基于BOPPPS和LBD的單片機教學(xué)研究

陳桂友，張 姣，王 平，丁 然

(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南 250061)

0 引言

單片機技術(shù)是目前智能控制、檢測、通信和機電一體化等應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。如何提高“單片機原理與接口技術(shù)”課程的教學(xué)質(zhì)量是提高工科院校自動化等相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和解決實際問題能力的前提。

傳統(tǒng)的單片機課程教學(xué)都是學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)理論知識，在實驗課中對實驗指導(dǎo)書中安排的程序進(jìn)行驗證。這樣的學(xué)習(xí)模式因為實驗課程的安排時間受限，存在理論學(xué)習(xí)與實驗驗證進(jìn)度無法保證一致的問題，而且在沒有直觀認(rèn)識單片機之前，學(xué)生難以理解所學(xué)的理論知識，更談不上興趣［1］。針對以上問題，本文提出了一種結(jié)合BOPPPS教學(xué)模型和LBD教學(xué)方法的綜合教學(xué)模式。實踐證明，該模式的采用極大提高了課堂教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生思考問題和解決問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 BOPPPS教學(xué)模型和LBD教學(xué)方法

自20世紀(jì)60年代開始，有效教學(xué)受到西方教育研究者的高度重視［2］。90年代，我國部分學(xué)者和教師們也開始對有效教學(xué)進(jìn)行深入研究。

有效教學(xué)指的是效益、效率和效果并重的教學(xué)。對于教師而言，是指教師能夠有效講授，有效提問并傾聽，有效激勵。對于學(xué)生而言，有效教學(xué)是指成功引起、維持和促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，并且能夠相對有效的達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果的教學(xué)過程［3，4］。

教師若想達(dá)成有效教學(xué)，應(yīng)兼顧教學(xué)歷程的每一個環(huán)節(jié)。BOPPPS教學(xué)模型就在這樣的背景下應(yīng)運而生，它以構(gòu)建主義和交際法為理論依據(jù)，由加拿大哥倫比亞理工學(xué)院(BCIT)推行。BOPPPS及其支持體系旨在提高對多維度教學(xué)的意識和敏感度。它是一種教學(xué)的高效方法，能夠協(xié)助教學(xué)工作者分解、分析教學(xué)過程，查找教學(xué)盲點，進(jìn)而改進(jìn)和提高教學(xué)效果。

BOPPPS教學(xué)模型將教學(xué)過程劃分為六個流程和指標(biāo)，依次為引入B(Bridge-in)、目標(biāo)O(Objective)、前測 P(Pre-Test)、參與學(xué)習(xí) P(Participatory Learning)、后測 P(Post-assessment)和總結(jié) S(Summary)［3］。該流程和指標(biāo)不僅能幫助教師有效地設(shè)計和講授課程，也能幫助教師及時和有效地反思教學(xué)過程和教學(xué)效果。

“做中學(xué)”LBD(Learn-By-Doing)教學(xué)方法堅持將動手實踐貫穿整個課堂教學(xué)，理論與實踐緊密結(jié)合，實現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與實驗驗證的同步，邊學(xué)邊做的模式能有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2 單片機最小實驗教學(xué)系統(tǒng)

本文設(shè)計了一款簡易、便攜、價格低廉的單片機最小教學(xué)實驗系統(tǒng)［4］。通過該設(shè)計，讓學(xué)生體會“做中學(xué)”的思想。電路原理圖如圖1所示。

圖1 單片機最小教學(xué)系統(tǒng)電路圖

該系統(tǒng)的CPU芯片采用宏晶公司開發(fā)的具有在線仿真調(diào)試功能的增強型8051內(nèi)核單片機IAP15F2K61S2，電路中包含晶振、復(fù)位和電源部分，并把單片機所有I/O口引出。其中，下載電路部分、USB接口的另一端連接到計算機的USB接口上，它不僅為系統(tǒng)提供電源，而且還用于程序下載，并實現(xiàn)在線調(diào)試功能。另外，在最小實驗教學(xué)系統(tǒng)中，還設(shè)計了跑馬燈模塊(可以用于輸入輸出和定時器演示等實驗)、外部中斷模塊(用于外部中斷的學(xué)習(xí))和電源指示燈(顯示指示系統(tǒng)的供電情況)。連接跑馬燈模塊的JPLED是跑馬燈模塊供電的短路帽，不使用跑馬燈模塊時，可以不加跳線帽，從而使得P2口的輸入輸出不會受到跑馬燈模塊的影響。

該系統(tǒng)簡單實用，體積小巧，便于攜帶，方便學(xué)生課堂使用，也可以用在學(xué)生其他的科技創(chuàng)新活動中，用途廣泛。

3 單片機定時器應(yīng)用教學(xué)(BOPPPS+LBD)

以單片機定時器的設(shè)計為例，將BOPPPS教學(xué)模式與LBD教學(xué)方法結(jié)合進(jìn)行項目單元設(shè)計。

1)B(Bridge-In)—引入

首先提出挑戰(zhàn)性問題:定時器在日常生活中有哪些應(yīng)用?該問題雖然有一定難度，但是在掌握前期課程的基礎(chǔ)上學(xué)生還是可以回答的。這樣的引入可以激起學(xué)生的好奇心，同時起到回顧前期所學(xué)知識和課程銜接的作用，并且可以提高學(xué)生的參與度，在討論中讓學(xué)生認(rèn)識定時器的應(yīng)用場合。然后以圖片或視頻形式展示定時器的實際應(yīng)用，如交通燈、比賽中的計時器等。

最后提出問題:如何用單片機實現(xiàn)交通燈的定時控制?這再次激起學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

2)O(Objectives)—目標(biāo)

在引入問題思考后，介紹本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo):熟練掌握定時器的應(yīng)用方法和技巧。授課采用LBD教學(xué)方法，以系統(tǒng)運行指示燈為實例，使用上節(jié)所述的最小實驗教學(xué)系統(tǒng)板，從硬件的連接到程序的理解、設(shè)計、編譯和下載都由每個學(xué)生邊學(xué)邊做。課程最后，所有學(xué)生都可以做一個自己設(shè)計的系統(tǒng)運行指示燈。學(xué)生將在實踐中加深對定時器原理的理解，對其應(yīng)用也會有更深入的認(rèn)識，對硬件平臺和軟件開發(fā)平臺keil C的使用會更加熟練，軟件編寫能力會有所提高。

3)P(Pre-assessment)—前測

在正式進(jìn)行定時器應(yīng)用的講解之前，根據(jù)前期講授的知識提出如下問題作為前測:

(1)定時器的基本原理是怎樣的?定時器的核心是一個加1計數(shù)器，加1計數(shù)器的脈沖來源有兩個:一個是外部脈沖源，另外一個是系統(tǒng)的時鐘振蕩器。每輸入一個脈沖，計數(shù)值加1。

定時器工作模式下，脈沖輸入為系統(tǒng)時鐘振蕩器經(jīng)12分頻后(或不分頻)產(chǎn)生的信號。每經(jīng)過一個機器周期，定時器(T0或T1)的數(shù)值加1，直至溢出。

計數(shù)器工作模式下，計數(shù)脈沖信號來源于外部時鐘，有脈沖輸入時計數(shù)值加1［5］。

(2)定時器有哪些相關(guān)的寄存器，功能是什么，如何設(shè)置?引導(dǎo)學(xué)生回憶:①定時器工作方式控制寄存器TMOD;②定時器控制寄存器TCON;③輔助寄存器AUXR。這三種寄存器用來確定定時/計數(shù)器的工作方式并控制其功能。其中，TMOD控制定時/計數(shù)器0和1的工作方式;TCON控制定時器T0、T1的啟停及狀態(tài);AUXR設(shè)置定時器的速度和T2的功能。

從學(xué)生的回答中，教師可了解學(xué)生對已學(xué)知識的掌握情況，并根據(jù)學(xué)生掌握的情況進(jìn)行知識的梳理甚至是簡要復(fù)習(xí)。該環(huán)節(jié)還可以幫助教師微調(diào)本節(jié)課程講解的深度和難度。

4)P(Participatory Learning)—參與學(xué)習(xí)

該環(huán)節(jié)介紹定時器基本使用方法，采用LBD教學(xué)方法。

首先介紹硬件電路。在最小實驗教學(xué)系統(tǒng)中有8只LED燈連接到單片機P2口，如圖1所示。在電路連接中，注意限流電阻的作用以及連接方法。當(dāng)P2口相應(yīng)的I/O引腳輸出低電平時，所連接的燈亮;輸出高電平時，所連接的燈滅。在課堂教學(xué)中，可以選擇任意一只LED的控制作為實例。本文選擇LED20。

硬件介紹完畢，接著介紹軟件編程。一般定時/計數(shù)器的應(yīng)用采用中斷方式，因此，編程時主要考慮兩點:①正確初始化，包括控制字、時間常數(shù)的計算并裝入;②中斷服務(wù)程序的編寫，在中斷服務(wù)程序中編寫實現(xiàn)需要定時完成的任務(wù)代碼。

定時器初始化的步驟如下:①設(shè)置工作方式:將控制字寫入 TMOD寄存器(對于 T0和 T1，注意TMOD不能進(jìn)行位尋址)。或AUXR(對于T2);②設(shè)置分頻方式，將控制字寫入AUXR寄存器。默認(rèn)的情況是12分頻(兼容傳統(tǒng)8051單片機)，如使用傳統(tǒng)8051單片機模式，無需設(shè)置;③計算定時/計數(shù)初值，并將其裝入 TLX、THX寄存器(對于 T0和T1)或T2L、T2H寄存器(對于T2);④置位ETX和EA，允許定時/計數(shù)器中斷(如果需要);⑤置位TRX(對于T0和T1)或T2R(對于T2)以啟動定時/計數(shù)。

接著引導(dǎo)學(xué)生思考:定時器自身的定時范圍是多少?

時鐘頻率為 11.0592 MHz，12分頻時，16位定時器的最長定時時間為131.072 ms。

思考第二個問題:定時時間超出最長時間(量程)怎么辦?例如，設(shè)系統(tǒng)時鐘頻率為11.0592 MHz，利用T0定時，每隔0.5 s將P2.0的狀態(tài)取反。(作為運行指示燈使用)

設(shè)計思路:

所要求的定時時間0.5 s超過了定時器的定時能力，所以無法采用定時器直接實現(xiàn)。這時需要對定時量程進(jìn)行擴展，方法是在定時器中斷服務(wù)程序中對定時器中斷請求進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)中斷請求的次數(shù)達(dá)到要求的值時才進(jìn)行相應(yīng)的處理。在本例中，可以將定時器的定時時間設(shè)為以50 ms為一個單位，啟動定時器后，每一次定時器溢出中斷將產(chǎn)生50 ms的定時。在中斷服務(wù)程序中對定時器溢出中斷請求進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計夠10次時，將P2.0的狀態(tài)取反，否則直接返回主程序，從而達(dá)到0.5 s的定時［6］。

最后動手實踐:LED燈連接單片機的P2.0口，選擇 T0為16位定時器方式，方式字為00H，即TMOD=0x00。進(jìn)行12分頻時T0的計數(shù)初值為:N=216－(50×10-3×11.0592×106)/12=19456=4C00H。在程序初始化代碼中，設(shè)置計數(shù)初值TL0=0x00，TH0=0x4C;開放總中斷即 EA=1;允許T0中斷即ET0=1;啟動T0計數(shù)即TR0=1。在定時器T0中斷服務(wù)函數(shù)中實現(xiàn)10次定時器中斷計數(shù)，從而實現(xiàn)0.5 s的計時累計，并完成P2.0狀態(tài)的反轉(zhuǎn)。

5)P(Post-assessment)—后測

該環(huán)節(jié)給出動手操作的實驗題目:報警指示燈的編程實現(xiàn)。

要求:系統(tǒng)時鐘頻率為11.0592 MHz，利用 T0定時，將 P20 連接的指示燈亮 0.2 s，滅 0.8 s，依次循環(huán)。

學(xué)生在參與學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，跟著教師的演示一步步學(xué)習(xí)之后，應(yīng)立刻自己回顧一遍定時器的初始化過程以及根據(jù)定時器的原理進(jìn)行相關(guān)其他設(shè)置，最后完成題目要求。如果學(xué)生在操作中出現(xiàn)錯誤，則可以通過自己思考或求助同學(xué)、教師完成題目，在遇到問題-思考問題-解決問題的過程中培養(yǎng)解決問題的能力，進(jìn)一步鞏固對知識的掌握。

對于教師而言，該部分是對課程效果的一個檢測，可以及時了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并了解不同學(xué)生掌握程度的差異，以便確定后續(xù)課程的進(jìn)度及深度。

6)S(Summary)—總結(jié)

本階段對本次課堂授課的主要內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。對于本例而言，總結(jié)定時器的使用方法和技巧。特別強調(diào)定時器定時范圍的擴展方法。幫助學(xué)生反思整合所學(xué)知識，總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗。并預(yù)告下次課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

最后結(jié)合所學(xué)知識布置課下拓展學(xué)習(xí)任務(wù):設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)。該任務(wù)幫助學(xué)生在課下鞏固知識，避免遺忘學(xué)習(xí)內(nèi)容。

4 結(jié)語

采用BOPPPS教學(xué)模型和LBD教學(xué)方法相結(jié)合的綜合教學(xué)模式，將實驗引入理論課堂，作為BOPPPS中的參與學(xué)習(xí)和后測環(huán)節(jié)，不僅可以實現(xiàn)“做中學(xué)”的教學(xué)效果，而且大大提高學(xué)生的參與度與積極性，從而極大地改善了課堂教學(xué)的效果。在教學(xué)實踐中，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)行為到學(xué)習(xí)效果按照BOPPPS教學(xué)模型的指標(biāo)和流程操作，使得學(xué)生在一堂課中，能夠完成知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三維目標(biāo)的整合，教師也能夠在教學(xué)過程中及時了解教學(xué)效果，及時調(diào)整教學(xué)方法，致使教學(xué)效果顯著。

［1］ 林志貴，袁臣虎，李現(xiàn)國.單片機原理及接口技術(shù)課程教學(xué)改革新思路［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，2(29):16-17.

［2］ 陳曉端，Stephen Keith.當(dāng)代西方有效教學(xué)研究的系統(tǒng)考察與啟示［J］.北京:比較教育研究，2005，8(5):56-57.

［3］ 宋榮.基于BOPPPS教學(xué)模型的《閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程教學(xué)改革研究［J］.湖北:教育研究與實驗，2013，8(4):12-15.

［4］ 段敬紅，王磊，段剛龍.嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)建設(shè)與實踐體系的建立［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報:2007，6(29):84-86.

［5］ 陳桂友.單片微型計算機原理及接口技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2012.

［6］ 陳桂友，陳海峰等.物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計與應(yīng)用-STC單片機與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2013.