面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

周汝雁 馮國富 易叢琴 周旭

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程。本文針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的特點(diǎn)，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中的設(shè)計(jì)創(chuàng)新部分，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)教學(xué)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間三個(gè)方面的教學(xué)拓展，對(duì)提高計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力方面起到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)拓展

中圖分類號(hào)：G642.423? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）12-0269-02

一、引言

單片機(jī)課程是高校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的必修課，也是當(dāng)前高校機(jī)電一體化、電氣類、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和電子信息類等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。但根據(jù)專業(yè)需求不同，教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)不同，教學(xué)模式也各不相同。另外，各個(gè)高校由于硬件實(shí)驗(yàn)條件不同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更是各不相同。本文針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)需求和學(xué)生的特點(diǎn)，進(jìn)行了單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和實(shí)踐。

二、單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在單片機(jī)課程的教學(xué)中起著非常重要的作用，通過實(shí)驗(yàn)不僅可以課堂教學(xué)中學(xué)到的理論知識(shí)進(jìn)行鞏固和加以應(yīng)用，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和解決工程問題的能力。目前高校計(jì)算機(jī)專業(yè)大多數(shù)都比較偏重于數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計(jì)算，學(xué)生的學(xué)習(xí)也都偏重于軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)能力欠缺，因此單片機(jī)課程中硬件設(shè)計(jì)部分的學(xué)習(xí)難度較大，這就要求計(jì)算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中的項(xiàng)目設(shè)計(jì)既要考慮到本專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，又要在有限的實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生掌握單片機(jī)的基本原理和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

三、單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為兩大部分，一部分為每個(gè)章節(jié)理論課后對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解鞏固和實(shí)際應(yīng)用而設(shè)置的章節(jié)實(shí)驗(yàn)，另一部分為具備基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和方法后而設(shè)置的綜合實(shí)驗(yàn)。

1.章節(jié)實(shí)驗(yàn)：通常章節(jié)實(shí)驗(yàn)都為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要包括單片機(jī)I/O口的輸入輸出實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)、串口通信實(shí)驗(yàn)、鍵盤實(shí)驗(yàn)、數(shù)碼管和LCD顯示實(shí)驗(yàn)、I/O擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)等，為了提高學(xué)生的參與性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，章節(jié)實(shí)驗(yàn)也設(shè)計(jì)為既有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也有創(chuàng)新設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。以最簡(jiǎn)單的1個(gè)LED燈閃爍為例，該實(shí)驗(yàn)是I/O口的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通常為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需要在試驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，甚至不需要進(jìn)行線路的連接就可以完成，學(xué)生的參與度、設(shè)計(jì)性較低，但可以在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加如下實(shí)驗(yàn)要求：設(shè)計(jì)并制作讓LED燈顯示出一段摩斯密碼，如顯示出SOS信號(hào)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯示成功后，制作成面包板電路系統(tǒng)進(jìn)行演示。增加的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具備了設(shè)計(jì)性和趣味性，增加了學(xué)生的參與度，首先，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生會(huì)將程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程中學(xué)到的密碼翻譯的知識(shí)應(yīng)用到其中，為了展示自己的獨(dú)創(chuàng)性，大多數(shù)同學(xué)會(huì)選擇一段獨(dú)特的摩斯密碼信號(hào)用LED燈顯示出來。另外，本實(shí)驗(yàn)是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中最簡(jiǎn)單的，可以用簡(jiǎn)單的幾個(gè)電子器件和單片機(jī)芯片完成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，制作成面包板的成功率很高，實(shí)驗(yàn)的成功對(duì)初學(xué)單片機(jī)的同學(xué)的鼓勵(lì)作用非常大，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)也是一個(gè)很好的開始，為后續(xù)復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)和制作打下了很好的基礎(chǔ)。

2.綜合實(shí)驗(yàn)：綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是為了考察學(xué)生對(duì)單片機(jī)總體掌握情況和綜合應(yīng)用能力。為了兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)程度的差別和興趣偏好，以及軟硬件的擅長，每個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)都設(shè)計(jì)成可以自行選擇組合的模塊化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為小組協(xié)作完成項(xiàng)目，學(xué)生可以根據(jù)軟件和硬件的偏好和擅長，以及動(dòng)手能力和編程能力的強(qiáng)弱，合理搭檔自由組合形成項(xiàng)目小組，每個(gè)小組可以根據(jù)興趣選擇項(xiàng)目內(nèi)容，小組成員還可以根據(jù)組內(nèi)成員各自的特點(diǎn)分工協(xié)作完成所選的綜合項(xiàng)目。以溫度測(cè)量顯示及報(bào)警實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)要求如下。項(xiàng)目要求：利用單片機(jī)進(jìn)行溫度測(cè)量及超限報(bào)警，設(shè)置溫度上下限，當(dāng)測(cè)量得到的溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時(shí)，利用揚(yáng)聲器自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。設(shè)計(jì)要求：其中溫度測(cè)量部分，可以采用DS18B20作為溫度監(jiān)測(cè)元件，也可以采用熱電阻加AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行溫度測(cè)量，溫度測(cè)試點(diǎn)可以為1個(gè)，也可以是多個(gè);顯示部分可采用數(shù)碼管顯示，也可利用LCD顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)路線有以下3種可以自由選擇：采用仿真工具Proteus完成;設(shè)計(jì)成面包板電路;采用萬能板實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目要求。針對(duì)這種模塊化、可選擇的實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好和偏好特長進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和完成，也可以根據(jù)小組成員的特點(diǎn)進(jìn)行選擇和分工協(xié)作。在學(xué)生學(xué)習(xí)了單片機(jī)基本的理論知識(shí)，掌握了課程中最基礎(chǔ)的軟件資源和硬件資源的使用方法后，就開始布置綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于理解能力強(qiáng)，學(xué)習(xí)進(jìn)度較快的學(xué)生可以較早地進(jìn)入綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和完成。通過具有創(chuàng)新型章節(jié)實(shí)驗(yàn)和模塊化綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果有了明顯的提高，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的積極性、主動(dòng)性、自主性有了大幅提升。特別是綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以很好提升學(xué)生硬件設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、自主學(xué)習(xí)能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作開發(fā)能力起到了很大的推動(dòng)作用。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程拓展

針對(duì)單片機(jī)教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)少，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師少的現(xiàn)狀，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程進(jìn)行了拓展，拓展包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目拓展、實(shí)驗(yàn)教學(xué)地點(diǎn)拓展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間拓展三部分。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目拓展：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目除了包括章節(jié)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)中較為固定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目之外，還鼓勵(lì)學(xué)生參加涉及單片機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、各類創(chuàng)新大賽、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、課程實(shí)踐，還拓展到參與教師科研項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)企業(yè)需求的單片機(jī)開發(fā)項(xiàng)目，這些拓展項(xiàng)目的完成都可以在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，或由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師給予指導(dǎo)協(xié)助完成，時(shí)間上可以在單片機(jī)課程開設(shè)的學(xué)期，也可以在之后的任何時(shí)間進(jìn)行，在課程開設(shè)的同時(shí)進(jìn)行的可以作為綜合實(shí)驗(yàn)計(jì)入實(shí)驗(yàn)成績。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展對(duì)學(xué)生鞏固課堂所學(xué)內(nèi)容，豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，密切關(guān)注社會(huì)需求，并進(jìn)一步進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)有非常好的輔助作用。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)地點(diǎn)拓展：在綜合實(shí)驗(yàn)發(fā)布后，學(xué)生可以利用自己的電腦，小型試驗(yàn)盒進(jìn)行簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用面包板搭建相應(yīng)電路進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)的調(diào)試和完成可以在課后自主進(jìn)行，地點(diǎn)不必再局限于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)地點(diǎn)的拓展。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間拓展：每一門課程在課堂上或?qū)嶒?yàn)室學(xué)習(xí)的時(shí)間都是有限的，單片課程也是同樣，為了鼓勵(lì)學(xué)生課后能自主支配實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)時(shí)間和有更多的動(dòng)手能力培養(yǎng)的時(shí)間，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室采用了開放實(shí)驗(yàn)室模式，只要實(shí)驗(yàn)室沒有教師授課，學(xué)生就可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開放實(shí)驗(yàn)室模式加上實(shí)驗(yàn)教學(xué)地點(diǎn)的拓展，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目拓展模式，很好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間拓展，使學(xué)生可以機(jī)動(dòng)靈活地安排自己的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)調(diào)試。

四、結(jié)論

本文結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)單片機(jī)課程的特點(diǎn)，對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中的設(shè)計(jì)創(chuàng)新部分，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)教學(xué)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間三個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)拓展，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，取得了很好的教學(xué)效果，得到了學(xué)生的一致好評(píng)，也得到學(xué)校的認(rèn)可，被學(xué)校評(píng)為優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍世瑜，許棠，梁?jiǎn)⑽?基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016，14（4）：186-187.

[2]高艷芬，蔡恒.基于Proteus仿真與實(shí)驗(yàn)板結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2015，41（10）：138-139.

[3]張江印.高校單片機(jī)教學(xué)模式的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（9），103-106.

Exploration on the Experimental Teaching of Single-chip Microcontroller in the Computer Science and Technology Specialty

ZHOU Ru-yan，F(xiàn)ENG Guo-fu，YI Cong-qin，ZHOU Xu

（College of Information Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Abstract：MCU （Microcontroller Unit） course is an important course in the major of computer science and technology.This article introduced that more design innovation content is given in experimental teaching.Teaching expansion is performed in experimental teaching projects，location，and time.As a result，it is suitable for improving students' hardware ability and practical ability.More satisfactory results have been achieved on MCU application system design ability.

Key words：MCU;experiment teaching;teaching expansion