單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

◆鄭劍 張華 張澧生

作者：鄭劍，博士研究生，工程師、講師，湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡娏鲃?dòng)系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制，從事電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化的教學(xué)科研與工程應(yīng)用工作；張華、張澧生，湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院（410151）。

現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)都包含測(cè)控部分，很多測(cè)控裝置采用單片機(jī)作為控制器，因此在從事這些機(jī)電產(chǎn)品或系統(tǒng)的維修調(diào)試、日常維護(hù)、售后服務(wù)與升級(jí)改造等工作時(shí)，需要具備一定的單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路檢修與制作、程序編寫(xiě)與調(diào)試能力[1]。高職機(jī)電類專業(yè)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程旨在為這些職業(yè)活動(dòng)提供所必需的基本技能和知識(shí)，該課程屬于職業(yè)能力課程，綜合性、實(shí)踐性都很強(qiáng)，一般在大二下學(xué)期或大三上學(xué)期開(kāi)設(shè)[2]。在教學(xué)實(shí)踐中，為了讓學(xué)生掌握知識(shí)、形成技能、提高能力，筆者對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，在理實(shí)一體化教室采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，綜合運(yùn)用各種教學(xué)硬件平臺(tái)，取得較好的教學(xué)效果。

1 課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，教學(xué)內(nèi)容非常豐富，不同專業(yè)對(duì)單片機(jī)技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)不盡相同，在設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)教學(xué)內(nèi)容時(shí)主要考慮以下三點(diǎn)因素[3]。

一是結(jié)合校本專業(yè)人才培養(yǎng)方案。培養(yǎng)方案體現(xiàn)了“以就業(yè)為導(dǎo)向”的方針，因此應(yīng)從機(jī)電類職業(yè)崗位需求分析入手，參照國(guó)家相關(guān)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，精細(xì)化選擇教學(xué)內(nèi)容。

二是要適合學(xué)生學(xué)情。根據(jù)高職生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和認(rèn)知特點(diǎn)，課程內(nèi)容的編排以典型工作任務(wù)為學(xué)習(xí)單元，并貫徹“管用、夠用、適用”的教學(xué)指導(dǎo)思想。

三是要適應(yīng)課堂教學(xué)。該課程一般是在理實(shí)一體化教室展開(kāi)教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容要能較好地處理理論教學(xué)與技能訓(xùn)練的關(guān)系，體現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做”理念。

對(duì)于機(jī)電類專業(yè)，單片機(jī)的主要作用是控制外圍器件，并實(shí)現(xiàn)一定的通信和數(shù)據(jù)處理。因此，筆者以單片機(jī)的內(nèi)部硬件資源、外圍常用器件為出發(fā)點(diǎn)，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成九個(gè)模塊：發(fā)光管、數(shù)碼管、按鍵、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換（以下簡(jiǎn)稱A/D和D/A）。每個(gè)模塊含有2～3項(xiàng)基本任務(wù)，每項(xiàng)基本任務(wù)都有一項(xiàng)拓展任務(wù)，設(shè)計(jì)拓展任務(wù)的目的是鞏固與深化基本任務(wù)中的知、技、能。任務(wù)名稱的敘寫(xiě)盡量具體到直觀可操作的程度，如表1所示。

2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的實(shí)踐

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的特點(diǎn)是“以任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”[4]，筆者在教學(xué)實(shí)踐中一般按任務(wù)提出、分析、實(shí)施、評(píng)價(jià)、拓展等五個(gè)基本環(huán)節(jié)展開(kāi)教學(xué)。

在任務(wù)提出環(huán)節(jié)，教師通過(guò)日常生活、工業(yè)生產(chǎn)中學(xué)生見(jiàn)過(guò)的一些實(shí)例，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，引出基本任務(wù)，并展示出某個(gè)解決方案的結(jié)果，讓學(xué)生對(duì)任務(wù)有直觀清晰的認(rèn)識(shí)。在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師還應(yīng)強(qiáng)調(diào)解決方案并不是唯一的，解決同一項(xiàng)任務(wù)可能會(huì)有好幾個(gè)方案，鼓勵(lì)學(xué)生從多個(gè)角度去探索解決方案。

在任務(wù)分析環(huán)節(jié)，不是由教師直接告訴學(xué)生應(yīng)當(dāng)如何去解決面臨的任務(wù)，而是由教師向?qū)W生提供解決該任務(wù)的有關(guān)引例和線索，引導(dǎo)學(xué)生“獨(dú)立思考、自主探索”；同時(shí)倡導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)行討論和交流，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)能力。學(xué)生經(jīng)過(guò)反復(fù)分析后，會(huì)提出一個(gè)或幾個(gè)解決方案。

在任務(wù)實(shí)施環(huán)節(jié)，學(xué)生將解決方案付諸實(shí)施，從硬件、軟件兩方面實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)軟硬聯(lián)調(diào)，得到結(jié)果。教師要強(qiáng)調(diào)實(shí)施方案也不是唯一的。

在任務(wù)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，有教師點(diǎn)評(píng)、學(xué)生自評(píng)互評(píng)。既要對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，也要對(duì)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，還要對(duì)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，譬如7S管理（整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)、安全、節(jié)約）。

在任務(wù)拓展環(huán)節(jié)，在基本任務(wù)的基礎(chǔ)上，循序漸進(jìn)、一脈相承地引出拓展任務(wù)，再對(duì)拓展任務(wù)進(jìn)行分析、實(shí)施、評(píng)價(jià)。教學(xué)過(guò)程中筆者還有以下幾點(diǎn)心得體會(huì)。

1）知識(shí)講授。完成每個(gè)任務(wù)都需要一些相關(guān)的理論知識(shí)，知識(shí)講授沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置成一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，分散在五個(gè)基本環(huán)節(jié)中。實(shí)例和引例中涉及的知識(shí)一定要講透徹，沒(méi)有涉及的知識(shí)暫時(shí)不講或稍微提一下。知識(shí)體系的深入與擴(kuò)展把握一個(gè)“度”的原則，對(duì)于基礎(chǔ)較好、學(xué)有余力的學(xué)生，教師可以在課堂巡回指導(dǎo)時(shí)與他單獨(dú)交流或者課外與他單獨(dú)交流。

2）水平思考法。水平思考法是英國(guó)學(xué)者愛(ài)德華·德·博諾提出的一種思維方法[5]，具體操作可采用“六頂思考帽”[6]。在任務(wù)分析環(huán)節(jié)，需要確定一個(gè)解決方案，筆者采用這種方法，取得良好效果。典型步驟是：客觀陳述任務(wù)要求（白帽），提出解決任務(wù)的方案（綠帽），評(píng)估該方案的優(yōu)點(diǎn)（黃帽），評(píng)估該方案的缺點(diǎn)（黑帽），對(duì)該方案進(jìn)行主觀情感判斷（紅帽），總結(jié)加權(quán)，做出決策（藍(lán)帽）。下面以“用兩個(gè)按鍵控制直流電機(jī)的加速、減速”的任務(wù)為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

表1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

白帽：轉(zhuǎn)速有四種狀態(tài)，最低速、次低速、次高速、最高速。單片機(jī)上電后電機(jī)為最低速，每按一下加速鍵，轉(zhuǎn)速升一個(gè)檔，直到最高速；每按一下減速鍵，轉(zhuǎn)速降一個(gè)檔，直到最低速。

綠帽：硬件電路如圖1所示，程序框圖如圖2所示。

圖1 雙鍵控制直流電機(jī)加減速的硬件電路

黃帽：硬件系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用三極管分立元件，電路簡(jiǎn)單、成本低。程序框圖結(jié)構(gòu)清晰，使用的語(yǔ)句種類不多，大量使用簡(jiǎn)單的if語(yǔ)句。

黑帽：分立元件的硬件制作麻煩，容易接觸不良，工作可靠性低。程序的一個(gè)周期時(shí)間較長(zhǎng)，快速性不好。采用延時(shí)子程序，定時(shí)不精確，轉(zhuǎn)速精度不高。

紅帽：①我不喜歡這個(gè)方案，像個(gè)“小兒科”“菜鳥(niǎo)”，沒(méi)有什么實(shí)用價(jià)值；②我挺喜歡這個(gè)方案，簡(jiǎn)單、清晰，有效果；③談不上喜歡，好像也不討厭，沒(méi)什么特別感覺(jué)。

藍(lán)帽：這個(gè)方案總的來(lái)說(shuō)，能夠解決任務(wù)，可以采納。當(dāng)然還有很多其他的方案，不妨在深入理解、掌握了這個(gè)方案之后，再進(jìn)一步探索其他方案。

在任務(wù)實(shí)施、評(píng)價(jià)、拓展環(huán)節(jié)，亦可采用“水平思考法”，不贅述。教學(xué)實(shí)踐表明，這種思維方法頗受學(xué)生歡迎，經(jīng)過(guò)重復(fù)訓(xùn)練、刻意練習(xí)，學(xué)生基本上能夠掌握這種方法。

3）比較教學(xué)法[7]。在眾多的教學(xué)法中，筆者對(duì)比較教學(xué)法情有獨(dú)鐘。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)過(guò)程中，可采用比較教學(xué)法，將“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程中的基本任務(wù)與前導(dǎo)課程“PLC應(yīng)用技術(shù)”中的基本任務(wù)進(jìn)行比較，將拓展任務(wù)與基本任務(wù)、后面任務(wù)與前面任務(wù)進(jìn)行比較。通過(guò)比較，找出異同，使學(xué)生對(duì)原有的知識(shí)與技能掌握得更加深刻、牢固，新獲得的知識(shí)與技能更加鮮明、準(zhǔn)確，并能體會(huì)和掌握其中的核心技能。

譬如將任務(wù)“用兩個(gè)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的加速、減速”與任務(wù)“用兩個(gè)按鍵控制直流電機(jī)的加速、減速”進(jìn)行比較。鍵控四相六線制步進(jìn)電機(jī)的硬件電路如圖3所示，程序框圖如圖4所示，可引導(dǎo)學(xué)生與圖1、圖2進(jìn)行仔細(xì)比較，使學(xué)生體會(huì)到單片機(jī)電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)的核心技能。另外還可以利用示波器觀測(cè)比較兩種電機(jī)的供電電壓波形，使學(xué)生對(duì)兩種電機(jī)的PWM調(diào)速原理有更加直觀深入的理解。

圖2 雙鍵控制直流電機(jī)加減速的程序框圖

圖3 雙鍵控制步進(jìn)電機(jī)加減速的硬件電路

3 教學(xué)硬件平臺(tái)的運(yùn)用

目前機(jī)電類專業(yè)單片機(jī)課程的教學(xué)硬件平臺(tái)主要有三種：一是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板加外圍器件；二是采用Proteus硬件仿真；三是采用面包板及套件[8]。這三種平臺(tái)各有特點(diǎn)。

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的優(yōu)點(diǎn)是硬件資源豐富、電路穩(wěn)定可靠，學(xué)生對(duì)硬件平臺(tái)充分信任，可以騰出時(shí)間更多地關(guān)注“軟件編程”；缺點(diǎn)是電路都是廠家設(shè)計(jì)的，學(xué)生只能適應(yīng)廠家電路，不能按自己的想法搭建電路，硬件電路制作與檢修的機(jī)會(huì)較少。

Proteus硬件仿真的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以按自己的想法任意搭建電路，靈活性強(qiáng)、成本低；缺點(diǎn)是仿真電路和實(shí)物畢竟有區(qū)別，譬如有的仿真正常而實(shí)物不通過(guò)，有的實(shí)物正常而仿真不能通過(guò)。

面包板及套件的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以按自己的想法一步一步地搭建實(shí)物電路，能很好地訓(xùn)練和提高硬件電路制作與檢修能力；缺點(diǎn)是電路容易接觸不良，工作不可靠，有時(shí)一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)，初學(xué)者可能花了很多時(shí)間來(lái)搭建面包板電路，卻調(diào)試不出效果，容易產(chǎn)生挫敗感，失去耐心和興趣。

初學(xué)者是否應(yīng)該使用Proteus仿真軟件來(lái)學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)？目前有兩種截然不同的觀點(diǎn)。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為初學(xué)者不要使用Proteus軟件，剛開(kāi)始只有把硬件擺在你面前，親自操作它，才會(huì)有深刻的體會(huì)，也才能掌握它[9]，因此剛開(kāi)始宜使用面包板套件或?qū)嶒?yàn)板，待達(dá)到一定程度后才使用Proteus軟件。

另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為剛開(kāi)始最好是使用Proteus軟件，因?yàn)槊姘咫娐啡菀壮鰡?wèn)題，使初學(xué)者失去耐心和學(xué)習(xí)興趣；實(shí)驗(yàn)板尤其是開(kāi)發(fā)板，容易使初學(xué)者將“硬件系統(tǒng)”看成“黑箱子”，對(duì)電路失去探索興趣；而Proteus軟件容易使初學(xué)者產(chǎn)生“成就感”，有利于深入學(xué)習(xí)。

筆者認(rèn)為在教學(xué)實(shí)踐中，宜具體情況具體分析。有的學(xué)生喜歡動(dòng)手操作，使用面包板套件就比較合適；有的學(xué)生喜歡編程調(diào)試，使用Proteus軟件比較容易上手；有的任務(wù)比較復(fù)雜，若一開(kāi)始就制作面包板電路，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，不如先做Proteus仿真；有的任務(wù)拓展性很強(qiáng)或視覺(jué)效果突出，不妨將面包板電路制作出來(lái)。另外，用不同的硬件平臺(tái)來(lái)完成相同的任務(wù)，可使學(xué)生體會(huì)到應(yīng)用電路設(shè)計(jì)與編程的核心方法?？傊?，只有綜合運(yùn)用這幾種平臺(tái)，才能取得較好的教學(xué)效果。

圖4 雙鍵控制步進(jìn)電機(jī)加減速的程序框圖

4 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)應(yīng)用能力是一種較通用的工程能力，也是機(jī)電領(lǐng)域從業(yè)人員的重要核心能力，筆者從課程教學(xué)內(nèi)容、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)、教學(xué)硬件平臺(tái)三個(gè)方面對(duì)高職機(jī)電類專業(yè)“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)踐。經(jīng)過(guò)對(duì)這門(mén)課程幾輪的教學(xué)實(shí)踐，取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生能夠較好地理解并掌握單片機(jī)技術(shù)的基本知識(shí)和技能，并進(jìn)一步提高專業(yè)綜合應(yīng)用能力?！?/p>

[1]成立平.高職專業(yè)人才精細(xì)化培養(yǎng)研究[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2]楊翠明,陳志勛,徐先海.論高職院校機(jī)電雙高人才的培養(yǎng)[J].湖南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)報(bào),2008,7(2):71-73.

[3]教育部職業(yè)教育與成人教育司.高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（試行）:制造大類[S].北京:中央廣播電視大學(xué)出版社,2012.

[4]叢國(guó)進(jìn),李傳偉,董先.任務(wù)引導(dǎo)型教學(xué)法在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2014(12):88-89.

[5]Bono E D.水平思考法[M].馮楊,譯.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[6]Bono E D.六頂思考帽[M].馮楊,譯.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[7]謝芳芳,胡邦南.比較式項(xiàng)目教學(xué)在單片機(jī)課程中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(5):114-116.

[8]胡雙炎.高職院校基于面包板的單片機(jī)教學(xué)改革初探[J].職教與經(jīng)濟(jì)研究,2013(1):60-62.

[9]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程:入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.