基于單片機(jī)課程應(yīng)用能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

劉開(kāi)緒，楊桂花，馬駿馳

(大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095－0063.2014.03.040

1 實(shí)踐環(huán)節(jié)貫穿式的單片機(jī)教學(xué)方式的提出

單片機(jī)在工科電類(lèi)專(zhuān)業(yè)教育中占據(jù)重要地位，單片機(jī)課程涉及芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、編程語(yǔ)言及高級(jí)語(yǔ)言軟件環(huán)境、外圍接口硬件資源等，它能夠?qū)㈦娮蛹夹g(shù)等先修課程聯(lián)系到一起，屬于技術(shù)性、實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的一門(mén)課程，但在目前的教學(xué)中主要存在以下兩方面問(wèn)題:

1.1 理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)

單片機(jī)的語(yǔ)言是與其硬件緊密聯(lián)系的，單片機(jī)系統(tǒng)是軟件和硬件的有機(jī)體系，初學(xué)者會(huì)感覺(jué)很枯燥。中斷的概念、可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通訊、系統(tǒng)擴(kuò)展等教學(xué)環(huán)節(jié)，一旦學(xué)生出現(xiàn)厭倦情緒，或者跟不上教學(xué)進(jìn)度，學(xué)生就會(huì)掉隊(duì)，并以此產(chǎn)生厭學(xué)情緒。傳統(tǒng)的教學(xué)是理論教學(xué)先行，開(kāi)課兩三周之后才開(kāi)始第一次實(shí)驗(yàn)課，而且不是每周都有實(shí)驗(yàn)課，造成了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)銜接松散。學(xué)生如何理解“01H”既能代表地址，又能代表數(shù)據(jù)，到底有什么區(qū)別?存儲(chǔ)器空間的概念為學(xué)生交代不清的話(huà)，那么就會(huì)使得學(xué)生無(wú)法理解后續(xù)的內(nèi)容。如何一開(kāi)始就能夠降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，使生澀難懂的內(nèi)容變得直觀和形象，不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的濃厚興趣呢?教學(xué)活動(dòng)全程融入實(shí)踐環(huán)節(jié)是真正解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟贿m應(yīng)性

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱的資源整合很緊湊，學(xué)生只能按部就班地進(jìn)行連線(xiàn)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新發(fā)揮的空間十分有限，這體現(xiàn)了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源的不適應(yīng)性。能否將實(shí)驗(yàn)資源設(shè)計(jì)成開(kāi)放式的、模塊化的、組合式的，從而使學(xué)生以單片機(jī)核心板為基礎(chǔ)進(jìn)行按需擴(kuò)展，充分發(fā)揮單片機(jī)應(yīng)用靈活多樣的應(yīng)用特點(diǎn)。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菍?shí)驗(yàn)教師給定具體的實(shí)驗(yàn)題目，每次實(shí)驗(yàn)課學(xué)生都在規(guī)定的試驗(yàn)箱上做同一個(gè)項(xiàng)目。試驗(yàn)箱上的資源確實(shí)很豐富，但多數(shù)學(xué)生只能機(jī)械地進(jìn)行連線(xiàn)、下載給定的程序，驗(yàn)證固有現(xiàn)象而已。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞`了學(xué)生的思維，限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)揮，扼殺了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

對(duì)于單片機(jī)教學(xué)，如按傳統(tǒng)教學(xué)的陳規(guī)，學(xué)生在?；虍厴I(yè)已無(wú)法面對(duì)新形勢(shì)的挑戰(zhàn)，他們應(yīng)聘就業(yè)時(shí)底氣不足。面對(duì)這些問(wèn)題，作為教師，應(yīng)大膽地進(jìn)行課程教學(xué)方式方法的研究，讓學(xué)生在學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，迅速掌握單片機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力的有效方法，為培養(yǎng)“落地型”技能人才所做的努力都是必要的。解決這些不適應(yīng)性就需要從教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)資源、教學(xué)模式等多方面著手，為此我們結(jié)合實(shí)際教學(xué)提出了實(shí)踐環(huán)節(jié)貫穿式的單片機(jī)課程教學(xué)改革。

2 新型實(shí)踐教學(xué)方式的構(gòu)建

2.1 演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂

首先是開(kāi)發(fā)與課程內(nèi)容相配套的系列化演示實(shí)驗(yàn)教具。演示教具來(lái)源于教師的精心設(shè)計(jì)，起初需要教師親自制作，也可以珍藏學(xué)生的設(shè)計(jì)作品;圖片及視頻資料，來(lái)源于從學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、各類(lèi)競(jìng)賽中獲取的資料，或來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)資源等。課堂上通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)、播放視頻及圖片資料加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的直觀感，克服學(xué)習(xí)的畏懼情緒，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

在第一次課或每一次課的導(dǎo)引部分，除了簡(jiǎn)要列舉大量圖文并茂的應(yīng)用案例外，把一些新穎的作品的視頻、實(shí)物帶進(jìn)課堂，并簡(jiǎn)要介紹它們的工作原理及應(yīng)用，創(chuàng)建一個(gè)“單片機(jī)不但有用而且有趣”的情景，從而激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。

其次，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)STC89C52核心板，它采用USB線(xiàn)供電，H340型USB轉(zhuǎn)串口下載線(xiàn)，另配5V穩(wěn)壓電源及光盤(pán)資料。STC89C52核心板上整合了16位LED、8位SW按鍵、4位數(shù)碼管、1個(gè)蜂鳴器、1個(gè)繼電器、1 塊24C02 串口存儲(chǔ)芯片［1］。

該核心板能夠完成I/O端口實(shí)驗(yàn)、中斷二級(jí)嵌套實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)等，兩塊板可以進(jìn)行串口通訊。只要有一臺(tái)電腦，學(xué)生在哪都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在機(jī)房課堂上，學(xué)生跟隨教師完成課內(nèi)訓(xùn)練內(nèi)容。課外，學(xué)生可以在宿舍、家庭等場(chǎng)所繼續(xù)實(shí)驗(yàn)練習(xí)，這種方式便于在學(xué)生中形成共同學(xué)習(xí)單片機(jī)的氛圍。

理論教學(xué)與“實(shí)物”相結(jié)合之后，使得單片機(jī)教學(xué)中所涉及到的抽象內(nèi)容變得直觀易懂了，使得學(xué)生直觀具體地認(rèn)識(shí)和了解單片機(jī)的實(shí)際工作和應(yīng)用方式。在教學(xué)中為學(xué)生提供電路板的完整電路原理圖，將課堂教學(xué)的內(nèi)容和其“實(shí)物”聯(lián)系起來(lái)，并逐步讓學(xué)生學(xué)會(huì)讀圖、識(shí)圖，為設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用電路打好基礎(chǔ)。

開(kāi)發(fā)的單片機(jī)核心實(shí)驗(yàn)板套件成本價(jià)控制在50元以?xún)?nèi)，可鼓勵(lì)學(xué)生購(gòu)買(mǎi)后自行組裝焊接使用，或者實(shí)驗(yàn)室提供成品板供學(xué)生租用，保證每生人手一套。擁有核心板的同學(xué)可以把核心板傳承給下年級(jí)學(xué)生繼續(xù)使用。

2.2 教學(xué)過(guò)程強(qiáng)調(diào)三種技能培養(yǎng)

在教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)基本技能、綜合技能、工程應(yīng)用技能的培養(yǎng)。課堂理論教學(xué)著重強(qiáng)化基本技能訓(xùn)練和培養(yǎng)，結(jié)合課程內(nèi)容，強(qiáng)化各模塊的訓(xùn)練項(xiàng)目，這也是將來(lái)進(jìn)行工程應(yīng)用的基礎(chǔ);課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)綜合技能培養(yǎng)，訓(xùn)練項(xiàng)目以綜合設(shè)計(jì)性、研究型項(xiàng)目為主，鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力;課堂之外教學(xué)環(huán)節(jié)，在課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多元化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，以工程項(xiàng)目為訓(xùn)練內(nèi)容，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用技能的培養(yǎng)。把對(duì)學(xué)生要求的知識(shí)和技能相互融合，使之成為一個(gè)有機(jī)的考核體系。通過(guò)給學(xué)生布置項(xiàng)目或?qū)W生自選項(xiàng)目，讓每位同學(xué)選做一個(gè)。項(xiàng)目可以是一個(gè)單片機(jī)控制的模擬系統(tǒng)，如恒溫加熱系統(tǒng)，也可以是一個(gè)單片機(jī)控制的電子產(chǎn)品，如智能壁障小車(chē)等［2］，并要求在指定時(shí)間內(nèi)完成，并驗(yàn)收答辯。在學(xué)生制作實(shí)物的過(guò)程中教師給予必要的幫助和引導(dǎo)，并鼓勵(lì)學(xué)生充分利用教材及其他參考書(shū)等資源獨(dú)立完成項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生獨(dú)立開(kāi)發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品的能力。

所提倡的新型教學(xué)方式使實(shí)踐環(huán)節(jié)融入到單片機(jī)課程教學(xué)的全過(guò)程，不同的階段、不同的層次安排不同的訓(xùn)練項(xiàng)目，側(cè)重培養(yǎng)不同的技能。調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性后，以學(xué)生為中心的氛圍就會(huì)自然形成，培養(yǎng)學(xué)生綜合技能的目標(biāo)才能更好地實(shí)現(xiàn)。圖1為單片機(jī)課程教學(xué)活動(dòng)流程圖。

圖1 單片機(jī)課程教學(xué)活動(dòng)流程圖

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，都是按照單片機(jī)的結(jié)構(gòu)體系來(lái)授課的，存在很多問(wèn)題。在本門(mén)課程教學(xué)過(guò)程中，我們用模塊化、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法為主，將課程中所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容劃分成若干個(gè)教學(xué)模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)或幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，理論及實(shí)訓(xùn)均圍繞模塊展開(kāi)，每個(gè)模塊以工程項(xiàng)目為背景，項(xiàng)目涉及的內(nèi)容采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)方法。教學(xué)中以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，以知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用為載體，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為目的。

在單片機(jī)課程教學(xué)活動(dòng)流程中，貫穿于三條教學(xué)活動(dòng)主線(xiàn)的是教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)和學(xué)生能力培養(yǎng)。

3 實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)的配套保障

3.1 推行實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放

學(xué)生想要完成某些工程項(xiàng)目的驗(yàn)證，缺少的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和器件怎樣解決?我們采取開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室并出借資源的方式來(lái)解決。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的時(shí)間段利用實(shí)驗(yàn)室資源完成設(shè)計(jì)和制作，也可以租借單片機(jī)擴(kuò)展模塊，并定期歸還。如實(shí)驗(yàn)室可以提供LCD12864、18B20、Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊模塊、陀螺儀、直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械臂、履帶車(chē)體、L298驅(qū)動(dòng)模塊等，租借方式為學(xué)生提供了使用實(shí)驗(yàn)資源的有效途徑。

為了保證開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)管理有序進(jìn)行，我們完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)。學(xué)生可以在網(wǎng)站上預(yù)約實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，網(wǎng)站的建設(shè)也促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的管理。

3.2 課程網(wǎng)站建設(shè)

經(jīng)過(guò)幾年的努力，我們建成了校級(jí)單片機(jī)精品課程網(wǎng)站，為學(xué)生提供了系統(tǒng)的訓(xùn)練項(xiàng)目及學(xué)生交流互動(dòng)平臺(tái)，為課程教學(xué)提供了強(qiáng)有力的資源平臺(tái)支撐。

3.3 教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

學(xué)生技能的培養(yǎng)是教學(xué)的結(jié)果，而教學(xué)是師生雙方互動(dòng)的過(guò)程。沒(méi)有高素質(zhì)的教師，沒(méi)有高水平的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，就傳授不了先進(jìn)的教學(xué)思想和系統(tǒng)的知識(shí)。要完善教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，就得使教師參與到教學(xué)的全過(guò)程之中去鍛煉，每位教師都勝任理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)，都具備指導(dǎo)競(jìng)賽、指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)的能力，過(guò)硬的教師隊(duì)伍建設(shè)勢(shì)在必行。

3.4 實(shí)驗(yàn)硬件條件的保障

課程團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)制作了20多個(gè)演示實(shí)驗(yàn)教具，引導(dǎo)理論教學(xué)起到了很好的教學(xué)效果。自行開(kāi)發(fā)了STC89C52RC及C8051F020單片機(jī)最小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)板及外圍擴(kuò)展模塊，并在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中付諸應(yīng)用，取得了很好的效果［3］。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有沈飛生產(chǎn)的51/86單片機(jī)原理試驗(yàn)箱30套，北京新華龍電子有限公司生產(chǎn)的C8051F020試驗(yàn)板30套，及模塊組合式試驗(yàn)箱30套。

通過(guò)課程改革研究，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐互動(dòng)、師生互動(dòng)、直觀與抽象互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合、虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和工程綜合應(yīng)用相結(jié)合，全面提升課程的教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

新型的教學(xué)方式試行兩年多來(lái)，取得了演示實(shí)驗(yàn)教具30多件，自行開(kāi)發(fā)的單片機(jī)核心板有STC89C52、C8051F020、MSP430－169系列及 M3－Cortex系列，及 ADC/DAC、MOTOR、8位 LED 數(shù)碼管、LCD12864等配套模塊近20種，設(shè)計(jì)出了模塊組合式單片機(jī)試驗(yàn)箱。近兩年來(lái)，學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽取得了省級(jí)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，省級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)6項(xiàng)的成績(jī)，主持省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目四項(xiàng)，并在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)展示了單片機(jī)使用的靈活性。

［1］王效華，張?jiān)伱?單片機(jī)教學(xué)改革的探討［J］.武夷學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4):93－99.

［2］劉開(kāi)緒，張維，郭險(xiǎn)峰.電工電子實(shí)訓(xùn)教程［M］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社，2013.

［3］宋蘊(yùn)璞，裘文進(jìn)，徐鳴謙，等.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式探討［J］.高等教育研究，2007，12:46－48.