遼寧建筑職業(yè)學(xué)院自動(dòng)控制系　楊中興

Arduino在高職單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用探索

遼寧建筑職業(yè)學(xué)院自動(dòng)控制系楊中興

高職單片機(jī)課程理論和實(shí)踐并重，運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)手段比較枯燥且難以到達(dá)教學(xué)效果。嘗試將Arduino電子積木引入單片機(jī)教學(xué)，設(shè)計(jì)靈活多樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，探討Arduino在單片機(jī)教學(xué)中應(yīng)用的可行性。

單片機(jī)；Arduino；電子積木

1.前言

職業(yè)教育的立足點(diǎn)應(yīng)是面向生產(chǎn)第一線，培養(yǎng)既有一定理論基礎(chǔ)，又有較強(qiáng)生產(chǎn)實(shí)踐技能的高素質(zhì)技能型人才。單片機(jī)技術(shù)是高職院校電類專業(yè)的核心課程，了解單片機(jī)的工作原理，掌握單片機(jī)技術(shù)，特別是具備基本應(yīng)用操作技能，成為當(dāng)代相關(guān)專業(yè)大學(xué)生的重要任務(wù)。單片機(jī)技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密，具有很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性，其課程內(nèi)容既涵蓋硬件設(shè)計(jì)，又包括軟件編程，同時(shí)還要學(xué)習(xí)單片機(jī)常用外圍器件的使用方法，動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)相對(duì)較多，這使得單片機(jī)課程成為學(xué)生公認(rèn)的比較難學(xué)、難理解的一門課程。傳統(tǒng)的基于單片機(jī)開發(fā)板教學(xué)模式僵化，不夠靈活，學(xué)生常掌握表層，卻未能領(lǐng)悟本質(zhì)。針對(duì)這些情況，在單片機(jī)教學(xué)中引入Arduino電子積木，立足于對(duì)學(xué)生專業(yè)興趣的培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生開發(fā)項(xiàng)目和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的信心。

2.Arduino介紹

Arduino是一款款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。它源自意大利的一個(gè)開源硬件平臺(tái)項(xiàng)目，該平臺(tái)基于AVR單片機(jī)構(gòu)建，擁有簡(jiǎn)單輸入/輸出（I/O）的電路板，并且沿用了Processing語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境。Arduino可以用來(lái)開發(fā)獨(dú)立互動(dòng)裝置，可以方便快速開發(fā)產(chǎn)品原型，快速編寫單片機(jī)固件程序，也可以方便的用來(lái)開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)量和傳感器信號(hào)，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。Arduino項(xiàng)目中將主要依賴三種器件：（1）Arduino板卡本身；（2）外部硬件（包括擴(kuò)展板和手工制作的電路）；（3）Arduino集成開發(fā)環(huán)境。

3.Arduino的教學(xué)應(yīng)用

3.1現(xiàn)行教學(xué)法存在的問題

現(xiàn)行單片機(jī)教學(xué)存在一些問題，比如：

（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)效率低。為了量測(cè)信號(hào)或者實(shí)現(xiàn)控制，可能需要清點(diǎn)元器件、制作電路板、安裝或者焊接元器件、調(diào)試電路等，實(shí)驗(yàn)難度大、效率低、周期長(zhǎng)、容易沖淡教學(xué)主題，學(xué)生容易產(chǎn)生畏懼心理。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭?，缺乏靈活性。傳統(tǒng)教學(xué)依賴的單片機(jī)開發(fā)板結(jié)構(gòu)固定，不能更改。這就限制了教師選用電路的靈活性，也限制了學(xué)生的發(fā)散思維，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中往往不明就里，只要按照實(shí)驗(yàn)步驟一步一步操作就可以完成，但其實(shí)理解并不深入，只知其然，不知其所以然，實(shí)驗(yàn)效果并不理想。

3.2引入Arduino教學(xué)

針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀，嘗試在教學(xué)中引入Arduino電子積木套件，以一種新的教學(xué)方法和教學(xué)思路來(lái)組織進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和組織教學(xué)。單片機(jī)傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)往往從元器件級(jí)開始搭建電路，過程復(fù)雜繁瑣并且極易出錯(cuò)，浪費(fèi)大量課堂時(shí)間。而Arduino具有電子積木的特點(diǎn)，電子元件和導(dǎo)線已做好封裝，模塊之間只提供接口，很容易在一塊面板上插拔固定，自由組合，可以像搭建積木般靈活搭建電路，可以開發(fā)出花樣繁多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并可實(shí)踐相應(yīng)的編程方法，從而讓學(xué)生能夠收獲良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，極大地提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

比如在“數(shù)字輸入、輸出和脈寬調(diào)制”實(shí)驗(yàn)中，使用Arduino的數(shù)字輸入、輸出功能，學(xué)習(xí)數(shù)字按鍵消抖動(dòng)作；學(xué)習(xí)上拉和下拉電阻及如何控制數(shù)字輸出，以及如何通過脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制模擬輸出。通過簡(jiǎn)單的積木式組合，就可以直觀領(lǐng)悟輸入輸出電路的基本原理。再比如在“讀取模擬傳感器”實(shí)驗(yàn)中，可以設(shè)計(jì)添加光線傳感器來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)夜燈的亮度，學(xué)生可以理解模擬和數(shù)字信號(hào)的不同，掌握單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換的概念和使用方法，學(xué)習(xí)如何將模擬數(shù)據(jù)利用USB轉(zhuǎn)串口從Arduino發(fā)送到計(jì)算機(jī)，這為學(xué)生以后開發(fā)更復(fù)雜的系統(tǒng)提供了巨大潛力。

3.3教學(xué)效果

通過引入Arduino課程，結(jié)合Arduino大量的傳感器套件，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)了豐富多彩的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)。學(xué)生在大學(xué)階段就開始接觸到實(shí)際工程應(yīng)用，同時(shí)對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、傳感器技術(shù)、控制裝置等課程內(nèi)容有了更加深入形象的理解，為電子技術(shù)的綜合運(yùn)用打下了良好基礎(chǔ)，同時(shí)豐富了學(xué)生的課余生活，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)反饋。

4.總結(jié)

本文探討Arduino電子積木在高職單片機(jī)課程教學(xué)中應(yīng)用的可行性，電子積木的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒奖阋仔?、設(shè)計(jì)靈活，省略了查找原理圖與電路板上的對(duì)應(yīng)過程，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，能在有限的課時(shí)里完成更多的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，是一種全新的自頂向下的教學(xué)思路?？傮w來(lái)說，Arduino雖然不能完全取代傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)，但是在單片機(jī)課程教學(xué)中引入Arduino，可以設(shè)計(jì)開發(fā)出新穎的教學(xué)內(nèi)容，將傳統(tǒng)授課方式中的難點(diǎn)變成了生動(dòng)靈活的呈現(xiàn)，會(huì)取得較好的教學(xué)效果。

［1］趙月靜，陳繼榮，張永弟.單片機(jī)原理及應(yīng)用課程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013.01（30）：176-179.

［2］丁保華.單片機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010（1）：117-119.

［3］王倢婷.傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討［J］.教育與人才，2010（11）：67-68，41.

［4］袁麗.基于開源硬件的電子實(shí)習(xí)教改初探［J］.教育教學(xué)論壇，2013（22）：39-42.