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基于数字孪生的单片机项目式教学研究

摘?要：针对单片机知识晦涩难懂，学生能力培养不佳的问题，提出基于数字孪生的虚拟-实物项目的单片机乐学式教学模式，以能力培养及专业知识理论框架需求为基础，对课程中涉及的单片机基本编程、综合实验课、实物项目课、综合素质提升、期末考试等环节，进行改革，采用虚拟实验室、实物实验、项目研究、数字孪生等技术，并与上位机的控制软件相结合，实现学生综合能力的培养与提升。

关键词：单片机；虚拟实验室；数字孪生；教学改革；能力培养

一、引言

数字孪生（DT，DigitalTwins）技术[1-3]能够在虚拟空间中完成物理实体全过程的数字化表达，可全方位模拟并反馈机械设备的运动[4-7]，从而在计算机上再现一些大型或者复杂的机械设施的运动状态。

对于机械类的专业，如机械设计制造及自动化、交通运输、车辆工程等而言，如果可以将数字孪生技术与单片机结合起来，先通过单片机采集外界的数据来驱动虚拟空间中数字化模型的运动，再将模型运动同步映射到真实世界中的实物运动。在此过程中学生先在虚拟实验室进行单片机编程与电路搭建，可以避免元器件损坏的风险，并大大提高信心。最后再进行实物实验，验证编程代码，从而缩短整个实验项目的时间花费，并减少元器件的损耗，同时还能提高学生的学习兴趣与能力。

二、存在的问题

“单片机原理及应用”课程是大学期间面向信控、机械控制等多专业开展的控制类课程，共32学时。主要任务是使学生通过编程，掌握控制单片机读取外围传感器信息，控制执行器动作，进行串口等各种通讯的功能。但是，目前采用常规授课方式存在以下问题。（1）知识点授课，不利于应用能力的培养。知识点授课的方式，导致教学方式较为呆板，知识点较为分散，学生无法在短期内实现融会贯通和活学活用。（2）实物箱实验，限制了实验空间与时间。采用实物实验，学生只能在规定时间和地点去实验室完成指定的实验，同时接纳的实验人数有限，不利于学生的拓展学习，导致学生参与实验意愿不强，同时实物实验容易造成損坏和出现事故，固化的实验设备也不利于后期升级。（3）知识陈旧、晦涩难懂。原课程中涉及较多的汇编语言及单片机底层内容，导致授课时，学生很难理解，并且对于非单片机专业来讲，这部分内容实际应用价值不大。

三、方案改革

基于目前存在的问题，文章采用数字孪生技术，以项目需求为导向，采用虚实结合的方式，分阶段完成数个小任务，快速形成乐学反馈，以此激励学生，小进步取得乐学的奖励，不断推进项目，最终合成完成整个机械臂的数字孪生控制。

（一）项目需求为导向的知识点讲解，激发学习兴趣

改变原来知识点式授课方式，首先提出项目需求，启发学生提出单片机的需求，进而提出对应的知识点，实现“我要学习、我要解决”，而不是“你应该学习”，激发学生的好奇心。

（二）网络实验室，消除实验空间与时间的限制

采用网络实验室，学生只需登录网站，在线编写代码（图1左侧），然后添加元器件、连接电路（图1右侧），即可随时随地完成实验。网络实验教学平台可满足多人同时学习的需要，大幅降低了学生的实验费用。通过本项目的研究，可以满足相关课程教学实验的需要，而且可以通过笔记本在课堂上讲授演示，满足互动实验教学需要。

（三）新知识体系+新编程平台，降低编程难度，保证学生精力集中于项目实施

采用必威体育精装版的Arduino编程平台，将单片机底层编程函数化，去掉对专业价值不大的汇编语言及底层架构的内容，让学生集中精力于单片机的编程算法及功能实现上。

四、方案实施

在实施过程中，采用项目式教学，以项目产出为导向，以图2所示的机械臂数字孪生为例，学生需要完成基于网络虚拟实验平台的单片机基本编程、机械臂实物装配、传感器-执行器电路连接及底层单片机控制、上位机界面设计及控制算法设计。如表1所示，将整个项目分解为不同的模块，对应不同的难度和分值。

（一）单片机基本编程环节：讲授与编程实践同步进行

该环节主要在课堂授课中完成，为课内19学时，教师首先提出项目需求，例如如何实现LED灯闪烁，然后提问、引导学生，提出单片机需要具备哪些功能，才能实现该项目。在此基础上，教师讲解涉及的函数及用法、以及网络虚拟实验室平台的操作。学生立即在课堂上，完成电路搭建及编程，在此过程中，教师巡视所有学生的操作，并根据发现的问题，进行针对性讲解。这样一个环节完成后，学生立即对单片机产生了浓厚的兴趣，同时较低的入门槛，也大大提升了学生的自信心。根据课题组教师的授课体验，相对以前的教师单向授课，新的授课方式，由于分值以及课程编程效果即时反馈（正确完成项目后，仿真时LED灯立即可以可控的闪烁）的关系，基本这个环节下来，学生上课的状态非常好，全部认真听讲，眼睛都亮晶晶的。

教师在授课过程中，一定注意：第一个项目一定要选择简单的项目，例如LED灯闪烁，才会提升学生的信心，并激发学习兴趣。

另