基于自主學(xué)習(xí)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

伍馮潔 肖忠 吳澤芳

摘 要：文中介紹目前國(guó)內(nèi)高校常用的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展方式及對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中引入自主學(xué)習(xí)的理念，在現(xiàn)有單片機(jī)自制設(shè)備基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)及制作了單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，并詳細(xì)介紹了該平臺(tái)的搭建過(guò)程及開(kāi)展自主學(xué)習(xí)的方法。經(jīng)該校三屆電氣專(zhuān)業(yè)應(yīng)用表明：該方法能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)與動(dòng)手的積極性，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí);也能滿(mǎn)足不同學(xué)習(xí)層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，實(shí)現(xiàn)因材施教，從而顯著提高單片機(jī)課程整體教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí)平臺(tái);實(shí)踐教學(xué);單片機(jī);教學(xué)改革 ;LED;A/D采樣

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-0-03

0 引 言

單片機(jī)是高等教育工科電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，它既有自身的理論體系，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性[1-2]。在講授該門(mén)課程時(shí)，往往采用理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，其中前者為后者提供必要的單片機(jī)理論支撐，后者通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單片機(jī)理論的正確性，兩者相輔相成，使學(xué)生深刻理解單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)及熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技能。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展方式及問(wèn)題分析

受高校辦學(xué)理念、人才培養(yǎng)計(jì)劃與硬件設(shè)備條件等因素的影響，目前國(guó)內(nèi)高校在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方面一般采用實(shí)驗(yàn)箱/實(shí)驗(yàn)板、虛擬仿真或自制設(shè)備等教學(xué)方法[3]，其中具體情況及優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

（1）實(shí)驗(yàn)箱/實(shí)驗(yàn)板。采用專(zhuān)業(yè)儀器設(shè)備公司提供的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱/開(kāi)發(fā)板，具有軟硬件平臺(tái)穩(wěn)定、課程資料齊全、售后技術(shù)支持等優(yōu)勢(shì)，教師備課及上課較輕松，學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課時(shí)往往只需把例程調(diào)用出來(lái)運(yùn)行一遍即可，是目前單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)采用最廣泛的一種教學(xué)方式[4]。但因其硬件資源的有限性及固定性，該教學(xué)方法更適用于單片機(jī)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性、綜合性與擴(kuò)展性不強(qiáng)。

（2）虛擬仿真。采用專(zhuān)業(yè)的單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件（如proteus）能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)及其外圍電路的共同仿真[5]，具有成本低、易于維護(hù)、不受硬件資源限制、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限或?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)缺乏的學(xué)校。但因仿真只是單片機(jī)系統(tǒng)理想狀態(tài)下達(dá)到的效果，而在實(shí)際應(yīng)用中單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)受到外界的各種干擾，該方法較容易導(dǎo)致學(xué)生仍停留在單片機(jī)理論層面上，動(dòng)手能力仍缺乏，往往達(dá)不到單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)預(yù)期教學(xué)效果。

（3）自制設(shè)備。由學(xué)生把單片機(jī)和其他外圍元器件焊接在萬(wàn)能板上，學(xué)生以焊接完成的單片機(jī)電路板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成課程要求的系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[6]。該方法能充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，最大化發(fā)揮學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力起積極作用。但因每個(gè)班級(jí)學(xué)生的整體水平參差不齊，往往導(dǎo)致學(xué)生所焊接的單片機(jī)電路板質(zhì)量差別較大，部分焊接技術(shù)及硬件功底差的學(xué)生，他們焊接完成的電路板往往存在較多硬件問(wèn)題，有些甚至無(wú)法正常下載或正常運(yùn)行程序，這無(wú)疑直接增加任課老師的工作量，同時(shí)也是對(duì)任課老師專(zhuān)業(yè)水平和動(dòng)手能力的新考驗(yàn)。

2 單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)構(gòu)建

通過(guò)以上內(nèi)容分析，發(fā)現(xiàn)目前常用單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法主要存在以下問(wèn)題，進(jìn)而影響整體教學(xué)效果：采用平臺(tái)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)箱/實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生往往只是把廠家提供的實(shí)驗(yàn)程序在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上驗(yàn)證一遍即可，極大限制了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí)，特別對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，該方法存在的弊端更加凸顯;采用虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生只是實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)電路原理圖的程序仿真，而缺乏對(duì)單片機(jī)實(shí)際硬件電路的認(rèn)識(shí)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，不利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力;采用由學(xué)生焊接的自制設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，由于學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能與動(dòng)手能力差異性較大，容易導(dǎo)致教學(xué)效果兩極分化，即好的更好，差的更差。

為了充分發(fā)揮學(xué)生主觀學(xué)習(xí)能動(dòng)性，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力，本文充分借鑒目前常用單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，擬在自制設(shè)備實(shí)踐教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，引入自主學(xué)習(xí)理念[7]，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有單片機(jī)自主設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，搭建單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，以降低學(xué)生制作單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的難度。學(xué)生在該平臺(tái)上能根據(jù)個(gè)人興趣和能力，自主設(shè)計(jì)和開(kāi)展常規(guī)性及創(chuàng)新性單片機(jī)實(shí)驗(yàn)[8]，既保證了單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的先進(jìn)性與創(chuàng)造性，又使大部分學(xué)生能夠順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)由單片機(jī)核心模塊及若干個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊組成[9-11]，如圖1所示。

3 單片機(jī)自主學(xué)習(xí)開(kāi)展與效果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)以單片機(jī)模塊為核心，配以常用接口模塊及擴(kuò)展模塊，參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生按照層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)方法開(kāi)展單片機(jī)自主學(xué)習(xí)任務(wù)。

（1）搭建單片機(jī)核心系統(tǒng)，并開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。單片機(jī)核心系統(tǒng)主要包括單片機(jī)核心模塊、供電模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、LED與數(shù)碼管顯示模塊、A/D采樣模塊等，可完成單片機(jī)內(nèi)部操作、I/O輸入輸出、流水燈、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、外部中斷、鍵盤(pán)顯示、A/D采樣、自收發(fā)串行通信等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。首先，把單片機(jī)核心系統(tǒng)包括的所有元器件，按照自上到下，先低后高的原則焊接在PCB基板上;其次，根據(jù)電路實(shí)現(xiàn)原理，將相關(guān)元器件的引腳用杜邦線(xiàn)連接起來(lái)，并進(jìn)行電氣連接正確性檢查;最后，編寫(xiě)相關(guān)功能程序，編譯、下載程序到單片機(jī)后，觀察程序運(yùn)行現(xiàn)象，并記錄、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求修改程序代碼，以實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)效果。

（2）循序漸進(jìn)逐步完成平臺(tái)搭建，開(kāi)展課內(nèi)拓展性實(shí)驗(yàn)。在單片機(jī)核心系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)進(jìn)度及效果，以功能模塊為單位，循序漸進(jìn)，逐步把蜂鳴器、串行通信、LCD顯示、溫度控制等模塊搭建完成，并在已有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展課內(nèi)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，能分別完成單片機(jī)聲頻輸出與控制、上下位機(jī)串行通信、液晶顯示控制、溫度采集與控制等擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（3）學(xué)有余力，開(kāi)展課外創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。部分基礎(chǔ)扎實(shí)與動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，在完成課內(nèi)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還可以通過(guò)單片機(jī)核心模塊外擴(kuò)部分常用模塊，如溫濕度傳感器、紅外熱釋傳感器、超聲波傳感器、藍(lán)牙、WiFi、GPS定位、ZigBee或GPRS無(wú)線(xiàn)通信等模塊，完成相應(yīng)傳感器的采集傳輸與分析處理，真正做到因材施教，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐教學(xué)的積極性，為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造性人才創(chuàng)造條件。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

筆者將該平臺(tái)及方法應(yīng)用在本校電氣專(zhuān)業(yè)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中，2016—2018年期間，約540位學(xué)生使用該單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證性、綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。每位學(xué)生能根據(jù)自身能力與知識(shí)構(gòu)造，自主搭建及完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)有余力的少數(shù)同學(xué)除了完成任課老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)外，還能在該平臺(tái)上開(kāi)展系列拓展性實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新創(chuàng)造性項(xiàng)目。該單片機(jī)能很好地滿(mǎn)足不同層次學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)需求，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果。

學(xué)生應(yīng)用本文單片機(jī)平臺(tái)開(kāi)展自主學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)積極性與動(dòng)手能力明顯提高，2018年間，學(xué)生課后申請(qǐng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放人數(shù)比往年增加了約600人次;學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目及課外科技競(jìng)賽（如挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計(jì)大賽等）的人數(shù)比往年增加了約20%;此外，學(xué)生畢業(yè)后從事單片機(jī)開(kāi)發(fā)工作的比例比往年上升了約15%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中引入自主學(xué)習(xí)，采用層次化內(nèi)容教學(xué)方法，由學(xué)生獨(dú)立地對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析、探索、實(shí)踐、質(zhì)疑和創(chuàng)造等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)，不僅實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，滿(mǎn)足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，真正做到因材施教，還使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，顯著提高了學(xué)生整體的動(dòng)手能力及單片機(jī)整體實(shí)踐教學(xué)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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