基于自制教学仪器的“翻转课堂”教学模式探索

陈孟元

(1 安徽工程大学 安徽省电气传动与控制重点实验室， 安徽 芜湖 241000 2 中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系， 安徽 合肥 230027)

0 引言

工科专业实践教学包含着认识实习、电工电子实习、课程实验、课程设计、综合性实验、毕业设计等环节。这些教学实践环节，在学生的培养过程中占有重要的作用，能很好地提高学生的学习兴趣和动手实践能力。但是多年来，工科专业实践教学效果并不理想，主要存在各实践环节内容相对独立、理论教学与实践活动相脱节等多方面问题。笔者试图将最新的科研成果融入到教学实践中。基于在科研项目上取得的经验，将项目中制作的控制板改进为通用的实验实训板，通过多模式、多层次循序渐进的实验实训教学体系，使学生掌握一种具体控制器从设计到调试的一整套电子作品制作流程，以提高学生理论与实践结合的能力。

1 实验实训数学体系探讨

1.1 特色鲜明的实践教学体系

电气、电子、计算机、自动化等涉电类本科专业在完成“单片机原理及应用”教学后，根据强、弱电专业划分，分别学习后续课程“计算机控制技术”或“智能仪器与接口”。接着，根据专业方向特点分别选修“DSP原理及应用”、“嵌入式系统及应用”、“FPGA技术及应用”等课程及相对应的课程设计，在课程设计环节完成相对应实验实训装置原理图及PCB图的绘制，在期末的实践环节里，根据不同专业不同的选修课程，分别制做DSP实验实训装置、ARM实验实训装置和FPGA实验实训装置，在这些实验实训装置上完成验证性实验的调试以及综合性实验的调试。在此基础上，建起的多种控制器的嵌入式综合实验创新平台能联系各传统实践环节内容，通过打通单片机、DSP、ARM、FPGA等嵌入式理论课程与认识实习、电工电子实习、课程实验、课程设计、综合性实验、毕业设计等工程实践环节，建立了一个完整的嵌入式开发工程师培训体系，增强对学生动手能力和创新能力的培养，突出课程实践性和技术性的特点[1]。这样一个特色鲜明的实践教学体系其课程配置流程图如图1所示。

图1 课程配置流程图

1.2 实用性

嵌入式综合实验设备主要是由国内教学仪器公司提供的，此类由实验箱等组成的开发平台, 普遍价位在几千到上万元不等。虽然实验箱能够为使用者提供代码、实验指导，但多数实验箱只能让使用者根据实验步骤查看结果或按照使用说明修改参数设置, 很难根据使用者的想法完成有创意的其他实验[2]。笔者在参与产学研活动之余，将项目中制作的控制板成果进一步改进为通用的嵌入式综合实验实训装置，通过学生的制作和调试完成实验实训任务。对于这样的实验实训装置，所有接口和器件的引脚都对使用者开放，学生可以在完成基本实验后自行连接各种外置模块，根据具体情况完成设计性实验，以提高学生实践能力、激发学生创新能力。对于学有余力且愿意参与教师科研项目的学生，通过该实验实训装置相互组合实现多核控制，可完成一些接近于教师科研课题的综合性实验。

1.3 科学性

笔者提出的多路控制器的嵌入式综合实验创新平台是由单片机、DSP、ARM及FPGA四种实验实训装置组成。四种实验实训装置采用功能结构模块化的设计思路并提供了丰富的外设单元，模块的划分充分体现笔者对控制器资源的理解，与书本中的理论知识形成对应。每个实验实训装置模块均由嵌入式最小系统板和底板构成，将嵌入式最小系统板作为核心放置在底板上，用插座与其固定，使其可插拔(便于芯片升级或维修更换)。同时CPU的控制总线、数据线、地址线和片内外设的引脚用插孔引到底板上；外扩的功能模块均分布在底板上，各模块所用到的接口均用接线端子引出。核心板与各外设单元之间相对独立，采用插孔引出方式，用户可自行设计和连接组成不同的嵌入式应用系统。使用者可在实验实训中利用引出脚的连接进行调试。

1.4 启发性

正如上述，在工科电气、电子、计算机、自动化等涉电类专业本科培养的过程中，包含着大量的实践动手环节，例如：认识实习、电工电子实习、课程实验、课程设计、综合性实验、毕业设计等。这些教学实践环节能较好提高学生的动手实践能力，在学生的培养过程中发挥重要的作用。本文提出的嵌入式综合实验实训平台将教师科研成果及工程实际适当引入课堂，理论紧密联系生产实际，建立“开放实验、实习实训、学科竞赛、科研训练”相结合的渐进式启发教学模式[3]，从实践能力培养的全局需求出发，逐步教授各项技术，循序渐进、环环相扣，引导培养学生的学习兴趣及热情。

2 “翻转课堂”实施

笔者提及的嵌入式综合实验实训平台在我校“翻转课堂”教学模式的实施中，得到了很好的应用。

2.1 实验教学环节加强

将“翻转课堂”引入实践教学环节不仅能减少教师的重复性劳动，还能使学生自主安排实践时间。将课堂时间留出来给学生与教师之间开展充分的互动交流[4]，能较好培养学生的自觉学习能力，同时提高学生的动手实践能力。

2.2 实践课程教学改革

通过“翻转课堂”的设计，将现阶段实践课程的安排作如下调整：①第一阶段教学安排为原理图、PCB的绘制，让学生在课余时间通过学习视频资料，在自己的电脑中完成，教师则在指定时间进行答疑：②第二阶段教学安排为电路板的制作，由学生根据个人时间安排，在规定时间范围内在学院的开放实验室完成：③第三阶段教学安排为完成开发板的验证性实验的调试以及开展多个设计型、综合型实验。

这样的安排在短时间内打通了工程实践环节，增强了对学生动手能力和创新能力的培养，突出课程实践性和技术性的特点。具体详细的安排如下：

1)第一阶段

将实验实训平台分为10个模块，分别是STC12C5A32S2模块、电源供电和程序烧写模块、键盘及流水灯模块、电机驱动模块、液晶显示模块、温度传感器模块、温度传感器模块、蜂鸣器模块、数码管显示模块、本地时钟模块、Zigbee无线传输模块，每个模块设计30分钟的在线视频学习资源，学生可以根据自己的时间安排自主安排学习这10个模块的原理图及封装图的绘制，最后完成PCB图的绘制。在本阶段学习的过程中，学生讨论学习及教师在线或面对面答疑是必不可少的辅助部分。考核方式为每人上交一份STC单片机开发板原理图及PCB图。表1所示为该阶段的教学安排。

2)第二阶段

本阶段首先是在线学习电路的装配、焊接与调试的相关视频资料，由教师面对面完成手工焊接注意事项的课堂教学。学生在创新实验室通过教师的辅导完成STC单片机开发板的焊接，同时，学生须在线完成调试软件的安装及使用。在学生完成焊接及软件安装后，教师在课堂上传授电路板调试的基础方法，学生可自行完成开发板的调试，遇到问题，学生可通过相互课堂内讨论、教师在线或面对面等

表1 第一阶段“翻转课堂”教学安排

方式辅导完成。表2所示为该阶段的教学安排。

表2 第二阶段“翻转课堂”教学安排

3)第三阶段

在该环节里要打通仿真、验证性实验、拓展性实验及创新性实验等多个环节，将实验内容按照开发板模块重新编排。以单片机检测温度实验为例，如图2所示，将实验内容细分为仿真图绘制学习、芯片及元件功能了解、Keil工程与文件建立、程序结构了解、烧录程序使用、现象验证与问题解决、无线传输简介、ZigBee模块学习、程序语句学习、多路无线传输实现、程序修改等13个模块，分模块、循序渐进地完成教学内容。每个模块录制20分钟左右的视频，将传统课程中的知识点碎片化。学生课下完成视频的学习，将课堂变成教师学生之间和学生与学生之间互动交流的场所。

3 拥有独立知识产权

笔者设计的多种控制器嵌入式装置及综合实验创新平台拥有独立的国家专利数项，已出版了配套的培训教程，分别示于表3和表4。

图2 分层次教学体系构建

专利名称专利号一种基于单片机的实验开发板201520439398．9一种基于DSP2812的实验开发板201420119526．7基于ARM的实验开发板201520188746．X基于FPGA的实验开发板201520191185．9一种基于ARM及DSP双核开发板201420119504．0

表4 出版教材情况

4 结语

笔者基于在科研项目开发中的经验积累，将嵌入式控制板科研成果改进为通用性更好的实验实训装置，用于实践教学中，使学生通过制做和调试该实验实训装置，完成实验实训及第二课堂培训。由于该嵌入式实验实训装置，所有接口和器件的引脚均对使用者开放，学生可在完成基本实验后，自行连接外置模块，根据实际情况及具体要求进行有创意的设计性实验。同时此实验实训装置易于组合成多核控制器，便于学有余力且愿意参与教师科研项目的学生完成一些接近于教师科研课题的综合性课题。

本文所述的嵌入式综合实验创新平台及解决方案已成功在我校、安徽信息工程学院、淮南师范学院、巢湖学院及淮南联合大学等不同层次的高等院校得到应用推广。

[1] 陈孟元，陈跃东. 以“挑战杯”竞赛为契机谈工科院校青年教师非工化趋向和创型人才培养-以安徽工程大学电气工程学院为例[J]. 长春:长春理工大学学报(高教版)，2012，7(2):20～21,23.

[2] 陈孟元，郎朗.工业控制网络、组态技术在可编程控制器教学中的交互应用研究[J].北京：实验技术与管理，2013，30(6):129～131,135.

[3] 陈孟元，郎朗.电气电子信息类专业大学生竞赛活动与创新能力培养的实证研究[J].重庆：重庆理工大学学报，2013，27(12): 147-148.

[4] 陈孟元. 探索以实践动手能力为基础的工科实践教学新模式[J]. 长春:长春大学学报(社会科学版)，2015,25(4)：136～140.