以應(yīng)用為目的單片機實驗教學(xué)改革

董錚++張其林++寧彬++項東升

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.025

摘 要： 單片機應(yīng)用的迅猛發(fā)展使企業(yè)對單片機人才的需求越來越大。針對當前單片機實驗教學(xué)現(xiàn)狀與目標定位，結(jié)合CDIO工程教育模式，提出了以應(yīng)用為目的的教學(xué)模式加強實驗效果；結(jié)合實際教學(xué)情況，從實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗體制變革等多角度分析與思考，建立“項目驅(qū)動、分層遞進”進行教學(xué)，從而進一步發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生綜合素質(zhì)與工程實踐能力。

關(guān)鍵詞： 單片機； 實驗教學(xué)； CDIO工程教育； 主觀能動性

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）09-86-03

Application-oriented single chip microcomputer experiment teaching reform

Dong Zheng， Zhang Qilin， Ning Bin， Xiang Dongsheng

（School of Mathematics & Computer Science， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： With the rapid development of the application of single chip microcomputer， the enterprise needs more and more talents of single chip computer. In view of the current situation in experiment teaching of single chip microcomputer and target positioning， combined with the CDIO engineering education mode， the application-oriented teaching method is proposed to strengthen the experimental results. The method combined with the actual teaching situation， by analyzing and thinking of the experiment teaching contents， experiment system changes and so on， establishes the "project driven， hierarchical progressive" teaching， so as to further give full play to students' subjective initiative， improve students' comprehensive quality and the ability of engineering practice.

Key words： single chip microcomputer； experiment teaching； CDIO mode； subjective initiative

0 引言

目前各個高等院校在單片機原理課程中，實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)普遍較弱。大多沿用“驗證型”實驗方法。實驗時學(xué)生只需按實驗指導(dǎo)書中程序敲入計算機，完成實驗的速度和質(zhì)量并不取決于學(xué)生對單片機實驗的掌握和理解程度，而是取決于敲擊鍵盤失誤率的高低。在該課程后，學(xué)生也往往對單片機的整體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法不甚理解；進入相近崗位工作時，往往需要經(jīng)過一個較長的再學(xué)習(xí)過程才能達到工作要求的最低能力。因此，改進和加強單片機原理實驗教學(xué)，是一項十分必要的工作[1]。

1 課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀

單片機實驗課程是一門實用性較強的課程，其教學(xué)的核心目的是使學(xué)生獲得通過利用單片機等一些器件來解決日常生活中實際問題的能力。因此，實驗教學(xué)在整個教學(xué)中占有很重要的地位。在進行理論教學(xué)的同時，必須同步進行實踐教學(xué)，這樣才能使學(xué)生真正理解教學(xué)內(nèi)容。實驗教學(xué)并非教學(xué)的輔助手段，而是整個教學(xué)的重要組成部分[2-3]。從現(xiàn)實情況看由于種種原因，理論與實驗課程往往不能同步或順次進行，課堂知識不能及時通過動手實踐鞏固，過一段時間往往知識點就全忘了。

1.1 教學(xué)目標定位

湖北文理學(xué)院是一所地方性本科院校，其人才培養(yǎng)目標是以“培育英才，服務(wù)社會”為宗旨，為本地經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，這就要求其開設(shè)的課程需緊密結(jié)合地方特色，培養(yǎng)應(yīng)用型人才。為此，我們將單片機課程傳統(tǒng)理論化的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閺娬{(diào)工程實踐，以培養(yǎng)學(xué)生動手實踐的能力為目標，同時也可以有效縮短學(xué)生畢業(yè)后在工作崗位的見習(xí)期，為其從事相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。

1.2 調(diào)整優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

單片機原理及應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其先修課程是模擬與數(shù)字電路、C語言、 微機原理等相關(guān)課程。這些前期所學(xué)習(xí)的系統(tǒng)開發(fā)知識技能，在實驗中學(xué)生無法將所學(xué)知識進行有效關(guān)聯(lián)，而實驗教學(xué)往往只是驗證實驗，對于為什么要做，怎樣做這樣的問題，往往不會進行深度思考。所以教師需要結(jié)合日常實際對實驗教學(xué)內(nèi)容加以整和優(yōu)化，既要考慮學(xué)生可以接受的程度，又要突出培養(yǎng)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識的能力，優(yōu)化后實驗教學(xué)內(nèi)容。實驗設(shè)計詳見表1。

表1對部分實驗教學(xué)內(nèi)容，如關(guān)于軟件的安裝、數(shù)制的轉(zhuǎn)換、存儲器芯片讀寫等與計算機原理與接口技術(shù)等相關(guān)課程的實驗內(nèi)容相重復(fù)的做了刪減處理，這些部分要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)。要求學(xué)生課下自學(xué)匯編語言，以便從底層徹底了解單片機工作原理，與C語言等高級語言編譯結(jié)果進行對比實驗，以利于課內(nèi)實驗教學(xué)的深層次開展。

單片機課程實驗教學(xué)安排18學(xué)時，實踐時間較為緊張，且最后幾個實驗對學(xué)生綜合能力要求較高，這就要求學(xué)生課下需下足功夫。課余時間實驗室開放，開放的實驗包括：C51開發(fā)環(huán)境的熟悉、多位BCD碼加法程序、LED顯示器靜、動態(tài)顯示、直流電機轉(zhuǎn)速實驗、步進電機正反轉(zhuǎn)實驗、TFT液晶顯示彩色條紋實驗、16X16LED點陣顯示漢字實驗，相關(guān)開放實驗項目均編有實驗指導(dǎo)，且附源程序供學(xué)生參考。

2 以應(yīng)用為目的，加強實驗效果

2.1 注重學(xué)習(xí)理念

如今科技發(fā)展日新月異，對于還學(xué)習(xí)單片機的質(zhì)疑在學(xué)生中影響很大。這需要讓學(xué)生理解如下目的：學(xué)習(xí)單片機不僅是要了解其內(nèi)核和工作原理，熟練c語言，更需知其“外部功能”，包括ADC、DAC、PWM、比較器、定時/計數(shù)器，外部中斷、UART串口、總線控制器，USB接口、看門狗、EEPROM存儲器及相關(guān)外圍電路，掌握它們的使用方法并應(yīng)用在產(chǎn)品上才是真正掌握單片機技術(shù)的評判標準之一[4]。市面流行arm系統(tǒng)，大家都想學(xué)最新、最好的技術(shù)，但容易讓每一項技能都不能精深，最后一無所獲。對于不斷推出的單片機型號，性能的提升，應(yīng)該是建立在對已有單片機深刻理解的基礎(chǔ)上，對如何把最適合的控制系統(tǒng)融入到產(chǎn)品當中這個問題，“應(yīng)用”才是我們最應(yīng)關(guān)注的。端正了這個態(tài)度，讓學(xué)生一步一個腳印，踏踏實實研究透51內(nèi)核，在此基礎(chǔ)上再向高方向、高層次發(fā)展。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生興趣能力

對于單片機如何從“興趣”入手，在C語言課程后我院專門開設(shè)了基于Arduino的工科類實踐教學(xué)選修課程。該課程主要以Arduino為平臺，它是一個核心器件由ATmege328組成的微控制器，該平臺包括I/O功能電路板及一套程序開發(fā)軟件環(huán)境。系統(tǒng)入門簡單，制作豐富，在各種系統(tǒng)原型設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用，同時可進行大量應(yīng)用型教學(xué)。我們從學(xué)生日常生活中遇到的小問題出發(fā)，布置課下“興趣”作業(yè)如：家用自動澆花系統(tǒng)設(shè)計、簡易自動循跡小車系統(tǒng)、PM2.5自動檢測報警系統(tǒng)等實用項目，極大提高了前期同學(xué)們對單片機的興趣。接下來開設(shè)單片機課程進行實驗時，學(xué)生對外部接口、存儲器等抽象概念都有了比較清晰的認識，教學(xué)效果良好。

2.3 實施預(yù)備課的實踐教學(xué)模式

如2.2所述，在開設(shè)單片機課程之前，要求學(xué)生盡量選修Arduino的工科類實踐教學(xué)課程，以此作為單片機原理課程的預(yù)備課程。實驗內(nèi)容如表2所示。

開放實驗項目要求學(xué)生組團完成，允許高年級學(xué)生參與指導(dǎo)實驗設(shè)計，并計入課外學(xué)時，后面的系統(tǒng)實驗對學(xué)生全面掌握本學(xué)科動態(tài)有著十分積極的作用。通過使學(xué)生“做中學(xué)、學(xué)中做”，達到技能訓(xùn)練的目的；通過制定以實踐能力和創(chuàng)新能力為主要指標的考核方案，使學(xué)生的創(chuàng)新精神得到肯定，其學(xué)習(xí)動機更加明確。

2.4 建立“項目驅(qū)動、分層遞進”的模式

物聯(lián)網(wǎng)的終極目標是“萬物互聯(lián)”，而單片機是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)世界最好的解決方案的樞紐。為此，我們積極推進“項目驅(qū)動、分層遞進”的模式，其具體教學(xué)模式如圖1所示。

傳統(tǒng)課堂教學(xué)已遠遠不能滿足當前人才培養(yǎng)模式的需求。為此，我們嘗試由多個環(huán)節(jié)組成的實踐教學(xué)模式。其中理論與實踐教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生基本學(xué)習(xí)能力得以提高；大二、大三學(xué)期實施大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃，開放2.2的開放實驗項目，協(xié)同部分教師教科研項目，努力提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。通過項目找“靈感”，讓學(xué)生有自己的想法，扶持學(xué)生“站“起來；在大四時，通過舉行或參與高質(zhì)量學(xué)科競賽、企業(yè)頂崗鍛煉，來使學(xué)生自己能“走”，邊“走”邊“賽”，以學(xué)促賽，以賽促練，形成一個良好的循環(huán)，為學(xué)生今后畢業(yè)走向社會提供多次“歷練”的機會。

2.5 實驗實踐教學(xué)設(shè)備自制

在實驗教學(xué)中我們注意到，單片機實驗教學(xué)一般是采用廠家做好的集成度較高的實驗箱來完成實驗，而這種實驗箱一般主核心元器件均已固定，實驗面板劃分為各個功能區(qū)域模塊。實驗時，學(xué)生連通跳線，編寫好的程序燒錄至芯片即可完成實驗。由于芯片集成，學(xué)生對于關(guān)鍵芯片引腳往往不清楚，有時出現(xiàn)誤插導(dǎo)致芯片燒毀事件時有發(fā)生[5]。由此導(dǎo)致學(xué)校維修資金緊張，嚴重影響實驗教學(xué)效果。

為此，我們組織學(xué)生經(jīng)過一學(xué)期學(xué)習(xí)后自制作品來展示自己對單片機這門課的理解程度。作品設(shè)計包括自選和指定兩種。指定項目包括：電子鐘、數(shù)字溫度計、循跡小車控制系統(tǒng)；自選作品要求能貼近生活，且盡量用簡單的散件組裝，這樣更有利于進行實驗操作和二次改進。對于較好的作品進行篩選和匯總，設(shè)計了八段數(shù)碼管動態(tài)顯示、PWM控制蜂鳴器的幾個基本實驗板，在下一屆學(xué)生實驗教學(xué)中可以進一步改進或做二次開發(fā)，讓學(xué)生進行比較分析，開動自己腦筋，“升級”實驗板，使實驗室設(shè)備走出維修困難的被動局面。

3 結(jié)束語

單片機實驗課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基礎(chǔ)實驗課。通過一年多的實驗教學(xué)改革探索，與傳統(tǒng)單片機原理實驗課程相比，基于以應(yīng)用為目的的單片機實驗教學(xué)在我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)上取得了初步成效。目前學(xué)生學(xué)習(xí)動力充足，在實驗室開放過程中有多個大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目產(chǎn)生，已獲國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目一項，建成多個校外實踐實習(xí)基地，學(xué)生在多個學(xué)科競賽中取得較好的名次。下一步，我們將認真總結(jié)學(xué)科實驗教學(xué)特點，以學(xué)生為中心，繼續(xù)鞏固以實際應(yīng)用為目的的實驗教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，提升其理論水平和實踐動手能力。

參考文獻（References）：

[1] 李潔，李衛(wèi)兵，杜玉杰.《單片機原理及應(yīng)用》實驗教學(xué)改革與

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[4] 杜洋.2016年還要不要學(xué)習(xí)單片機[J].無線電，2016.4：

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[5] 董錚，張其林，寧彬，谷瓊.基于CDIO模式下單片機實驗教學(xué)

改革[J].計算機時代，2015.9：75-76