“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式探索
——基于《單片機(jī)原理》課程

王中明

（江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

“口袋實(shí)驗(yàn)”（pocket labs）教學(xué)模式是指將實(shí)驗(yàn)設(shè)備微型化，方便攜帶，允許實(shí)驗(yàn)者自選場(chǎng)合自選時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的一種教學(xué)模式［1］。

目前，國內(nèi)外很多高校已經(jīng)開始在工科教學(xué)（尤其是電子、通信以及計(jì)算類、控制類專業(yè)）中實(shí)施“口袋實(shí)驗(yàn)”的探索，如英國德蒙福特大學(xué)為學(xué)生準(zhǔn)備了一套基于微控制器或FPGA 的最小系統(tǒng)開發(fā)板作為“口袋實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)，學(xué)生在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，均可以此平臺(tái)展開實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等知名高校正在探索將模擬電路、數(shù)字電路、開關(guān)電源、單片機(jī)等“口袋”實(shí)驗(yàn)板引入到教學(xué)中［2-4］。另一方面，國際知名公司也紛紛注意到“口袋實(shí)驗(yàn)室”在高校中的流行趨勢(shì)，并積極推出相關(guān)產(chǎn)品支持這一實(shí)踐教學(xué)模式。如美國德州儀器和賽靈思中國大學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目引入“口袋”實(shí)驗(yàn)理念，倡導(dǎo)一種不受時(shí)間、空間限制的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?，F(xiàn)有芯片制造技術(shù)可以生產(chǎn)出1元硬幣大小的“口袋”實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它們具有“小身材、大能量、開源性”的優(yōu)點(diǎn)，方便學(xué)生二次開發(fā)［5-7］。

2016年，筆者獲批湖北省教育廳項(xiàng)目《電信專業(yè)“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)模式的探索》，在《單片機(jī)原理》課程教學(xué)過程中，引入了“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式，進(jìn)行了為期3年的“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式探索。

1 《單片機(jī)原理》課程“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)前期準(zhǔn)備

《單片機(jī)原理》是一門硬件技術(shù)和軟件技術(shù)相結(jié)合的綜合課程，涉及到微機(jī)原理、C 語言、軟件工程、模擬電路、數(shù)字電路等基礎(chǔ)知識(shí)，是大多數(shù)IT 企業(yè)人才必須精通的一門學(xué)科［8-10］。單片機(jī)體積小，所需輔助設(shè)備少，容易“口袋化”，且其教學(xué)過程中需要進(jìn)行大量編程和調(diào)試實(shí)踐訓(xùn)練，本次“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)實(shí)施選擇《單片機(jī)原理》課程。

江漢大學(xué)電信專業(yè)該課程在大二下學(xué)期進(jìn)行，40 學(xué)時(shí)（理論28 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)12 學(xué)時(shí)），還有16 學(xué)時(shí)的課程設(shè)計(jì)，相關(guān)先修課程有模擬電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理、C 語言等。

1.1 教學(xué)要求

“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式以提高學(xué)生實(shí)踐能力為目的，通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能自主進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)。《單片機(jī)原理》課程的具體教學(xué)要求為：

1）熟練掌握單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)過程。

2）了解單片機(jī)的啟動(dòng)過程。

3）掌握定時(shí)、中斷、I/O、AD、DA 的工作原理。

4）熟練掌握單片機(jī)C 語言開發(fā)方法。

5）掌握單片機(jī)接口寄存器設(shè)置過程。

6）掌握單片機(jī)定時(shí)、中斷、I/O、AD、DA 等基本接口的開發(fā)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次“口袋實(shí)驗(yàn)”的設(shè)備為正點(diǎn)原子miniSTM32F1 開發(fā)板（250 元/臺(tái)，含仿真器），如圖1 所示。該設(shè)備具有如下特點(diǎn)：

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipment

1）“口袋化”。設(shè)備大小為8 cm × 10 cm，便于攜帶，且功耗低，可直接用筆記本USB 接口供電；同時(shí)可作為簡單函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器使用。因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中“單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室箱”+“信號(hào)源”+“示波器”+“電源插座”+“臺(tái)式機(jī)”的實(shí)驗(yàn)室固定模式可轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱诖鼏纹瑱C(jī)”+“筆記本電腦”的移動(dòng)模式，學(xué)生可以在課堂、實(shí)驗(yàn)室、宿舍等場(chǎng)合進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。

2）采用主流技術(shù)，接口豐富，實(shí)用性強(qiáng)。采用了主流的ST 公司COTEX-M3 系列芯片STM32F103RCT6，實(shí)用性強(qiáng)，且包含了串口、AD/DA、IIC、紅外、USB、網(wǎng)卡、LCD、SD 卡等通用接口。

3）資料豐富。有豐富的芯片資料、開發(fā)工具、視頻資源、源程序、交流平臺(tái)等，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

1.3 教學(xué)資料準(zhǔn)備

以ST 官網(wǎng)下載的芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)為教材。同時(shí)配備了相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的PPT 及講解視頻。實(shí)驗(yàn)配備了標(biāo)準(zhǔn)例程源程序及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。同時(shí)在江漢大學(xué)慕課教學(xué)平臺(tái)上建立了《單片機(jī)原理與技術(shù)——STM32》課程，訪問地址為http：//jhun.fy.chaoxing.com/portal。

2 “口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)實(shí)施

以筆者在2017年和2018年江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院電信專業(yè)進(jìn)行的兩次授課為例，每次約35 人，學(xué)生自帶筆記本電腦，配備開發(fā)板一套；兩人一組。

2.1 教學(xué)方法

與傳統(tǒng)的理論與實(shí)踐分開教學(xué)的方式相比較，“口袋實(shí)驗(yàn)”是一種將理論與實(shí)踐相結(jié)合，以實(shí)踐教學(xué)為中心的教學(xué)方式，其主要特點(diǎn)如下：

1）理論教學(xué)中結(jié)合實(shí)踐。理論教學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)講解過程中，學(xué)生可直接在開發(fā)板上下載例程源程序進(jìn)行驗(yàn)證，并應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)源程序進(jìn)行針對(duì)性修改，這樣可加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)也可提高學(xué)生的實(shí)際操作能力。

2）理論教學(xué)后加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練。在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)完成后，布置一次與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生可在教室、圖書館、寢室等場(chǎng)所完成。

3）實(shí)驗(yàn)課上以項(xiàng)目分析、調(diào)試、優(yōu)化為主要教學(xué)內(nèi)容。因?qū)W生在理論教學(xué)后完成了實(shí)驗(yàn)的程序編寫工作，在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，進(jìn)行項(xiàng)目分析、調(diào)試，并找出項(xiàng)目中的錯(cuò)誤和不足并優(yōu)化，從而改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高學(xué)生的綜合能力。

4）實(shí)踐教學(xué)采用閉環(huán)方式。因?qū)W生隨時(shí)都可以進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，每個(gè)實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目都可以采用學(xué)生編寫—老師批改—學(xué)生優(yōu)化—老師再批改直至滿意的閉環(huán)過程，在此過程中，學(xué)生可更好地掌握知識(shí)點(diǎn)。

5）以綜合實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練為最終目的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最后4 節(jié)課安排了一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)目主要訓(xùn)練學(xué)生組織項(xiàng)目、借鑒資料、發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)試優(yōu)化項(xiàng)目的綜合能力。

6）借助慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，提高教學(xué)效率。慕課平臺(tái)上的教學(xué)視頻可使學(xué)生有針對(duì)性地重復(fù)學(xué)習(xí)；試題庫既讓學(xué)生掌握了理論知識(shí)點(diǎn)，又讓老師可以騰出時(shí)間檢查學(xué)生的實(shí)踐項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐；專題討論充分發(fā)揮學(xué)生的積極性。

2.2 教學(xué)實(shí)施過程

《單片機(jī)原理》課程“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容如表1 所示。在理論教學(xué)的學(xué)時(shí)分配上，50%左右的時(shí)間為PPT 理論授課，25%左右的時(shí)間為源程序分析，25%的時(shí)間為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，共進(jìn)行了10 個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在課后進(jìn)行了10 個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐訓(xùn)練，每次訓(xùn)練工作量為2 h 左右。在慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)視頻有12 個(gè)，試題110 個(gè)，開展討論話題12 個(gè)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成教學(xué)知識(shí)點(diǎn)6 個(gè)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告6 份，實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備1 h 左右，實(shí)驗(yàn)完成后書寫報(bào)告1 h 左右。學(xué)生在該門課程上的總共學(xué)習(xí)時(shí)間約為80 h。

表1 《單片機(jī)原理》課程“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容Tab.1 Teaching content of ″pocket labs″ in the course of Fundamentals of Mono-chip Computers

3 教學(xué)效果及體會(huì)

3.1 教學(xué)效果

較傳統(tǒng)的教學(xué)方式，這兩次的“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)效果較好，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）學(xué)生積極性明顯提高。學(xué)生上課出勤率每次都在97%以上，上課無玩手機(jī)現(xiàn)象，上課時(shí)都能認(rèn)真聽講，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能積極配合；課后作業(yè)及課后實(shí)踐訓(xùn)練能按時(shí)完成；實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生能認(rèn)真討論、編寫、調(diào)試程序，學(xué)習(xí)氣氛活躍。

2）學(xué)生基本掌握了本課程的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)。課程考試以上機(jī)編程的方式進(jìn)行，考試時(shí)間4 h，考試內(nèi)容為在指定時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)綜合項(xiàng)目的編寫、調(diào)試工作，60%左右的學(xué)生能全部完成，30%左右的學(xué)生能完成大部分內(nèi)容，10%左右的學(xué)生能基本完成。

3）學(xué)生的實(shí)踐能力得到了明顯提高。整個(gè)教學(xué)過程都是以實(shí)踐為基礎(chǔ)，學(xué)生在程序分析、單片機(jī)編程過程、C 語言編程方法、項(xiàng)目實(shí)施方法、程序調(diào)試等實(shí)踐應(yīng)用能力上都有明顯提高。在《單片機(jī)原理》所對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生能自己收集資料、程序代碼，并能分析這些代碼、將其移植到現(xiàn)有平臺(tái)上，并根據(jù)自己的需要修改、優(yōu)化代碼，完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)。

3.2 教學(xué)體會(huì)

實(shí)施“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式，除了要選擇好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，前期做好充足準(zhǔn)備外，還應(yīng)該做好如下幾個(gè)方面工作：

1）實(shí)施課程項(xiàng)目應(yīng)具有很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用。這樣既可開展相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，同時(shí)也可吸引學(xué)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。

2）教師應(yīng)對(duì)實(shí)施課程項(xiàng)目具有很強(qiáng)的動(dòng)手能力。學(xué)生在動(dòng)手過程中會(huì)遇到很多實(shí)際問題，教師需及時(shí)解決。

3）教學(xué)需因材施教。學(xué)生選課時(shí)，應(yīng)說明該課程對(duì)學(xué)生能力要求；教學(xué)前，了解學(xué)生的基本情況，根據(jù)學(xué)生的情況安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度，教學(xué)中及時(shí)解決學(xué)生遇到的問題，同時(shí)及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)內(nèi)容。

4）教師需投入更多的時(shí)間和熱情。做好一個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目需老師多次檢查、同學(xué)多次修改；老師因此要付出更多的時(shí)間；同時(shí)因?qū)W生的個(gè)體差異，有些學(xué)生的進(jìn)度相對(duì)較慢，老師應(yīng)該鼓勵(lì)、督促他們，增加他們的自信心，使其學(xué)習(xí)有所進(jìn)步。

4 結(jié)語

“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式不是簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)備小型化，而是理論與實(shí)踐充分結(jié)合，以提高學(xué)生實(shí)踐能力為核心的一種教學(xué)方式。在應(yīng)用型學(xué)科，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式在技術(shù)更新速度、更新成本、管理方式等方面都難以與“口袋實(shí)驗(yàn)”抗衡。高?？筛鶕?jù)實(shí)際需求，引進(jìn)成本低、實(shí)用性強(qiáng)、更新快、管理簡便的“口袋實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力。