基于翻转课堂的单片机原理及应用课程教学改革

王春荣，夏尔冬，卫 沅，郑飞杰

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003）

单片机原理及应用是电子技术专业和机械设计制造及其自动化等本科学生的专业必修课，同时也是一门实践性很强的课，该门课运用到电工学、C程序设计、机电技术、电工学、自动控制原理等前续课程的知识[1-2]，使得该课程具有内容多、学时少、学习难度大的特点。基于传统的教学方式，往往把有限的学时更多地分配给了理论教学，被动的“满堂灌”式的理论教学，难免会显得枯燥单一，缺乏互动性，进而使得学生失去学习的主动性。由于实验学时的不足，也决定了实验的内容更多的是以验证性为主的简单实验，使得理论知识与实践无法很好地结合，学生的实际动手能力与自主创新能力得不到有效锻炼。

“翻转课堂”是一种能较好地解决上述问题的教学改革方案[3]。翻转课堂这种教学模式，借助于便捷的网络通信技术，以微视频、PPT等形式的教学多媒体为核心，把教学场地与时间，从空间与时间上都进行了有效延伸，不仅可以克服传统教学方式下，时间与空间的不足或限制，而且还可以有效提高学生的自主学习能力，把更多的学习内容与更多的学习主动性交给学生。传统模式下的45 min教学课堂，成为了师生之间或讨论或引导的时间与场地。将教师与学生在教学过程中的角色进行了翻转，体现了以学生的自主学习为中心、教师的组织引导为辅助的教学特点。相比传统教学模式，“翻转课堂”模式往往具有更好的教学效果[4]。为此，本文在对传统教学方式的不足进行分析的基础上，提出了一种以“翻转课堂”为核心的教学改革方案。

1 基于翻转课堂的单片机原理及应用课程改革

1.1 翻转课堂

翻转课堂即所谓的颠倒课堂，是一种与传统教学模式完全不同的创新型教学模式。翻转课堂改变了教学中教师与学生的角色，与传统教学模式不同，翻转课堂教学模式的主体是学生，学生在课下自主的安排时间对各个知识点进行学习，总结疑问；然后在课堂上针对疑惑问题进行讨论，将课堂转变以学生为主体的答疑解惑过程。

1.2 可行性分析

单片机原理及应用是一门应用性、综合性较强的课程，不但要求学生掌握所学的理论知识，而且还应将理论知识应用到实践中。目前，单片机原理及应用课程多采用传统的教学模式，即以教师为中心向学生讲授理论知识的教学模式。传统的教学模式，不仅存在着知识的强行灌输、“填鸭式”教学，使得学生难以真正融入到课程中、与教师互动少、对课程学习兴趣低等[5-6]；而且往往存在教师在讲台上讲的津津有味、自我感觉良好，而学生则是云里雾里、不知所云的现象。此外，课程涉及的内容包括单片机内部硬件结构与程序设计两大部分，课程内容抽象，学生普遍反映较难理解，而且利用传统的教学模式，教师很难在课堂上利用有限的时间调动学生的自主学习积极性、提高学生学习效率和教学效果等。

翻转课堂特别适合单片机原理及应用课程中单片机引脚的介绍、内外部结构、指令系统、程序设计、系统扩展等内容。由于这些知识在课程中将反复应用，教师可将以上课程内容制作成视频，上传至我校使用的“学习通”APP软件中，学生可在课前观看视频，并借助“学习通”的聊天功能与班级的学生或教师进行交流，或在课堂上学生根据自己的疑问与教师进行讨论或小组内讨论，加强了学生与教师的互动。课后学生可还以随时观看视频并结合PPT对自己忘记的知识进行巩固学习。因此，将翻转课堂引入到单片机原理及应用课程中能够弥补传统教学模式的不足，提高学生的学习效率和教师的教学效果。

1.3 循环程序设计的翻转课堂教学设计

循环程序设计是本课程的一个重点与难点，几乎在各种实际应用中都离不开循环程序。然而，由于设计循环体、循环次数以及循环次数的修改一直是学生的难点。本文以循环程序设计为例，介绍提出的翻转课程与实践操作相结合教学设计的具体实施，具体如表1所示。在设计的教学过程中始终以学生为主体，以激发学生的自主学习积极性和提高实践能力、学习兴趣为切入点，并引入跑马灯将理论知识与实践紧密结合，提高教学效果且符合我校应用型本科办学的特点。

表1 教学设计Tab.1 Teaching design

1.4 翻转课堂与科技竞赛结合的实验教学改革

1.4.1 实验教学现存问题

实验环节是建立在学生掌握了所需的理论知识的基础上，并且是对理论知识查缺补漏的一种手段，更重要的是培养学生的实践能力。但目前各个高校的单片机实验多以验证性实验为主，例如简单的跑马灯实验、矩阵键盘实验、串行通信实验、外部中断实验等。这些实验基本上都能从课本上或者是实验指导手册上查阅到相关的资料，即学生基本上可以照葫芦画瓢的完成实验，缺乏一定的创新，不能有效的培养学生的实践能力和团队协作能力；而且学生在完成了实验环节之后，对单片机的实际应用也知之甚微，无法通过实验激发学生的学习兴趣。

1.4.2 改革措施

针对传统实验多为验证性实验，引入与单片机相关的科技竞赛（例如：电子设计大赛、世界机器人大赛机器人格斗赛、世界机器人大赛机器人格斗赛技术挑战等）对实验教学进行改革。教师通过翻转课堂教学模式，了解到学生对单片机课程的掌握程度，将历年竞赛中的关键技术提炼成各个创新实验，并将学生分组来完成不同的实验。这样的实验内容不仅具有较大的创新性，而且杜绝了学生复制他人程序的情况，有效的提高了学生的实践能力和创新能力。同时，可以邀请历年参加比赛并获奖的高年级学生录制与实验相关或者是调试机器人程序过程遇见的各种问题的视频，学生通过观看这些视频不仅有助顺利完成实验任务，而且可通过学长参加竞赛获奖来激发学生自主学习的兴趣。具体改革措施详见图1。

图1 翻转课堂与科技竞赛结合的实验教学改革Fig.1 The experiment teaching reform of the combination of the overturned classroom and the science and technology competition

1.4.3 具体实例

本节以“机器人登台实验”为例，详细介绍改革措施的具体实施。本实验基于单片机，通过机器人尾部两个红外传感器采集信息，判断机器人是否已经上台，（当机器人本体未全部登台时，通过电机控制最前两轮前倾，使得机器人重心靠前，增加登台的成功率与速度；当机器人已经登台时，控制最前两轮立起，准备执行相应任务），最终完成机器人模块搭建和程序调试，机器人登台具体过程如图2所示。

图2 机器人登台过程Fig.2 The robot steps onto the stage

（1）制作微视频

针对实验需完成的内容，将其分解为机器人模块拼接、红外信息的采集、电机转速的控制、电机转角的控制等子任务，并制作相应的视频讲解和PPT。同时，指出相关问题，如：P3口的第二功能有哪些？TIMER1和TIMER2分别是几位的定时器计数器？PWM波产生的原理等。录制完视频之后，上传至学习通平台，供学生观看学习。

（2）实验实施过程

首先，学生可在课外时间通过“学习通”平台观看微视频和PPT等相关材料，明确实验任务、目的、重难点、机器人各模块的功能和拼接要点。然后，在上课时主要完成机器人模块的拼接和相对应程序的调试。具体如图3所示。

图3 实验实施过程Fig.3 Experimental procedure

1.5 考核方式改革

目前，单片机原理及应用课程的考核方式多以期末理论考试为主，或者期末考试占70%、实验考核占30%。单一以期末考试为主的考核方式，使得学生不注重平时学习和实践能力的训练，期末搞突击，并且考试作弊情况多发。期末考试与实验考核相结合的考核方式虽然优于单一以期末为主的考核，但是在普通的验证性实验环节中，有些学生通过复制别人程序来完成实验，这导致了实验考核与实际情况存在着较大偏差。

翻转课堂教学模式主要分为课前学习、问题提炼与反馈、问题的讨论与解决[7-8]。为了避免单一考核方式引起的考核结果偏差，本文结合翻转课堂教学模式对考核方式进行改革，具体考核方式为：翻转课堂为20%、平时成绩为10%、科技竞赛与考证为10%、创新实验为20%、期末成绩为40%。具体考核依据如表2所示。

表2 考核方式Tab.2 Evaluation method

通过对于传统考核方式进行改革，提高了学生自主学习兴趣、参加各类科技竞赛的积极性、提炼问题的能力。其中翻转课堂模式与科技竞赛创新实验的提出，真正使学生在课前自主的对课堂内容进行学习，并且提高了实际动力能力。

2 教学改革结果分析

2016年提出了上述改革方案，并在机械设计制作及其自动化专业的本科生中进行了教学实践。表3给出了改革前后，学生参加电工考证和参加部分科技竞赛的对比情况。分析表1可以发现，通过本文教学改革方法的实施，大幅度地提高了学生参加电工考证和参加科技竞赛的比率，并且获2017年和2018年世界机器人大赛，机器人格斗赛无差别轮式机器人2V2-大学组冠军，以及2018年世界机器人大赛，机器人格斗赛技术挑战-大学组季军等佳绩。这些都表明：通过翻转课堂的教学改革，学生的实际动手能力、创新能力得到了较明显的提高。

表3 教学改革前后对比分析Tab.3 Comparison before and after the teaching reform

3 结论

本文在对传统教学方式的不足进行分析的基础上，为了提高我校单片机原理及应用课程的教学效果，提出了一种基于翻转课堂的教学改革方案。三年多的教学实践表明，本文提出的翻转课堂教学模式，借助于微视频等教学媒介，以及在任课教师的精心组织与引导下，不仅能够较好地克服传统教学模式的不足，而且使得教师能够真正督促与把握学生的学习情况，从而激发了学生自主学习的积极性；同时，翻转课堂与科技竞赛结合的创新型实验教学方式和考核方式，也在提高学生的实际动手能力和创新能力方面，起到了很明显的促进和督促作用。本文所提的教学改革方案，为单片机原理及应用课程的教学改革，提供了一种参考方案。