物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代高職院校單片機(jī)課程改革與實(shí)踐教學(xué)研究

姬翔宇

摘要：目前大多數(shù)高職院校單片機(jī)課程教學(xué)無(wú)論是教學(xué)方法還是實(shí)驗(yàn)手段均已落后，無(wú)法適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代技術(shù)要求。本文分別從適用性高職教材建設(shè)、實(shí)例化教學(xué)內(nèi)容改革及經(jīng)濟(jì)型仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建三大方面進(jìn)行探討和研究，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，而且還可以改變高職院校單片機(jī)課程教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)落后的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；模擬仿真；計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

目前，我國(guó)擁有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)的高等職業(yè)院校普遍開(kāi)設(shè)有《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程。該課程既是該專(zhuān)業(yè)的核心課，也是各級(jí)各類(lèi)職業(yè)技能競(jìng)賽中的主要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

長(zhǎng)期以來(lái)，《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程的教學(xué)內(nèi)容都是從MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)出發(fā)，再到定時(shí)，計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)、存儲(chǔ)器及接口、單片機(jī)通信技術(shù)，最后再輔以幾個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)應(yīng)用。這樣的教學(xué)內(nèi)容，一方面學(xué)生學(xué)習(xí)的難度大，另一方面與企業(yè)的主體需求有一定的差距。鑒于這種現(xiàn)狀以及高職教育培養(yǎng)目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)需要，《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程必須進(jìn)行改革。

作者近期走訪的多所院校，單片機(jī)課程的教學(xué)方法依然陳舊。從教學(xué)方法上看，灌輸式課堂教學(xué)固然有它的好處，但也抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；從實(shí)驗(yàn)手段上看，多數(shù)學(xué)校沒(méi)有重視實(shí)踐教學(xué)，缺少直觀的實(shí)驗(yàn)方法。隨著硬件技術(shù)的不斷提高，那些老舊的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)臺(tái)早已無(wú)法滿(mǎn)足課程實(shí)踐的要求。最終，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，理論和實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重，學(xué)生們?nèi)狈?dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

近年來(lái)，我國(guó)正處于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井噴時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使人類(lèi)在信息的世界里獲得一個(gè)嶄新的互通方式，從而打破了原有的思維模式。讓人類(lèi)社會(huì)的信息連接方式從任何地點(diǎn)、任何時(shí)間的人與人之間的溝通和連接，擴(kuò)展到任何時(shí)間和任何地點(diǎn)物與物，人與物之間的溝通和連接。物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了信息技術(shù)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，作為新一代信息技術(shù)的代表，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)匯集、整合和連接現(xiàn)有的技術(shù)，推進(jìn)了技術(shù)的升級(jí)，給徘徊已久、疲態(tài)漸顯的信息技術(shù)帶來(lái)了新的前景和目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)精確的控制、通信和計(jì)算功能，以全面感知、互通互聯(lián)和智慧運(yùn)行為技術(shù)特征，對(duì)信息技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)，也提供了廣闊的發(fā)展空間。目前，物聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，成為下一階段IT產(chǎn)業(yè)的任務(wù)?；谶@種形式，當(dāng)今各個(gè)高?；旧纤械挠?jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)對(duì)單片機(jī)課程的教學(xué)都有了新的、緊迫的要求。在教學(xué)內(nèi)容上，一方面要迎合最新技術(shù)的發(fā)展；另一方面，還要盡可能銜接物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)課程體系，否則就會(huì)與當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r嚴(yán)重脫節(jié)，教學(xué)缺乏時(shí)效性。那么，在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，高職院校的單片機(jī)課程，如何才能體現(xiàn)出目前的新技術(shù)、新要求？對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)，如何做到單片機(jī)課程和其他專(zhuān)業(yè)課程有效貫通？如何構(gòu)建單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容，從而適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)崗位的技能需求？在現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)條件下，如何加大實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)力度，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高教學(xué)質(zhì)量？經(jīng)過(guò)多年的單片機(jī)教學(xué)工作，作者提出從以下三個(gè)方面的改革措施，解決目前單片機(jī)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題：

一、選擇合適的教材

單片機(jī)課程對(duì)高職學(xué)生來(lái)說(shuō)是一門(mén)比較難學(xué)的課程。它包括了模擬/數(shù)字電路技術(shù)、接口技術(shù)、軟件編程技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)等眾多基礎(chǔ)知識(shí)。絕大多數(shù)高職院校都在第三學(xué)期開(kāi)設(shè)本門(mén)課。這就意味著學(xué)生不可能在學(xué)習(xí)之初就掌握大量的前置內(nèi)容。因此，選擇一套難度適中、內(nèi)容全面，同時(shí)又符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教材，就顯得尤為重要。因此，在教材研究上，有如下構(gòu)思：

（一）根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，選擇一本深淺適中、理實(shí)結(jié)合、內(nèi)容新、結(jié)構(gòu)合理的教材作為學(xué)生的參考教材。教材內(nèi)容首先應(yīng)打破原有的理論體系，重構(gòu)課程內(nèi)容，用實(shí)例組織單元教學(xué)；其次，所選用的教材應(yīng)融“教、學(xué)、做”于一體，體現(xiàn)職業(yè)教育的實(shí)踐性特點(diǎn)；第三，能反映目前企業(yè)的需求，突出教材的實(shí)用性和實(shí)效性，同時(shí)貼近職業(yè)崗位的需求。

（二）為了符合高職學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，在選定了參考教材的基礎(chǔ)上，應(yīng)組織編寫(xiě)一本校內(nèi)主講教材。主講教材應(yīng)遵循職業(yè)教育的特點(diǎn)，盡可能由實(shí)訓(xùn)部分組成，包括職業(yè)導(dǎo)向、教學(xué)目的、知識(shí)講解、梳理與總結(jié)等內(nèi)容。這樣，有利于教師有重點(diǎn)地開(kāi)展教學(xué)過(guò)程，也有利于學(xué)生及時(shí)了解教材相關(guān)的職業(yè)特點(diǎn)，并且可以對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行高效率的自學(xué)。其中“職業(yè)導(dǎo)向”模塊說(shuō)明實(shí)訓(xùn)部分培養(yǎng)能力的應(yīng)用崗位；“教學(xué)目的”模塊為實(shí)訓(xùn)模塊提供學(xué)習(xí)過(guò)程指導(dǎo)；“知識(shí)梳理與總結(jié)”模塊將主要內(nèi)容進(jìn)行提煉與歸納，以便學(xué)生能夠進(jìn)行復(fù)習(xí)總結(jié)。在主講教材編寫(xiě)過(guò)程中，應(yīng)采用近年來(lái)單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所用的流行語(yǔ)言，同時(shí)將其融合到各個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中去，避免單獨(dú)講解編程語(yǔ)言。在敘述方式上，避免刻板的描述文字，盡量使用與實(shí)踐相關(guān)的圖、表，在列出必備的器件清單等細(xì)節(jié)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手完成設(shè)計(jì)。原理性?xún)?nèi)容敘述簡(jiǎn)約，將一些知識(shí)轉(zhuǎn)變成小問(wèn)答，小技能等方式進(jìn)行描述，增加教材表現(xiàn)形式和可讀性。在教材的配套資源上，應(yīng)配備相應(yīng)的教學(xué)課件及所有實(shí)訓(xùn)的演示程序，將程序盡可能詳細(xì)地加入注釋?zhuān)奖銓W(xué)生學(xué)習(xí)。

二、重構(gòu)課程內(nèi)容。用實(shí)例組織單元教學(xué)

在實(shí)際生活中，處處都可以看見(jiàn)單片機(jī)的影子。但是，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生們普遍反應(yīng)課程太抽象、難以理解。因此，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)高職教育培養(yǎng)高端技能型人才的目標(biāo)，結(jié)合高職學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，遵循由淺人深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的認(rèn)知規(guī)律，以學(xué)生為教學(xué)主體，通過(guò)一個(gè)個(gè)典型的單片機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)例，逐步引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手完成設(shè)計(jì)。這樣，可以收到很好的教學(xué)效果，也很容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)，都是先介紹MCS.5l系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，接著學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，然后講述單片機(jī)的中斷系統(tǒng)和各種外圍器件的應(yīng)用，最后再輔以2～3個(gè)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)例。以這樣的方式展開(kāi)教學(xué)，學(xué)生們肯定會(huì)感到難學(xué)。試想一下，對(duì)于剛剛步入高職二年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們很可能都沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，甚至連數(shù)字電路也是起步不久。而要他們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)理解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且還能加以應(yīng)用，這著實(shí)不是一件容易的事。另外，以往的單片機(jī)教學(xué)中，程序都是采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)的。用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用程序雖然靈活，但是對(duì)與剛剛接觸的人來(lái)說(shuō)，是非常不容易理解的。比如，Intel 805l單片機(jī)，它的指令系統(tǒng)共有111條匯編指令、42種助記符、7種尋址方式。如果講解過(guò)程還是采用匯編語(yǔ)言，由內(nèi)部結(jié)構(gòu)到指令系統(tǒng)再到設(shè)計(jì)實(shí)例這個(gè)步驟進(jìn)行，那么，在講解程序時(shí)，只能使用文字說(shuō)明的方法開(kāi)表達(dá)每條匯編指令的功能及作用。最后，當(dāng)所有的內(nèi)容學(xué)完后，學(xué)生們甚至還沒(méi)弄明白MOVP0，#0FFH和MOV P0，#00H兩條指令，怎么就能使連接在單片機(jī)P0端口的8只LED點(diǎn)亮或熄滅？所以，這種程序設(shè)計(jì)方法很難掌握。如果學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的疑問(wèn)太多，而又得不到及時(shí)有效地解決，就會(huì)喪失學(xué)習(xí)的信心，失去繼續(xù)學(xué)習(xí)下去的興趣。

因此，依照高職學(xué)生的特點(diǎn)，課程內(nèi)容應(yīng)將單片機(jī)軟、硬件相關(guān)知識(shí)與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技能相融合，將陳舊的教學(xué)內(nèi)容打亂，重構(gòu)成若干個(gè)教學(xué)模塊，形成“訓(xùn)練任務(wù)+相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)”的課程結(jié)構(gòu)體系。學(xué)生可以在動(dòng)手“做”的過(guò)程中，學(xué)習(xí)到該任務(wù)涉及到的單片機(jī)原理與結(jié)構(gòu)，獲得有關(guān)實(shí)踐操作的技巧和經(jīng)驗(yàn)。再進(jìn)一步將這些學(xué)習(xí)到的知識(shí)、技巧和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到復(fù)雜一些的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)中。學(xué)生在這種“做中學(xué)、學(xué)中練”的認(rèn)知活動(dòng)中獲得很大的成就感和學(xué)習(xí)樂(lè)趣。在具體的實(shí)施過(guò)程中，最好是在具有實(shí)物投影的理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)室內(nèi)組織。教學(xué)時(shí)，先按照任務(wù)要求，搭建好硬件電路，將目標(biāo)文件下載至單片機(jī)中（也可進(jìn)行仿真演示），讓學(xué)生們觀看實(shí)際的效果，并理解任務(wù)要求的真實(shí)含義，以便在一開(kāi)始就激發(fā)出學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣。然后引導(dǎo)學(xué)生一邊實(shí)操，一邊學(xué)習(xí)理論，直至任務(wù)完成，讓學(xué)生在“做”中體會(huì)和總結(jié)單片機(jī)的應(yīng)用。同時(shí)，單片機(jī)開(kāi)發(fā)用匯編語(yǔ)言的局限性必須打破。為符合“縮短開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)速度，降低開(kāi)發(fā)成本”的實(shí)際要求，迎合企業(yè)中進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主流語(yǔ)言，課程教學(xué)的程序設(shè)計(jì)全部采用c語(yǔ)言進(jìn)行，并把相關(guān)c語(yǔ)言知識(shí)融合在工作任務(wù)中，避免了把c語(yǔ)言單獨(dú)講解，而且老師易教，學(xué)生易學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)操中逐步掌握編程的方法，達(dá)到學(xué)以致用。這樣，以若干個(gè)由淺人深的任務(wù)項(xiàng)目為教學(xué)核心，為這些任務(wù)配備必須掌握的基礎(chǔ)原理及硬件結(jié)構(gòu)、軟件操作知識(shí)等，讓學(xué)生們一開(kāi)始就能得到感性的認(rèn)識(shí)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中逐步體會(huì)到成功的喜悅。職業(yè)教育的培養(yǎng)對(duì)象習(xí)慣于實(shí)際操作，通過(guò)實(shí)踐的體驗(yàn)去感知一些基本的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)，在此感性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，他們很容易理解和掌握理論知識(shí)和方法，進(jìn)而學(xué)會(huì)如何分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。這樣，將十分有利于教學(xué)活動(dòng)的順利開(kāi)展。

三、建立仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。降低準(zhǔn)入門(mén)檻

單片機(jī)是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，想要學(xué)好單片機(jī)，最重要的是理論基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)與模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，必須要有強(qiáng)有力的實(shí)踐環(huán)節(jié)與之配合。在目前的單片機(jī)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)往往依賴(lài)陳舊的實(shí)驗(yàn)箱或購(gòu)買(mǎi)的單片機(jī)學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)板。這兩種方式，價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較昂貴，很多經(jīng)費(fèi)有限的學(xué)校來(lái)說(shuō)，難以做到學(xué)生人手一機(jī)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)門(mén)檻提高，多數(shù)學(xué)生難以跨人單片機(jī)學(xué)習(xí)的大門(mén)。鑒于這些原因，課程所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真操作。仿真軟件使用近年來(lái)普遍采用的Proteus-7.8，目前主流計(jì)算機(jī)既可流暢運(yùn)行。

按照授課的主要模塊內(nèi)容，逐步繪制實(shí)驗(yàn)仿真電路圖，當(dāng)全部授課內(nèi)容結(jié)束后，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)用電路圖。將編譯成功的軟件直接放人，可進(jìn)行各個(gè)授課內(nèi)容的仿真，大大減少了單片機(jī)課程學(xué)習(xí)的成本和入門(mén)的難度。

仿真硬件部分的內(nèi)容還可以進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)于單片機(jī)教學(xué)來(lái)說(shuō)，要使學(xué)生能夠真正掌握，在經(jīng)費(fèi)充足的情況下，最好使用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行。在具體操作過(guò)程中，可根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際以及課程進(jìn)展情況，將上面形成的仿真電路，由學(xué)生自己制作成實(shí)際的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板。雖然學(xué)生自己做的實(shí)驗(yàn)板沒(méi)有太多的功能，也不美觀，甚至還有許多損壞的部分，但是學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手，不僅能夠了解單片機(jī)的各個(gè)引腳與外圍硬件電路是如何連接的，而且還訓(xùn)練了學(xué)生器件焊接的能力，讓他們?cè)谳p松、有趣的教學(xué)環(huán)境中學(xué)習(xí)單片機(jī)的原理及外圍硬件電路的知識(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣。

上述三方面的教學(xué)改革，立足實(shí)踐，不斷豐富課程的實(shí)踐化，使枯燥的理論知識(shí)具體化、形象化。這種任務(wù)驅(qū)動(dòng)、理實(shí)結(jié)合、軟硬同步、循序漸進(jìn)的教學(xué)模式充分激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，提升了學(xué)生的理論水平和動(dòng)手能力。學(xué)生的崗位意識(shí)和新技術(shù)應(yīng)用意識(shí)均得到明顯的提升。