基于“口袋機(jī)”的“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程開放式教學(xué)探索

馬春燕，鄭劍海，王淑紅，鄭麗君

（1. 太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2. 北京杰創(chuàng)永恒科技有限公司，北京 102200）

1 “單片機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程在電氣工程及其自動(dòng)化、能源與動(dòng)力工程、自動(dòng)化、過程裝備與控制工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等大多數(shù)工科專業(yè)中是最具有實(shí)踐性和實(shí)用性的一門課程，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力[1-3]。

目前，全國(guó)各高校“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程教學(xué)時(shí)數(shù)大多為48～64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)為6～10學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)為1～2周，多數(shù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備按1～2個(gè)班配置，即 35～70臺(tái)（套）。由于該課程的實(shí)驗(yàn)通常在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，學(xué)生需在規(guī)定的時(shí)間、地點(diǎn)，利用指定的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱完成指定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以演示性、驗(yàn)證性為主，因此學(xué)生的主動(dòng)性受到一定的限制。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常滯后于課堂教學(xué)，很難保證學(xué)生在有實(shí)驗(yàn)激情、創(chuàng)作靈感的時(shí)候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與探索。此外，傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱體積大、攜帶不便、更新周期長(zhǎng)、成本高，不可能做到人手一臺(tái)設(shè)備[4]。

以太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院為例，對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化、能源與動(dòng)力工程、自動(dòng)化三個(gè)專業(yè)開設(shè)“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程，課堂理論教學(xué)48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)2周，在校人數(shù)平均為一本 18 個(gè)班/年（560 人/年），三本 10 個(gè)班/年（320人/年）。通常情況下，實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)要在10周內(nèi)完成，而實(shí)驗(yàn)室設(shè)備只有65臺(tái)（套），空間和時(shí)間相對(duì)固定，造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)、學(xué)生人數(shù)的矛盾，也給實(shí)驗(yàn)室的工作和管理帶來較大壓力。為此，在“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的教學(xué)過程中，引進(jìn)“口袋實(shí)驗(yàn)室”概念，開發(fā)并推廣應(yīng)用“口袋機(jī)”這一便攜式的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，基于借閱式圖書管理理念，建立信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“口袋機(jī)”的借用、歸還、預(yù)約、續(xù)借等管理功能，打破傳統(tǒng)固定實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間的限制，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，讓學(xué)生動(dòng)起來、忙起來，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力和工程實(shí)踐能力。

2 “口袋實(shí)驗(yàn)室”

“口袋實(shí)驗(yàn)室”是指將實(shí)驗(yàn)設(shè)備微型化、便于攜帶，允許實(shí)驗(yàn)者自選場(chǎng)合、自選時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是一種全新的自主教學(xué)理念。2014年，“口袋實(shí)驗(yàn)室”這一概念由斯坦福大學(xué)克利夫頓（Pocket Lab創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官）首次提出，旨在設(shè)計(jì)一款能夠滿足教師和學(xué)生在課堂上方便學(xué)習(xí)和使用的實(shí)驗(yàn)裝置，這一概念一經(jīng)提出就得到了耶魯大學(xué)、斯坦福大學(xué)和TI公司的大力支持和響應(yīng)，完成了多款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)并開始推廣應(yīng)用[5-6]。

目前，我國(guó)已有少數(shù)高校的課程開始引進(jìn)“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)和管理理念，建立了“口袋實(shí)驗(yàn)室”，如清華大學(xué)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程、西安交通大學(xué)“數(shù)字電子技術(shù)”課程[7]、大連大學(xué)“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程[8]、哈爾濱工程大學(xué)—美國(guó)德州儀器“口袋實(shí)驗(yàn)室”協(xié)同創(chuàng)新基地等[9]。2018年3月，太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院與北京杰創(chuàng)永恒科技有限公司共建教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目示范基地，實(shí)施“基于借閱式實(shí)驗(yàn)硬件（口袋機(jī)）的單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容改革”項(xiàng)目，旨在調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與研發(fā)意識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)生的工程應(yīng)用、實(shí)際動(dòng)手和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

3 “口袋機(jī)”教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為解決目前傳統(tǒng)式單片機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)室存在的空間和時(shí)間相對(duì)固定、不能滿足學(xué)生“隨學(xué)、隨做”需求的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于“口袋機(jī)”的單片機(jī)原理與接口技術(shù)開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由“口袋機(jī)”主機(jī)、接口模塊、虛擬終端顯示微信小程序及借用管理系統(tǒng)組成。學(xué)生可以像借閱圖書一樣，用學(xué)生證便可借用“口袋機(jī)”和接口模塊，在寢室、圖書館、食堂、自習(xí)室等任何一個(gè)可以學(xué)習(xí)的地方，隨時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，完成課程實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新項(xiàng)目和課程設(shè)計(jì)?！翱诖鼨C(jī)”開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)全開放、全共享、課內(nèi)外一體化的自主學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺(tái)[10]，是讓學(xué)生動(dòng)起來、忙起來的有效措施和手段。

3.1 “口袋機(jī)”主機(jī)

“口袋機(jī)”主機(jī)采用核心板+底板+功能擴(kuò)展板+虛擬外設(shè)的設(shè)計(jì)理念，使開發(fā)可配置、功能可搭配，便于學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)及項(xiàng)目開發(fā)?！翱诖鼨C(jī)”尺寸為135 mm×90 mm×20 mm，體積小、便于攜帶、功耗低，可以隨時(shí)隨地邊學(xué)、邊練、邊實(shí)驗(yàn)?！翱诖鼨C(jī)”主機(jī)外形及核心板如圖1、圖2所示。

圖1 “口袋機(jī)”主機(jī)外形

圖2 “口袋機(jī)”核心板

“口袋機(jī)”主芯片采用STCmicro宏晶科技公司的IAP15W4K58S4單片機(jī)，工作電壓為2.6～5.5 V，F(xiàn)lash為58 KB，SRAM為4 KB，4個(gè)串行口，5個(gè)定時(shí)器（T0～T4），6路15位帶死區(qū)的PWM，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，E2PROM在線可編程IAP，2個(gè)DPTR數(shù)據(jù)指針，支持USB直接下載程序?！翱诖鼨C(jī)”主機(jī)可以完成的實(shí)驗(yàn)包括：

（1）發(fā)光二極管流水燈控制實(shí)驗(yàn)；

（2）I/O控制實(shí)驗(yàn)；

（3）紅外傳感器測(cè)距實(shí)驗(yàn)；

（4）獨(dú)立按鍵控制流水燈實(shí)驗(yàn)；

（5）OLED顯示控制實(shí)驗(yàn)；

（6）定時(shí)器中斷控制實(shí)驗(yàn)；

（7）SD卡讀取實(shí)驗(yàn)；

（8）串行異步通信實(shí)驗(yàn)；

（9）USB串行通信實(shí)驗(yàn)；

（10）網(wǎng)口通信實(shí)驗(yàn)。

3.2 “口袋機(jī)”接口模塊

系統(tǒng)共有13個(gè)接口模塊，尺寸為100 mm×55 mm，通過GPIO的 A口和B口（2×34 pin）與“口袋機(jī)”主機(jī)相連。接口模塊如圖3所示，“口袋機(jī)”接口模塊名稱及可完成的實(shí)驗(yàn)見表1。

圖3 “口袋機(jī)”接口模塊

表1 “口袋機(jī)”接口模塊名稱及可完成的實(shí)驗(yàn)

3.3 “口袋機(jī)”虛擬終端顯示微信小程序

“口袋機(jī)”底板上設(shè)計(jì)有Wi-Fi、藍(lán)牙、NRF24L01無線射頻單元電路，可以通過對(duì)應(yīng)的虛擬終端程序發(fā)送信息，在智能手機(jī)上顯示程序運(yùn)行結(jié)果，即虛擬終端顯示功能。使用Wi-Fi功能，可以實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的信息傳輸，便于教師演示性教學(xué)，不受時(shí)間、空間和設(shè)備限制，可以隨時(shí)發(fā)布教學(xué)信息，便于學(xué)生實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

智能手機(jī)關(guān)注微信公眾號(hào)，進(jìn)入杰創(chuàng) POK虛擬終端（見圖4），打開手機(jī)藍(lán)牙或接入Wi-Fi局域網(wǎng)，“口袋機(jī)”上網(wǎng)，搜索附近的“口袋機(jī)”設(shè)備，鏈接成功后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)列表界面，如圖 4(a)所示。以交通燈實(shí)驗(yàn)為例，點(diǎn)擊交通燈實(shí)驗(yàn)，“口袋機(jī)”開始運(yùn)行控制程序，數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙或Wi-Fi實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，全景展示“十字路口”交通燈的控制場(chǎng)景，如圖4(b)所示。

圖4 杰創(chuàng)POK虛擬終端

3.4 “口袋機(jī)”借用管理系統(tǒng)

“口袋機(jī)”借用管理系統(tǒng)，基于“借閱式圖書”管理理念，建立信息化管理平臺(tái)，學(xué)生使用學(xué)生證即可完成借用和歸還，實(shí)現(xiàn)“口袋機(jī)”的借用、歸還、預(yù)約、續(xù)借等管理功能，共享“口袋機(jī)”實(shí)驗(yàn)設(shè)備，隨借隨用，打破傳統(tǒng)固定實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間的限制，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不僅在課堂上積極動(dòng)腦學(xué)習(xí)，課后有靈感、有想法也可以拿出“口袋機(jī)”做實(shí)驗(yàn)，鞏固和拓展知識(shí)面，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和工程實(shí)踐能力。“口袋機(jī)”及接口模塊借用界面如圖5所示。

圖5 “口袋機(jī)”及接口借用界面

4 開放式教學(xué)與實(shí)踐

開放式教育的主旨是鼓勵(lì)學(xué)生積極參與教學(xué)活動(dòng)，其開放性體現(xiàn)在：開放的空間、開放的環(huán)境、開放的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、開放的態(tài)度和開放的資源運(yùn)用[11-12]。

4.1 “一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”演示教學(xué)

在課堂教學(xué)過程中，應(yīng)用“口袋機(jī)”虛擬終端顯示微信小程序，使用Wi-Fi功能，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的信息傳輸，進(jìn)行實(shí)時(shí)演示教學(xué)。教師在課堂授課過程中，可以隨時(shí)運(yùn)行“口袋機(jī)”中的程序，將有關(guān)內(nèi)容實(shí)時(shí)傳輸?shù)綄W(xué)生的智能手機(jī)上，便于學(xué)生邊聽、邊看、邊觀察。在開放的環(huán)境下，學(xué)生秉持開放的態(tài)度，隨時(shí)提出疑義，與教師互動(dòng)，即學(xué)即懂，提高學(xué)習(xí)的興趣。相比PPT課件、運(yùn)行仿真軟件（Proteus+Keil）、執(zhí)行程序等傳統(tǒng)的教學(xué)模式，開放式教學(xué)更能夠提高教學(xué)的實(shí)時(shí)性和趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)愿望。

4.2 借用“口袋機(jī)”自主實(shí)驗(yàn)

在理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，學(xué)生通過“口袋機(jī)”主機(jī)和接口模塊，把實(shí)驗(yàn)過程從固定時(shí)間、固定地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室搬移到自習(xí)室、圖書館、寢室等其他場(chǎng)合，在開放的空間和環(huán)境下，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鞏固課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，主動(dòng)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，邊學(xué)邊練，提高發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力。

在這一環(huán)節(jié)，教師只提供基本功能程序，學(xué)生可以首先運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)基本功能，而后根據(jù)教師提出的要求，進(jìn)一步修改、完善程序，擴(kuò)展功能，圖6所示為L(zhǎng)ED發(fā)光二極管控制實(shí)驗(yàn)過程。

圖6 LED發(fā)光二極管控制實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不再是簡(jiǎn)單地運(yùn)行已有的實(shí)驗(yàn)程序、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而是在實(shí)驗(yàn)過程中，由淺入深、由表及里，觀察結(jié)果、修正程序，再實(shí)驗(yàn)再修正，將所學(xué)知識(shí)前后貫通，自主地融入到實(shí)驗(yàn)過程，提升了閱讀、修改、調(diào)試和優(yōu)化程序的能力。

4.3 團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，在兩周課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，教師給出設(shè)計(jì)題目，提出設(shè)計(jì)要求，下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生自主完成一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。學(xué)生2～3人為一個(gè)設(shè)計(jì)小組，借用“口袋機(jī)”主機(jī)和接口模塊，自主選擇設(shè)計(jì)題目，按照教師提出的設(shè)計(jì)要求和任務(wù)，制定設(shè)施方案，擬定設(shè)計(jì)路線，選擇接口模塊，進(jìn)行軟件編程及調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題、集體討論，修改優(yōu)化程序，直至實(shí)現(xiàn)全部功能。在這一設(shè)計(jì)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不限于教師提出的設(shè)計(jì)要求，可以增加新功能，擴(kuò)展知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生由被動(dòng)地接受知識(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合自己的興趣和研究方向，發(fā)現(xiàn)問題，并帶著問題有目的地尋找解決路徑，從而獲得新知識(shí)，積累新的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

在直流電機(jī)和交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，教師只要求實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)和交流異步電機(jī)調(diào)速和控制功能，而學(xué)生各自拓展了按鍵控制和LED速度顯示等功能，具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）使用按鍵K0、K1和K2控制步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；

（2）在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，使用按鍵 K3和 K4調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（增速、減速）；

（3）采用按鍵K5和K6控制直流電機(jī)的PWM占空比（13%～85%），實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能；

（4）采用 LED數(shù)碼管顯示步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行狀態(tài)以及電機(jī)的周期，顯示直流電機(jī)的PWM占空比，實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)及實(shí)時(shí)顯示等功能。

由“口袋機(jī)”主機(jī)、JC-PM5電機(jī)模塊和JC-PM3七段數(shù)碼管顯示模塊組成的電機(jī)控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 電機(jī)控制系統(tǒng)

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生經(jīng)歷了課題小組研究選題，廣泛收集資料，與合作公司技術(shù)人員溝通交流，自主學(xué)習(xí)、構(gòu)思、策劃、調(diào)試等全過程，指導(dǎo)教師只在制定實(shí)施方案、設(shè)計(jì)路線、優(yōu)化程序等方面給予一定指導(dǎo)，學(xué)生自行確定設(shè)計(jì)過程、采用方法，并得出最后的結(jié)果。這種開放式的設(shè)計(jì)過程，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、知識(shí)融合、團(tuán)隊(duì)合作的能力，同時(shí)增強(qiáng)了自信心。

5 結(jié)語(yǔ)

“口袋機(jī)”體積小、功耗低，可以隨身攜帶，使用方便，已漸漸為高校學(xué)生所熟知，正逐漸成為其日常學(xué)習(xí)和生活的一部分?！翱诖鼨C(jī)”不僅可以幫助學(xué)生更快地熟悉 51內(nèi)核單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、接口電路實(shí)驗(yàn)、匯編語(yǔ)言編程，展開項(xiàng)目實(shí)踐，而且與其他相關(guān)專業(yè)課程內(nèi)容相結(jié)合，將枯燥的專業(yè)課程學(xué)習(xí)和學(xué)生興趣有機(jī)地結(jié)合在一起，將實(shí)踐和興趣融為一體?！翱诖鼘?shí)驗(yàn)室”是一種新的自主教學(xué)理念，創(chuàng)新性地解決了教學(xué)資源共享和管理難題。