單片機課程實踐與理論教學(xué)的深入分析與改革應(yīng)用

段凌飛 黃健全 張宏橋

湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 湖南郴州 423000

隨著我國網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、芯片技術(shù)等的迅猛發(fā)展，現(xiàn)如今大部分設(shè)備都采用了單片機進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)備中高新技術(shù)使用越來越多，面對發(fā)展快速的知識與技能，傳統(tǒng)單片機原理及應(yīng)用課程教學(xué)知識體系已相形見絀。目前許多高校也在進行本課程教學(xué)改革，如項目式教學(xué)、仿真教學(xué)[1,2]等，其主導(dǎo)思想是增強實踐在教學(xué)過程中的比重，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)動手能力，但在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)備上鮮有改變，許多知識已經(jīng)脫離當(dāng)前技術(shù)發(fā)展。

1 單片機課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)落后、教程老舊

單片機技術(shù)是智能化、自動化設(shè)備的核心，而較多高校對單片機講授知識依舊停留在20世紀(jì)90年代51架構(gòu)技術(shù)上，內(nèi)容與當(dāng)前科技發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，實驗箱陳舊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往“很復(fù)雜”的實驗如AD轉(zhuǎn)換、PWM信號產(chǎn)生、DA轉(zhuǎn)換、常用總線接口等采用當(dāng)前較先進單片機處理器而變得簡單。一些實用技術(shù)如USB接口、無刷電機驅(qū)動、矢量PWM、CAN通訊、攝像頭、彩色顯示器、網(wǎng)路通訊等實驗項目在傳統(tǒng)的51架構(gòu)單片機上難以進行。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)方法落后

在傳統(tǒng)教學(xué)中，理論教學(xué)與實踐教學(xué)通常是主輔關(guān)系，理論重于實踐。雖然目前許多高校提出增加實踐教學(xué)課時、減少理論課時的建議，但由于教學(xué)方式落后，收效甚微，依舊按照教材目錄的先后順序進行，從芯片發(fā)展、硬件結(jié)構(gòu)原理及指令系統(tǒng)到匯編語言程序設(shè)計方法，最后進行端口、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、串口技術(shù)等應(yīng)用講解。導(dǎo)致學(xué)生在上了大部分課程后，還未見到單片機的真面目[3]。一門應(yīng)用技能型課程變得抽象，學(xué)生對所學(xué)知識覺得枯燥、乏味。

1.3 與專業(yè)知識缺乏聯(lián)系

在眾多專業(yè)理論課結(jié)束后，較多學(xué)生對所學(xué)知識感到空乏無力，理論與實踐缺乏聯(lián)系。單片機作為電子信息、電氣工程、自動化等工科專業(yè)必修課是理論連通實踐很好的橋梁[4]，可將數(shù)學(xué)、電路技術(shù)、信號與系統(tǒng)、電力電子技術(shù)、自動控制、計算機控制、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊、機器人技術(shù)等理論知識變成可視的現(xiàn)象、作品或設(shè)備，讓學(xué)生更好地理解理論如何應(yīng)用于實踐。

1.4 教學(xué)對象不斷變化

學(xué)生常常會說“我們知道我們是被教過的最差的一屆”，許多教師在教學(xué)過程中會感受到“學(xué)生一屆不如一屆”，其實這是社會發(fā)展的必然結(jié)果[5]。隨著科技、社會文化、經(jīng)濟的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)知識大爆炸、通訊工具的轉(zhuǎn)變，使得教學(xué)對象也在不斷變化，典型如學(xué)生上課玩手機、學(xué)生交流互動差等。

2 教學(xué)內(nèi)容的改革

2.1 教材的改革—選擇合適的單片機處理器

單片機課程教材選用的處理器要符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，同時兼顧學(xué)生的知識基礎(chǔ)。目前單片機處理器適合初級階段學(xué)習(xí)的有STM32F1系列處理器、TI的MSP430系列處理器、ATMEL的AVR系列處理器等，其性能比較如表1所示。STM32F1系列處理器屬于32位處理器，其功能強大、資源豐富，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，知識面大，需要太多新的專業(yè)技術(shù)可能導(dǎo)致沒有單片機基礎(chǔ)知識的學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒且完整的學(xué)習(xí)對課時要求較多。TI的MSP430系列處理器屬于16位精簡指令系統(tǒng)處理器，作為低功耗產(chǎn)品設(shè)計的代表，同樣具有開發(fā)難度較大的特點。相比之下，ATMEL的AVR系列處理器屬于高性能，低功耗的8位精簡指令處理器，是采用哈佛結(jié)構(gòu)、精簡指令集的高速8位單片機，在市場上占有率比較高，其內(nèi)部資源豐富，開發(fā)容易，適合于教學(xué)[6]。結(jié)合目前技術(shù)的發(fā)展，本教學(xué)過程采用AVR系列中的ATMEGA16處理器教材進行教學(xué)。

表1 目前常用處理器的性能比對(選取系列中相似一款比較)

2.2 教學(xué)手段的改革—仿真與實物演示相結(jié)合

近年來，采用課堂仿真和課本結(jié)合的項目式教學(xué)方式越來越多，其優(yōu)點在于課堂講解知識能方便地呈現(xiàn)給學(xué)生，大部分項目可通過仿真完成。仿真教學(xué)過程中程序下載和運行得益于計算機模擬，實現(xiàn)得非常容易。但它同時具備一些缺陷，如硬件時鐘無需配置、無復(fù)位電路也可正常運行；數(shù)碼管、點陣、液晶等器件同實物差別較大；對涉及運動機構(gòu)反饋、溫濕度測試等無法仿真實踐過程；通訊仿真差，串行接口仿真缺乏物理鏈路操作，紅外通訊、USB、網(wǎng)絡(luò)、CAN、SD卡項目等無法進行。

結(jié)合仿真的優(yōu)點，采用仿真與實物演示相結(jié)合的方式教學(xué)，在項目仿真后，有對應(yīng)實物演示過程，讓學(xué)生了解實踐操作過程同仿真的區(qū)別，更好地取長補短。對于仿真無法進行的項目，還可采用純硬件進行。

2.3 教學(xué)安排的改革—設(shè)計迎合學(xué)生、理論貫穿于實踐、多課程知識融合項目

本課程為技能型課程，可以很直觀地將學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化地展現(xiàn)給學(xué)生，趣味性濃，但需要學(xué)生不斷實踐才能掌握。課程的安排采用理論貫穿實踐的項目式教學(xué)，學(xué)生實踐占據(jù)整個課程課時的四分之三以上。針對學(xué)生群體的特點，課程可通過展示水立方LED陣列、循跡小車、平衡車、倒立擺、MP3播放器等可視性強、趣味性高、學(xué)生容易理解的作品，讓其感受到科技感和趣味感，進而通過由簡單到復(fù)雜的項目一步步實現(xiàn)，將單片機原理及結(jié)構(gòu)理論學(xué)習(xí)穿插其中。

進行專業(yè)多課程知識融合項目設(shè)計，更好地理解單片機應(yīng)用。如學(xué)習(xí)定時器的定時、PWM技術(shù)、脈沖捕獲時，設(shè)計電子琴、直流電機調(diào)速項目；學(xué)習(xí)ADC轉(zhuǎn)換時設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源項目；學(xué)習(xí)IIC總線通訊時設(shè)計EEPROM數(shù)據(jù)存儲、六軸陀螺儀傳感器應(yīng)用項目；學(xué)習(xí)串口通訊時，設(shè)計計算機遠(yuǎn)程控制項目和GSM/GPRS無線通訊項目等。項目涉及電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、自控原理控制算法、信號與系統(tǒng)的信號處理、高等數(shù)學(xué)的比例積分微分、模擬電子技術(shù)的信號處理、通訊原理的無線通訊技術(shù)等知識。

2.4 實驗設(shè)備的改革—靈活方便地自制設(shè)備，增加學(xué)生參與度和設(shè)計感

傳統(tǒng)的實驗設(shè)備一個試驗箱上集成了許多模塊，端口重復(fù)使用使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理復(fù)雜，學(xué)生理解難度大。實驗過程中，往往只按照實驗指導(dǎo)書的接線說明接線，沒有參與和設(shè)計。為了更好地讓學(xué)生理解單片機系統(tǒng)的設(shè)計過程，提高參與性，根據(jù)課程項目安排對實驗設(shè)備進行重新設(shè)計，將實驗設(shè)備分為核心板、初級實驗板、高級實驗板3個部分，實驗工具包含USB轉(zhuǎn)串口、下載器或調(diào)試器、AC/DC電源等。核心板處理器所有端口采用2.54 mm排針引出，將通過杜邦線與實驗板連接(如圖1所示)。實驗板采用分立?；O(shè)計，兼容5 V和3.3 V供電系統(tǒng)。初級實驗板包括流水燈、交通燈、數(shù)碼管顯示、點陣顯示、步進電機驅(qū)動、繼電器控制、LCD顯示、按鍵、PWM電機調(diào)速、PWM音樂播放、IIC通訊、AD電壓采集、DA輸出、紅外接收等實驗?zāi)K，涵蓋所有單片機課程的基礎(chǔ)實驗。高級實驗板則具有USB、網(wǎng)絡(luò)、SD卡、RS485通訊、CAN通訊、PS2通訊、MP3解碼、Zigbee通訊、WIFI、2.4G、GSM/GPRS通訊等實驗?zāi)K，可以提供學(xué)生進一步學(xué)習(xí)使用。所有實驗需要學(xué)生自行分配端口和采用杜邦線連接核心板與實驗板對應(yīng)實驗?zāi)K，充分讓學(xué)生參與設(shè)計，理解所做實驗的原理和外設(shè)與單片機之間的連接方式。同時，根據(jù)教學(xué)需求更換處理器時，實驗板依舊可以使用，無需重新設(shè)計或購買新的實驗設(shè)備。

圖1 核心板和基礎(chǔ)實驗板

3 實施過程與效果

上述的教學(xué)改革辦法采取小班制改革試點后進行推廣。2012年至2014年間，從我院每屆新生抽取一個班作為教學(xué)改革試點。實施后與其他班級比較發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在單片機學(xué)習(xí)過程中，表現(xiàn)出非常好的學(xué)習(xí)興趣，主動參與積極性提高，一大部分學(xué)生可以在課程完成后自發(fā)地學(xué)習(xí)ARM、嵌入式等技術(shù)，并在使用新的處理器過程中，能快速入門和使用。結(jié)合改革試點班級學(xué)生的反饋，從2015年至今，在不斷完善修改教學(xué)的項目和內(nèi)容后，在我院所有單片機課程教學(xué)班級進行推廣。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從以前教學(xué)實施過程越來越難變成對上課的內(nèi)容不斷往后延伸，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性得到提高。采用單片機進行課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計有顯著增加，部分學(xué)生能自行設(shè)計循跡小車、倒立擺、平衡小車、開關(guān)電源等較復(fù)雜作品，能進行軟件的快速傅里葉變換、矩陣變換、數(shù)字濾波、PID、模糊控制等算法的編寫，對專業(yè)課程的實踐運用理解更為深刻。圖2為對我院某屆所有學(xué)生243人進行調(diào)查的結(jié)果。

圖2 單片機教改學(xué)習(xí)效果調(diào)查

同時，本課程的改革對各種競賽也有一定的影響，從2012年至今，在大范圍推廣后，我院學(xué)生采用單片機進行的大學(xué)生各種競賽、項目設(shè)計、專利申請有明顯提高，其效果見表2所示。

表2 教改后學(xué)生采用單片機進行的競賽、項目及專利成果表

表2 (續(xù))

4 結(jié)語

2015年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》指出：要健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系，創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制，強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐，加強教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)能力建設(shè)，改革教學(xué)方法和考核方式，完善政策保障體系[7]。通過對單片機教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)設(shè)備的改革，經(jīng)過多次調(diào)整與設(shè)計，不僅讓學(xué)生接觸到前沿科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)、自我提高的能力，也將各種專業(yè)知識進行了很好的連接，為更好地培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力的學(xué)生提供幫助。在教學(xué)改革過程中，教師教學(xué)項目設(shè)計過程中對先進技術(shù)的了解提高了教師的專業(yè)素養(yǎng)，加強了教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)能力，為將來教學(xué)不斷改革提供了有利條件，為“雙一流”高校建設(shè)添磚加瓦。