可視化設(shè)計(jì)在職業(yè)院校單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用探索

李波　屈原　董志敏

[摘? ? ? ? ? ?要]? 提出將 Arduino工程的可視化設(shè)計(jì)應(yīng)用在職業(yè)院校單片機(jī)教學(xué)中，分析傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)的現(xiàn)狀，指出Arduino工程可視化設(shè)計(jì)在單片機(jī)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。教學(xué)實(shí)踐表明，應(yīng)用可視化設(shè)計(jì)后單片機(jī)教學(xué)能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及分析解決實(shí)際問題的能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? Arduino工程;可視化設(shè)計(jì);教學(xué)

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）09-0070-02

一、引言

Arduino平臺(tái)在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)行業(yè)。在國(guó)外，印度研究學(xué)者論證并分析了將Arduino作為一門高中生學(xué)習(xí)課程的可行性[1]，Michael McRoberts的著作Beginning Arduino對(duì)Arduino的應(yīng)用涉及工科類多個(gè)領(lǐng)域[2]。在國(guó)內(nèi)，對(duì)Arduino平臺(tái)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。王勝研究[3]將Arduino平臺(tái)應(yīng)用到無(wú)線通訊上，張麗芳將Arduino控制板與教育機(jī)器人的內(nèi)置系統(tǒng)進(jìn)行整合，不僅優(yōu)化了系統(tǒng)的性能，也降低了成本[4]。上海交通大學(xué)繆璐璐老師使用Arduino平臺(tái)開發(fā)交互式產(chǎn)品[5]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)“雙創(chuàng)”人才的需求越來(lái)越多，職業(yè)院校需要培養(yǎng)“能下去、用得上”的技能型人才。教育部部長(zhǎng)陳寶生提出“堅(jiān)持內(nèi)涵發(fā)展，掀起‘課堂革命”的號(hào)召，開啟了以課堂教學(xué)改革為核心的教育改革新思路。在教學(xué)改革中，根據(jù)“實(shí)際、實(shí)用、實(shí)踐、實(shí)效”的原則設(shè)置課程內(nèi)容，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。Arduino工程的可視化設(shè)計(jì)，因其能夠很好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，因此在教育界備受追捧，成為教育界關(guān)注的熱點(diǎn)。

二、傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)的現(xiàn)狀

職業(yè)院校學(xué)生普遍存在文化底蘊(yùn)較低、基礎(chǔ)知識(shí)薄弱、學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差、家庭條件一般、幸福指數(shù)較低等問題，導(dǎo)致“歷史欠賬”越來(lái)越多的出現(xiàn)。在進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)時(shí)，由于目前采用的是傳統(tǒng)單片機(jī)工程開發(fā)，學(xué)生需要大量的軟件和硬件方面的知識(shí)儲(chǔ)備，使教學(xué)難度越來(lái)越大，這是職業(yè)教育進(jìn)行教學(xué)改革亟待解決的問題。

我院最初單片機(jī)課程的教學(xué)過程是：先講單片機(jī)的硬件知識(shí)，然后是軟件知識(shí)，最后介紹單片機(jī)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，這個(gè)過程中在實(shí)驗(yàn)箱上做一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路是固定的，學(xué)生只需完成接線、編寫較為簡(jiǎn)單的程序，學(xué)生學(xué)習(xí)的狀態(tài)是“知其然卻不知其所以然”，學(xué)習(xí)興趣越來(lái)越不濃厚。后來(lái)為了教學(xué)更加形象直觀，在單片機(jī)課程前讓學(xué)生學(xué)習(xí)Proteus和Keil軟件，提出基于“Proteus+Keil”虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，該教學(xué)方法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但是學(xué)生對(duì)Proteus和Keil軟件的學(xué)習(xí)耗時(shí)較長(zhǎng)，基礎(chǔ)差的學(xué)生不能很好地應(yīng)用這兩個(gè)軟件。

8位單片機(jī)有著非常繁瑣和復(fù)雜控制邏輯，對(duì)32位單片機(jī)的開發(fā)周期更是漫長(zhǎng)，工作量也是很大的。關(guān)于目前單片機(jī)的教學(xué)方法，學(xué)生需要一定的單片機(jī)相關(guān)的硬件和軟件知識(shí)。經(jīng)過半學(xué)期的學(xué)習(xí)，硬件知識(shí)基本掌握，通過一學(xué)期語(yǔ)言的學(xué)習(xí)掌握了編程語(yǔ)言后，學(xué)生又會(huì)遇到一個(gè)困擾就是發(fā)現(xiàn)軟件和硬件的結(jié)合依舊是一個(gè)難點(diǎn)，這使學(xué)生越來(lái)越?jīng)]有成就感。

三、Arduino工程可視化設(shè)計(jì)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)代職業(yè)教育以就業(yè)為導(dǎo)向，以實(shí)用為原則，以崗位需求為目標(biāo)。貫徹這一理念，將Arduino工程可視化設(shè)計(jì)應(yīng)用在單片機(jī)教學(xué)中，使學(xué)生在嘗試使用這個(gè)工具完成教學(xué)任務(wù)、設(shè)計(jì)出實(shí)用系統(tǒng)的過程中，學(xué)生每完成一個(gè)任務(wù)就會(huì)有成就感，他們直接感受到該課程的用途，他們由外部需要向內(nèi)部動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化，從而改變學(xué)生單片機(jī)課程學(xué)習(xí)的消極局面。

單片機(jī)課程采用項(xiàng)目教學(xué)方法，每次課教師布置任務(wù)，然后和學(xué)生分析任務(wù)，對(duì)任務(wù)需要的單片機(jī)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解，對(duì)照實(shí)物給學(xué)生講解微控制器的基本架構(gòu)，讓學(xué)生進(jìn)行技能訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)任務(wù)，通過在流程圖中，編寫任何應(yīng)用程序來(lái)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)。應(yīng)用可視化教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生在完成任務(wù)過程中不僅不需要了解單片機(jī)內(nèi)部工作原理，也不需要熟練掌握一門編程語(yǔ)言。設(shè)計(jì)過程中，軟件能將流程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為源代碼命令，學(xué)生可以看到他們的流程圖是如何在代碼中表示的，提前完成任務(wù)的學(xué)生和基礎(chǔ)較好的學(xué)生可以繼續(xù)在Proteus VSM工作環(huán)境下用“C++”或匯編語(yǔ)言對(duì)同一個(gè)硬件進(jìn)行編程，這樣對(duì)語(yǔ)言的應(yīng)用學(xué)習(xí)起來(lái)也快了很多。

以基于Arduino工程的可視化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)LED路燈為例來(lái)說明該方法的優(yōu)勢(shì)。LED路燈的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。LED路燈硬件有亮度傳感器模塊和LED模塊，原理圖如圖1所示。

當(dāng)白天亮度傳感器讀取的光的亮度大于300時(shí)，LED熄滅，當(dāng)晚上亮度傳感器讀取的光的亮度小于等于300時(shí)，LED變亮，流程圖如圖2所示。

四、結(jié)論

本文提出的基于Arduino可視化設(shè)計(jì)，使單片機(jī)課程學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)非常簡(jiǎn)單、直觀、交互性很強(qiáng)。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)課課上效率高了很多，“低頭族”現(xiàn)象越來(lái)越少，學(xué)生思考問題和解決問題的能力得到提高。這樣單片機(jī)課程依托調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性推進(jìn)教學(xué)改革，花費(fèi)最小的教育成本，獲得最大的教育教學(xué)質(zhì)量效益，符合能力本位、以學(xué)生職業(yè)實(shí)踐技能培養(yǎng)為第一要?jiǎng)?wù)的現(xiàn)代職業(yè)教育的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nourbakhsh，I.，Crowley，K.，etal. The Robotic Autonomy Mobile Robotics Course： Robot Design，Curriculum Design and Educational Assement[J].Autonomous Robots，2005，18（1）：103-127.

[2]Michael McRoberts. Beginning Ardino[M].楊繼志，郭敬，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]王勝.基于Android平臺(tái)家庭數(shù)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué)，2013.

[4]張麗芳.基于STEM的Arduino機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究[D].南京師范大學(xué)，2015.

[5]繆璐璐.基于Arduino平臺(tái)開發(fā)交互式產(chǎn)品原型的研究[D].上海交通大學(xué)，2013.