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最新的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。另外为了便于信息交流，要对听课的同学建立课程QQ群，学生完成基本编程项目后，将仿真的视频传到QQ群里，便于教师给出本项目的成绩。同时由于学生的从众心理，上传项目视频，也会促进同学互相竞争，积极学习，实现正向激励以及良好的班风。（二）综合实验课环节：初步接触实物编程由于第一个环节的新的教学手段大大激发了学生的学习兴趣，会推动授课的进度，因此课程基本知识点讲解的进度会非常快，在实验所涉及的知识点讲解完成后，学生基本掌握了单片机编程、电路连接的理论部分，为加深印象，巩固所学的知识，进一步提升学生的学习兴趣，要及时进入不同的实验课环节，进行实物实验，该环节主要在实验室完成，为4学时。学生需要根据实验指导书，结合课堂讲解，完成实验电路连接、单片机编程及实验报告撰写。（三）实物项目课环节：借助实物编程，实现初步算法设计前两个环节完成后，学生基本上有足够的信心和浓厚的兴趣，来解决和实现单片机项目问题，因此需要给出有一定难度的实际项目问题。结合交通、车辆、机械控制的专业特色以及电动车的企业人才需求，提出“基于PWM的电动小车速度控制”项目。具体实施为：每3个同学为一组，并配备摇杆电位器、单片机、L298驱动模块、电动小车等用于实现本项目的器材。组织开展每个项目6学时（课内3学时）的项目启动、方案设计、技术指导、实物研讨、实物答辩演示，锻炼学生利用控制芯片编程、设计控制算法、连接外围电路的综合运用所学知识的能力，并提交纸质版研究报告、电子版PPT。以小组为单位，协作制作PPT，进行小组汇报，并根据各自的工作分工，撰写不少于3000字的研制报告（每人分别完成）。特别要注意的是在项目答辩时，一定要让学生穿正装，并拍照，从而激发学生的研究动力和重视程度，而且这种仪式感，也会大大锻炼学生在以后公众演讲的能力和心理素质。（四）综合素质提升课环节：借助数字孪生技术，实现综合能力提升经过前面三个环节的训练，学生不但掌握了单片机基本编程，而且具备了一定的解决实际问题的能力。为了进一步提升学生的科研素质、提升学生的竞争力。需要给出有具有培养综合能力的实际项目问题。该环节包含1个学时课堂项目需求讲解、3个学时的课下编程与上位机虚拟控制和2个学时的实验室实际控制测试。具体为：教师首先讲解本项目所设计需求及设计的执行器和传感器，上位机-下位机通信以及上位机控制软件设计。学生在课下，利用网络虚拟实验平台和上位机数字孪生虚拟演示系统（图3），初步完成机械臂执行器和传感器的单片机编程以及串口通讯指令传递，并仿真验证。学生在实验室，分工完成机械臂执行器和传感器的电路连接、单片机代码验证调试、单片机与上位机软件通讯测试、上位机控制机械臂实物完成基本抓取动作。并拍摄实物实验照片，完成小论文撰写。具體实施如下：1.单片机程序控制通过编程，利用单片机实现机械臂多种传感器信息的读取、机械臂关节电机的控制、故障检测、串口无线通讯以及上位机指令的接收，如图4所示。2.LabVIEW-Simulink上位机算法设计利用上位机软件LabVIEW-Simulink，编制相应的机械臂轨迹控制算法、距离保持算法、角度偏离检测及位置修正控制算法，通过物联网模块，基于网络技术，通过单片机控制驱动关节电机，实现在线机械臂状态参数：机械臂运行状态、负载、电机温度、故障、关节姿势、目标距离、电流等各种参数的全面显示及控制。并通过陀螺仪姿势传感器、角度传感器、视觉传感器，检测机械臂的位置、空间姿势，实现机械臂目标抓取、轨迹规划的数字孪生功能，实现基本的抓取、障碍物规避、速度控制、绘制轨迹曲线等，如图5所示。由于本环节内容较多，需要将内容分解给不同的组来完成，最后集中起来，构成完整的数字孪生项目。（五）期末考试环节：项目问题式编程，注重能力应用前四个环节完成后，学生达到了本课程的能力培养要求，因为本课程主要是单片机编程能力的培养，因此为进一步检验学生掌握知识和应用能力的水平，在期末考试时，通过5-7个应用编程题来进行测试。这样也与学生平时的培养环节相吻合。并解决当前存在的一考定成绩的问题，实现注重平时训练、注重学习过程、注重知识掌握与应用、注重解决问题的能力、注重科研素质培养。五、创新点1.以现有器材为基础，紧跟数字孪生-虚拟实验-物联网发展前沿，采用物联网+智能控制技术，实现机械臂数字孪生信息的动态显示与交互控制。在实验项目进行中，让学生结合所研究的题目，进行知识应用，一方面促进了知识巩固；另一方面，通过具体问题的解决，让学生体会到学习的乐趣，大大提升他们的学习信心和兴趣，促使学生主动学习，爱上学习。2.LabVIEW-Simulink与单片机控制相结合，实现控制及实验数据的可视化，改善实际实验操作环节的效果。利用网络虚拟实验系统，结合单片机实物实验，以及学生感兴趣的实际应用题目，实现控制系统的可视化，以及单片机运行的可视化，提高实验的兴趣，大大改善学生实际操作的效果。特别是虚拟实验中大量虚拟元器件的采用，可以避免实际调试时，元器件控制损坏的几率，使学生可以放心地操作，锻炼动手能力并节省时间。进而解决了知识应用的问题，提高学生的科研素质，特别是实际题目的解决，大大提高学生在智能控制方面的应用水平。基于LabVIEW和Simulink的上位机操作软件，也为后期设计更复杂的控制算法提供了基础。六、实践效果新的教学-实验模式引入了网络虚拟实验平台和数字孪生技术，可以利用现有单片机开发系统，实现单片机程序的下载和编写，在此基础上加入Wifi联网技术，并结合智能控制算法，实现机械臂控制。由于网络编程以及硬件电路搭建，有非常大的扩展空间，因此可以充分调动学生的积极性、创新性，并锻炼学生的实践动手能力。结合OBE成果导向式教育模式，注重课本知识点的运用和培养产出，使学生学有所得；同时网络虚拟实验、实物真实实验、虚拟三维孪生数字模型、真实实物控制响应的结果反馈，也可以让学生即时体验到学习的收获，并享受学习的成果，实现“乐学”，使同学们的学习变被动为主动。采用新的教学-实验模式后，对学生的大创和比赛起到了显著的推动作用，大创获批项目由原来的几项猛增到接近二十多项，并在全国各种比赛中取得各种优异成