脱节，且由于知识点较多导致记忆的内容多，且抽象枯燥难懂学了后面忘了前面，造成相当一部分学生对单片机的学习失去兴趣而影响整体教学效果。实验环节的10～16学时的实验，均为验证性实验，学生参考实验指导书上的源程序在实验箱上连几根线即可完成实验，学生收获不大。

2 混合式教学与Proteus仿真

2.1 混合式教学

互联网及移动网络技术的发展不断改变着高校师生的学习方式、学习空间及教师教学方式的创新与变革。高校师生高度关注线上与线下教学有机融合的混合式教学方法，有学者从不同角度对其进行研究。

祝智庭教授的《远程教育中的混合学习》文献中最早提出混合学习概念。何克抗教授认为课程理论与信息技术相融合是教学设计理论的新发展，指出混合式学习的方式采取的是运用网络科技，打通“线上”和“线下”的空间隔阂，充分利用学习时间，突破传统学习在时间和空间上的制约，能够达到进一步激发学习者的学习兴趣和热情的目的[1]。张倩提出：疫情防控期间应着力从建设信息化、智能化的混合式教学设施，发展双边互动的混合式教学方式，筛选丰富而规范的混合式教学内容等方面构建融合式的混合式教学模式[2]。于歆杰结合近年来与不同类型学校的教师合作的经验，总结了与混合式教学相关的六对系[3]。曹海艳等认为混合式教学设计是成功开展混合式教学的关键，并提出了4个阶段、10个步骤的设计模式[4]。李海东等提出混合式教学质量评价流程模型、指标体系与方法[5]。有研究学者着重于用技术为学习提供有效支持，通过记录、管理、考核、实时反馈等多种功能，做到学习过程数据可追溯和把控，保证学习效果的达成。20余年来混合式教学概念演变由聚焦信息技术逐步向关注师生共同成长、提升教学效果转变[6]。

2.2 Proteus仿真软件

Proteus软件集成电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真的功能，在单片机仿真应用领域有独特的优势[7]。Proteus仿真软件提供的单片机以及外围元器件虚拟模型与硬件实物芯片功能是一一对应的，因此在教学实践中把Proteus软件与Keil编译器联动仿真引入到课堂、实验教学中, 设计了将学生的兴趣、所学专业相结合的综合性实例库，如图1～图4所示。

图1 “多路LED灯的花样控制”仿真实例Fig.1 Simulation example of "pattern control of multiple LED lights"

图2 “十字交通信号灯单片机模拟系统”仿真实例Fig.2 Simulation example of "single-chip computer simulation system for cross traffic lights"

图3 “汽车温度监测单片机模拟系统”仿真实例Fig.3 Simulation example of "automotive temperature monitoring microcontroller simulation system"

图4 “汽车倒车测距仪单片机模拟系统”仿真实例Fig.4 Simulation example of "single-chip computer simulation system of car reversing rangefinder"

学生将程序编译生成.Hex文件导入至仿真电路的主控芯片中，就可以在Proteus软件界面中通过播放按钮直观地看到程序控制的仿真电路其模拟运行的状态和结果，代替了实物演示的需求。Proteus软件能够将单片机程序的烧录、执行的过程形象地展现出来，这是传统单片机原理课程教学难以做到的，课堂的生动与互动性增强了。

3 基于Proteu的混合教学模式设计

为了解决线下面授和学生实验学时的不足，引发和督促学生对单片机知识的持续深入学习，引入基于Proteu的混合教学模式，用兴趣和适当的压力把学生端的“让我学”改变为“我要学”。

3.1 教学内容组成

《单片机原理与应用》课程是一门面向应用的具有很强的综合性和实践性的课程。课程特点：（1）硬件结构和原理、接口技术与编程方法并重；（2）软、硬件相结合；（3）理论与实践相结合。

课程的主要教学内容包括三个部分：（1）51单片机的片内硬件结构，最小系统构成；（2）51汇编语言指令系统，常用程序设计；（3） 51单片机片内中断系统、定时器、异步串行口的功能及工作原理以及应用程序设计。本课程总学时48，采用混合式教学，线上学时占总学的百分之40%（包含学生自主学习、线上远程实验指导等）。以51系列单片机为例，以项目为主线，系统介绍51系列单片机的原理和应用，是学生掌握单片机技术的基础课程。

3.2 教学设计及环境

3.2.1 教学设计思路

（1）以学以致用为目的，教学设计为解决工程应用任务，培养学生专业知识的应用能力和创新意识。选择与学生合适的教材和匹配的线上慕课资源来提高学生的自主学习能力，课前课后的测验（网上搜不到的自编题目）检测自学和掌握效果，通过成绩排名进行督促，及时提供学习反馈及帮助；

（ 2）录制浅显易懂的微课小视频，帮助汉语言水平较弱学生。英语类软件安装、联调、操作环节遇到的困难，通过视频一对一在线指导；

（3）根据学生拥有电脑情况建立学习小组，并根据小组成员的学习效果，制定合理评价细则。

3.2.2 教学环境

此处教学环境分为三部分：在线课程资源网址、实践硬件环境和课堂交互软件，具体如表1所示。

表1 教学环境Tab.1 Teaching environment

3.3 教学过程

利用各种线上线下互动工具进行教学任务的实施，采用基于实践、理论、再实践的教学过程，如图5所示。

图5 “Proteus的混合教学模式”教学过程Fig.5 The teaching process of "Proteus' blended teaching model"

具体的教学过程描述如下：

（1）课前。在自建的SPOC课程网站上，按合理的逻辑顺序，组织好以完成项目案例为目标的相关慕课资源，录制重组资源中未涉及的教学内容的微课视频做为补充，提供资源中缺乏的文字资料，例如，8051汇编指令对应机器码表、Proteus元器件名称中英文对照表、单片机开发板的电路原理图、各类元器件和传感器技术说明文档等。要求学生自主学习在线发布的学习内容，并完成相关的话题讨论、限时作业或测验。教师端加强对学生的讨论、限时作业或测验成绩等学习数据进行分析，实时了解学生学习兴趣，监控并督促学生的学习过程，诊断其薄弱环节，对其进行合适的匹配，并准备课中的讲授内容、课堂互动、仿真动画演示等。

（2）课中。紧紧围绕项目案例所涉及到的相关知识，对学生课前掌握不足或理解偏差的知识进行组织和讲授，通过课堂互动、仿真动画演示等活跃课堂氛围，激发学生的探索精神。

（3）课后。发布相关的作业及实操内容，作业或实操内容提交时间截止后，及时向学生提供参考答案及常见问题反馈，公布单元学习成绩排名，激发学生适度的争强好胜心。完善小组学习效果评价细则，鼓励学生之间的交流与讨论，加强学生间团队协作。加大教师的参与度，有效的互动是学生所学知识得以内化、能力获得提升的最重要体现。

最后，对学生在实验、实践过程出现的各类问题进行收集、汇总，完善“常见问题与解决办法”文字材料。总结教学过程中值得继续采纳与推广的，同时也不断反思学生在学习过程中产生的问题及解决办法。

4 实践结果与研究

4.1 课程考核

课程考核是保证教学质量和检验最终教学效果的重要手段，其目的在于督促并指导学生系统地巩固、复习所学知识与技能，检验学生对所学知识的理解程度和灵活运用能力。课程考核应坚持诚实、严谨、公平、公正的原则。本课程采用过程性考核，包含两部分，如图6所示。

图6 课程考核指标Fig.6 Course assessment indicators

针对不同授课班级学生的特点具体的占比和权重可根据需要适当调整。

4.2 课程考核结果

本次教学实践比较对象为新疆农业大学交通与物流工程学院交运176、交运2021级两个民语言班级，每班学生19人，共计38人。交运176为对照班，交运2021为实验班。实验班采用Proteus的混合教学设计，对照班采用普通混合式教学。开课前进行的调查分析显示：两个班学生的语言表达、原有认知、英语水平、计算机水平、学习习惯相差不大，这为开展教学效果评价与比较提供了较好的前提条件。

两个班的过程性考核结果如图7所示，由此可见，采用基于Proteus的混合教学模式和多元化的过程性考核将重心放在学生学习过程考核上，督促学生课后持续投入时间和精力，避免了学生在考试前通过死记硬背的突击学习来应付考试，改变了以往挂科人数居高不下，不能学以致用的局面。

图7 学生成绩分布柱图Fig.7 Student achievement distribution column chart

5 结语

与以往普通的混合式教学模式相比，采用Proteus的混合教学模式可以提升学生的学习效率，增进学生与教师、学生与学生之间的互动，较好地解决了实验教学存在的硬件资源有限、理论与实践脱离、理论与实验学时不足、课程内容抽象难理解导致学生学习兴趣不高等一系列问题，拓展了学生的学习空间和时间，提高了合格率，加强了学生的动手实践能力。

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引用

[1]何克抗.从“翻转课堂”的本质,看“翻转课堂”在我国的未来发展[J].电化教育研究,2014,35(7):5-16.

[2]张倩,马秀鹏.后疫情时期高校混合式教学模式的构建与建议[J].江苏高教,2021(2):93-97.

[3]于歆杰.论混合式教学的六大关系[J].中国大学教学,2019(5): 14-18+28.

[4]曹海艳,孙跃东,罗尧成,等.“以学生为中心”的高校混合式教学课程学习设计思考[J].高等工程教育研究,2021(1):187-192.

[5]李海东,吴昊.基于全过程的混合式教学质量评价体系研究——以国家级线上线下混合式一流课程为例[J].中国大学教学,2021(5): 65-71+91.

[6]张宏伟,王海星,郭建锋,等.基于腾讯课堂和虚拟仿真技术的嵌入式系统线上教学[J].实验技术与管理,2020,37(12):170-174.

[7]孟霆,张晓峻,车雪峰,等.基于Proteus软件的单片机课程线上教学探索[J].实验室研究与探索,2021,40(11):184-188+214.