《单片机原理与接口技术》混合式教学探索与实践
马春燕1，郑剑海2，王淑红1，李志锋1
（1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原 030024；2.北京杰创永恒科技有限公司，北京 102200）
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“动起来、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
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]。
根据图4所示的不同围压下的应力应变关系曲线，可以得到不同砂粒含量下的砂质黄土的摩尔-库仑抗剪强度包线如图5所示。由不同砂粒含量下砂质黄土的摩尔-库仑抗剪强度包线可以得到其抗剪强度强度参数如表2所示。
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。
随着互联网技术日新月异，企业需要朝着大数据分析方向迈进，创造出精准成本管理模式。在企业的成本管理中，可利用大数据进行成本的实时动态管理，并提高企业的成本管理水平。现如今，有很多企业已经利用大数据时代下的信息化管理模式，企业可以利用大量信息，对企业的成本管理方式带来了巨大的变革。
（一）混合式教学模式设计
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。
（二）混合式教学模式实践
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。
油田余热的回收利用已经过几十年的研究和实践，文献报道中有针对注汽锅炉余热回收[2]、污水余热回收[3-5]以及油田各类余热的综合利用[6]等方面的研究。这些研究从多方面系统地研究了合理而有效地回收余热的技术手段，其中也包括了对吸收式热泵技术应用的研究[7-10]。吸收式热泵技术（AHP）与传统热泵一样，能够将热量从低温向高温传递。相比于传统使用氢氟烃作为制冷剂的机械式热泵，不向大气排放温室气体，具有更佳的环境友好性，更符合如今对清洁能源的需求，同时不消耗大量的电能。但文献报道中较少有将吸收式热泵技术应用于SAGD稠油开采余热回收的研究。
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。
图1 “口袋机”外形及核心板
图2 交通灯实验
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.
Exploration and Practice of Blended Learning in"SCM Principle and Interface Technology"
MA Chun-yan1,ZHENG Jian-hai2,WANG Shu-hong1,LI Zhi-feng1
(1.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China;2.Beijing Jiechuang Yongheng Technology Co.,Ltd,Beijing 102200,China)
Abstract: In the teaching process of"Single Chip Microcomputer Principle and Interface Technology",in order to meet the demand of different levels students',various blended learning modes were designed,include the combination of online and offline,speaking with practice,virtual simulation with physical experiment,experiment box with "pocket machine".Typically "pocket" lab concept was introduced.The "pocket machine" was applied,a portable laboratory equipment,to realize the true sense of open teaching.At the same time,a information management system platform was adopted to realize many functions,such as borrowing,returning,making an appointment and renewing management for the "pocket machine",aimed to mobilize students' learning enthusiasm.Let students "move and busy",so that students in the project practice to learn and grasp the system of knowledge.
Key words: single chip microcomputer;blended learning;pocket lab
中图分类号： G642.0
文献标识码 ：A
文章编号： 1674-9324（2019）50-0168-03
收稿日期： 2019-09-11
基金项目： 教育部2017年第二批产学研合作协同育人项目“基于借阅式实验硬件的单片机教学内容改革”（201702096009）；2018年教育部新工科研究与实践项目“电气工程及其自动化专业高层次人才培养模式探索与实践”（262）
作者简介： 马春燕（1966-），女（汉族），河北唐山人，博士，教授，研究方向：智能监测监控技术、新能源发电及控制技术。
标签：单片机论文; 混合式教学论文; 口袋实验室论文; 太原理工大学电气与动力工程学院论文; 北京杰创永恒科技有限公司论文;