劉波

[摘 要] 針對傳統(tǒng)單片機實驗以知識結(jié)構(gòu)為主線開展教學(xué)中所存在以教師為中心的問題，對圍繞工程項目組織單片機實驗教學(xué)的方法進行了實踐。實踐中發(fā)現(xiàn)項目驅(qū)動式教學(xué)中存在的最大問題是學(xué)生找不到切入點。為此，提出單片機實驗教學(xué)的目標為培養(yǎng)學(xué)生以下三個方面的能力：一是將復(fù)雜問題抽象為簡化模型的能力;二是綜合軟硬件進行系統(tǒng)集成的能力;三是總結(jié)實驗和文字表達的能力。以上教學(xué)目標可通過選定合適的實驗內(nèi)容、合理的時間安排、實驗預(yù)習(xí)、實驗過程控制、實驗報告成績評定等環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞] 單片機實驗;實驗教學(xué);單片機教學(xué);實踐能力;案例教學(xué)法

[基金項目] 2021—2024年國家自然科學(xué)基金項目“波浪與柔性壓電膜系統(tǒng)的非線性耦合作用研究”（12072306）

[作者簡介] 劉 波（1973—），女，云南通海人，學(xué)士，廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院實驗師，主要從事單片機與圖像處理研究。

[中圖分類號] G647? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）22-0141-04? ? ? ?[收稿日期] 2021-01-21

一、引言

隨著計算機的飛速發(fā)展，單片機技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、家用電器、玩具及個人信息終端等諸多領(lǐng)域。培養(yǎng)機電類本科生應(yīng)用單片機技術(shù)解決工程實際問題的能力是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。因此，“單片微機原理及應(yīng)用”在機電類本科教學(xué)中是一門基礎(chǔ)課程。

傳統(tǒng)單片機教學(xué)一般是以單片機的知識結(jié)構(gòu)為主線，把單片機知識系統(tǒng)分成硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、軟件編程、單片機系統(tǒng)的擴展和各種外圍器件的應(yīng)用，最后再講一些實例。此種教學(xué)結(jié)構(gòu)，學(xué)生普遍感到難學(xué)。而單片機實驗課則采用傳統(tǒng)物理、化學(xué)實驗課的方法，即以教師為中心，學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)，用統(tǒng)一的模式，按照指導(dǎo)書上規(guī)定的步驟做相同的實驗。實驗課目的也主要是為了驗證理論。有的教師認為要做單片機實驗，必須要先學(xué)習(xí)完書本上安排的章節(jié)，而有的學(xué)校也常常將實驗教學(xué)安排在學(xué)生學(xué)習(xí)完全部理論知識后。但是，單片機不同于物理、化學(xué)等基礎(chǔ)理論課程，而是一門應(yīng)用性很強的課程。根據(jù)單片機課程的特點，筆者認為單片機實驗主要目標是培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，應(yīng)突破課本章節(jié)的限制，以項目為中心組織教學(xué)，并貫穿在理論教學(xué)的全部環(huán)節(jié)之中。

針對單片機傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題，已有不少教師提出改革單片機傳統(tǒng)教學(xué)的建議[1-5]。這些教師根據(jù)各自不同的教學(xué)經(jīng)驗，提出了不少有益的思想觀點。在這些思想基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者多年單片機本科實驗教學(xué)實踐，在分析以項目為中心組織單片機實驗教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，提出教學(xué)目標，并對實現(xiàn)教學(xué)目標的教學(xué)環(huán)節(jié)進行了探討，以供同行參考。

二、單片機實驗教學(xué)目標

單片機實驗教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的能力而不是灌輸知識已成為大多數(shù)教師的共識[5-7]。通過單片機實驗教學(xué)課能培養(yǎng)什么樣的能力呢？人的能力有多種，如觀察能力、抽象能力、分析能力、總結(jié)能力、逆向思維能力、解決問題的方案制定能力、簡潔的文書編寫能力等。顯然，僅靠單片機實驗一門課不可能培養(yǎng)學(xué)生所有的能力。筆者認為單片機實驗教學(xué)目標應(yīng)結(jié)合各高校單片機實驗條件、師資狀況、學(xué)生素質(zhì)等因素最大限度地培養(yǎng)或提高學(xué)生各方面的能力。

廈門理工學(xué)院定位于應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，強調(diào)學(xué)生的工程能力和動手能力。學(xué)校具有良好的實驗條件。目前，已擁有單片機仿真實驗系統(tǒng)，該仿真實驗系統(tǒng)由板上仿真器、實驗儀、仿真軟件、開關(guān)電源構(gòu)成。本實驗系統(tǒng)主機上有豐富的實驗電路模塊和靈活的組成方法，既可以和MCS51、MCS96CPU也可以和8088/8086CPU組合完成各種實驗。同時，學(xué)院豐碩的應(yīng)用科研成果也為開展項目驅(qū)動式教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

為將應(yīng)用型科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，讓學(xué)生能在現(xiàn)有教學(xué)實驗設(shè)備上實現(xiàn)。將較復(fù)雜的工程問題進行簡化，這是開展項目驅(qū)動式教學(xué)的關(guān)鍵?；舅枷胧恰奥槿鸽m小、五臟俱全”。由于學(xué)時限制，教學(xué)項目工作量不宜過大，要讓學(xué)生有完成的可能性，同時達到工程訓(xùn)練的目的。這一過程的訓(xùn)練，可培養(yǎng)將復(fù)雜問題抽象為簡化模型的能力。

應(yīng)用單片機實現(xiàn)的工程項目，一般都涉及編寫匯編語言或C++語言程序（軟件）及電路設(shè)計（硬件）。因此，綜合軟硬件進行系統(tǒng)集成的能力是單片機實驗教學(xué)的另一目標。

本科生在基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)階段，撰寫項目報告的訓(xùn)練較少。作為工科專業(yè)學(xué)生，今后工作中可能遇到項目申請、策劃書、進展報告、結(jié)題報告等大量文檔撰寫工作。因此，培養(yǎng)學(xué)生進行總結(jié)和文字表達能力十分必要。完成單片機模擬項目后，讓學(xué)生撰寫總結(jié)報告可實現(xiàn)這目標。

綜上所述，以項目為中心的單片機實驗教學(xué)主要培養(yǎng)或提高學(xué)生以下幾個方面能力：一是將復(fù)雜問題抽象為簡化模型的能力;二是綜合軟硬件進行系統(tǒng)集成的能力;三是總結(jié)和文字表達的能力。

三、教學(xué)環(huán)節(jié)

針對目前單片機實驗教學(xué)的特點，在實驗內(nèi)容和時間安排、實驗預(yù)習(xí)、實驗過程、實驗報告成績的評定環(huán)節(jié)采取了嚴格的控制方法和靈活的教學(xué)組織方法。

（一）實驗內(nèi)容和時間安排

在安排實驗前，實驗教師將和任課教師、學(xué)習(xí)委員溝通，了解該班學(xué)生理論知識掌握的情況和大部分學(xué)生的特點，針對該班特點在實驗內(nèi)容及時間安排上進行調(diào)整。在實驗內(nèi)容的選擇上強調(diào)硬件實驗的重要性及實驗內(nèi)容的連貫性和綜合性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程項目設(shè)計模擬實驗項目，估算完成模擬實驗項目所需的時間。在時間安排上，分為課內(nèi)學(xué)時和課外學(xué)時。課內(nèi)學(xué)時是固定的，而課外學(xué)時則具有靈活性和多樣性。

1.硬件實驗內(nèi)容的選擇。在設(shè)計模擬實驗項目時，首先確定實驗設(shè)備。在實驗設(shè)備確定后，進行模擬項目設(shè)計。以LAB6000微控制儀[8]? （P14）為例，可開出的軟件實驗和硬件實驗都比較多。軟件實驗一般是驗證性的，例如數(shù)據(jù)排序等實驗。在做此類實驗時，學(xué)生一般不會關(guān)注硬件，得到的鍛煉較少，解決不了實際問題。學(xué)生一般對硬件電路不熟悉，以前接觸的程序?qū)嶒炌嗟仃P(guān)注編程的技巧，沒有軟硬件結(jié)合的概念。針對這種現(xiàn)象，可設(shè)計一個模擬項目（例如，交通燈控制模型、電子琴模型、電子鐘模型、電子日歷等）。學(xué)生通過完成模擬項目，可將軟件（自己編寫的程序）與硬件（實驗設(shè)備）結(jié)合起來完成一種或幾種功能。這樣，學(xué)生更有興趣去完成相應(yīng)的實驗。