基于口袋實驗室的單片機實驗教學改革研究

苗曙光 李崢 方振國

摘 要：實驗教學是單片機原理課程教學中理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié).通過實驗，可以使學生對單片機的基本結構、原理、編程方法、系統(tǒng)設計等知識有較全面的了解和掌握.但是傳統(tǒng)的單片機實驗教學依賴于體積笨重的實驗箱，功能繁瑣，價格昂貴，實驗項目與實驗大綱匹配度不好，而且不便于做擴展實驗和實驗室開放.因此本文總結和分析以往實驗教學的不足，從實驗大綱的編排、實驗平臺的設計等方面入手，進行實驗教學改革與探索.實踐表明，基于新的教學大綱和自制口袋式實驗平臺能夠照顧到不同層次學生的需求，對于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，具有較好的教學效果.

關鍵詞：實驗教學;單片機;實驗平臺;教學改革

中圖分類號：G642.423 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2020）08-0101-04

當前，隨著信息技術迅猛發(fā)展，學科交叉融合加速，新學科不斷涌現(xiàn)，前沿領域不斷延伸.以機器人、大數(shù)據(jù)、3D打印，5G技術為代表的新一輪信息技術革命已成為全球關注的焦點.在新工科背景下，對于以培養(yǎng)應用型人才為主的電子信息工程、自動化、機電一體化等本科類專業(yè)，單片機原理是相當重要的專業(yè)核心課程，是培養(yǎng)學生軟硬件設計能力、應用能力、工程意識與素養(yǎng)、綜合開發(fā)與創(chuàng)新能力的重要課程，是學生學習和從事信息技術相關工作的基礎[1].作為理論聯(lián)系實際和提高學生動手實踐能力重要環(huán)節(jié)，單片機實驗教學的重要性不言而喻.傳統(tǒng)的實驗教學主要依托體積較大而且笨重的實驗箱，實驗箱雖然集成了較多外設資源，但是大部分外設資源都是形同虛設，超出實驗大綱要求，實用性不強.另外，很多試驗箱配套實驗項目還是基于匯編語言開發(fā)的，匯編語言相對C51來說枯澀難懂，導致很多學生上完實驗課，還是無法掌握單片機開發(fā)的基本技能[2，3].針對現(xiàn)有單片機實驗教學存在的問題，本文分析現(xiàn)有實驗教學存在的不足，根據(jù)該課程的實驗教學要求，對實驗項目進行了重新優(yōu)化，對實驗平臺進行了重新設計，在保留實驗大綱要求的基礎上，獨立開發(fā)出了一款口袋式USB口可編程的單片機實驗平臺，達到更好地服務于單片機實驗教學的目的.

1 傳統(tǒng)的實驗教學方法存在的問題

1.1 實驗室封閉，實驗箱不便攜帶

考慮到實驗室管理和實驗室安全問題，很多高校單片機實驗室都是不開放的.只有在上實驗課時間段，學生才能按部就班地進入實驗室做實驗，導致實驗設備在大部分時間都處于閑置狀態(tài)，因此造成實驗室資源浪費.另外，很多高校的試驗箱都是一些大公司開發(fā)的，為了滿足市場競爭需求，很多公司的實驗箱體積相對較大，資源較多，不便于攜帶，導致實驗室很難做成開放性實驗室.傳統(tǒng)的單片機實驗箱一般是價格昂貴、操作繁瑣、結構復雜，且易出故障，不便維修.特別是實驗箱的一些常用插拔接口，多次插拔后特別容易損壞，造成無法編程.同時，由于實驗設備昂貴，無法保證一人一臺實驗箱，如果實驗箱損壞，沒有及時維修，甚至出現(xiàn)三人用一臺實驗箱的情形，實驗效果大打折扣[4，5].在實驗設備不便攜帶和設備有限的情況下，開放實驗室更是無從談起.因此，如何建設性價比高，功能齊全、高效優(yōu)質便攜型的實驗平臺是我們亟待進行解決的問題.

1.2 實驗教學方法機械

單片機實驗一般包括實驗目的、設備介紹、原理、實驗內容及步驟等幾部分構成，傳統(tǒng)的教學模式是教師照本宣科講一遍，然后給學生演示一遍，學生自己獨立思考的部分太少，導致對實驗缺少興趣，嚴重影響實驗教學效果.

1.3 實驗教學內容缺少創(chuàng)新性

傳統(tǒng)的單片機實驗項目多為驗證性實驗，而擴展性和綜合設計性實驗幾乎沒有.缺少擴展性實驗部分，導致很多學生做完教材要求實驗內容就感覺無所事事，甚至出現(xiàn)課上寫實驗報告的現(xiàn)象，因此無法達到把實驗課學時充分利用起來的目的.缺少綜合性實驗，導致實驗創(chuàng)新性不強，難以調動學生的積極性和主動參與性[6].

1.4 考核方式不靈活

傳統(tǒng)的考核方式主要包括考勤情況，實驗過程成績（包括實驗態(tài)度和操作），實驗報告成績（包括預習與實驗報告成績），這導致很多學生為了完成實驗而實驗，缺少思考和創(chuàng)新性，甚至實驗報告有抄襲現(xiàn)象.

2 “口袋式”實驗平臺的實驗教學改革與實踐

針對當前單片機實驗課程存在的問題，結合近年來單片機教學改革的一些創(chuàng)新實踐做法，我們主要采取以下改革和實踐方法，一是優(yōu)化實驗大綱，重新編排實驗項目，出版實驗教材;二是根據(jù)新教材大綱要求，自主設計實驗教學平臺，達到滿足實驗平臺的開放性和便攜性的需求.

2.1 出版實驗教材，增加擴展實驗

考慮到我院學科結構和單片機教學的實際情況，綜合了單片機原理、微機原理、自動控制原理和DSP技術等實驗課程，作者參與編寫了《電子信息類專業(yè)實驗教程》計算機控制分冊教材，并于 2018年2月在中國科技大學出版社出版.每個實驗項目除了有基本實驗驗證部分，還包括了思考題擴展部分，針對不同層次的學生而設計，體現(xiàn)差異性.

考慮到學生動手能力的差異化，在原有的實驗講義基礎上，增加了實驗擴展部分，對于動手能力強的同學可以選做擴展實驗，滿足不同學生的實驗學習需要，因此新的實驗項目進行了合理化改進，改進后的實驗項目基本信息，如表1所示.

根據(jù)改進后的教學大綱和實驗項目要求，設計實驗平臺需要預留流水燈模塊、交通燈資源、中斷相關外設，定時器演示資源和AD模數(shù)轉換資源等，另外考慮到開發(fā)板的可擴展性需求，又對所有IO口以及電源接口進行了擴展，這樣學生可以方便進行各種相關開發(fā)模塊擴展，比如傳感器模塊，顯示模塊等等，方便學生進行創(chuàng)新設計，課外微項目實踐，甚至學生參加學科競賽可以直接使用該開發(fā)實驗平臺進行[7].綜合以上要求，設計電路原理如下圖2所示：

考慮到學生實驗和開發(fā)方便，板子設計了USB口ISP自動編程電路，只需要通過一條USB線就可以完成實驗板供電、程序下載和串口通信等相關實驗功能.USB口程序下載電路原理圖，如圖3所示.

根據(jù)實驗平臺設計原理圖，利用電路CAD軟件，生成PCB文件.考慮到實驗平臺的便攜性，板子尺寸不宜太大，因此設計時對PCB布局進行了優(yōu)化.考慮到學生焊接實訓的需要，電路設計的時候電阻電容以及主要芯片主要選用直插元件.通過PCB廠家批量生產(chǎn)返回PCB板之后，然后采購相關元器件準備焊接，經(jīng)過學生實訓焊接，下圖4為我院自主設計的便攜式單片機實驗板成品.該實驗平臺尺寸為10CM*13.5CM，板上包括單片機最小系統(tǒng)電路，擴展所有IO口，預留2排流水燈，預留交通燈資源，預留四個獨立按鍵，預留ADC0809模塊，并絲印有我校LOGO，主要優(yōu)點是支持USB口供電下載一體化設計，真正做到一根USB線搞定開發(fā)的目的.

為了配合硬件平臺使用，本套實驗板采用Keil C51作為軟件開發(fā)平臺，該軟件集編輯、編譯、仿真等功能于一體，它具有強大的軟件調試功能，生成程序代碼速度快，所需要的存儲空間小，是目前51單片機開發(fā)中最常用的軟件之一.Keil C51集成了文件編輯處理、項目（Project）管理窗口、工具引用、仿真軟件模擬器及Monitor51硬件目標調試器等多種功能.Keil C51軟件開發(fā)環(huán)境界面，如圖5所示.

3 “口袋式”單片機實驗平臺的優(yōu)勢

3.1 資源設置合理，方便擴展

考慮到實驗大綱要求，自制實驗平臺可以精煉主要實驗硬件資源，使得實驗大綱和實驗平臺匹配度較好.自制實驗平臺在完成基本的實驗大綱要求基礎上，還把相關接口做了擴展，方便擴展其他相關電子模塊，如傳感器模塊、時鐘芯片模塊、存儲模塊和液晶顯示模塊等.

3.2 便攜口袋式，方便開放式實驗教學

2012年，美國德州儀器公司（TI）提出了“口袋實驗室”理念.所謂口袋實驗室，是指不受時間、空間限制的，并且實驗功能豐富的小型開發(fā)板，方便學生學習和二次開發(fā)[8，9].本文所開發(fā)的實驗平臺，尺寸合理，方便攜帶，支持USB口供電，編程和串口通信，方便開發(fā)學習，另外，由于自制實驗平臺成本較低，方便實驗室開放，學生辦理相關手續(xù)可以外借，配合學生自己的筆記本電腦，在宿舍，圖書館或者教室也可以繼續(xù)做實驗和開發(fā)，可隨身攜帶，學生有想法隨時可以做實驗驗證，真正做到實驗室開放性.

3.3 強化了學生的實訓焊接能力

基于自制口袋式的單片的實驗教學方式不僅僅是傳統(tǒng)實驗箱的精簡，而是結合課程實際情況做的大膽改革.通過自制實驗設備，貫通了電子信息工程專業(yè)的相關教學活動的展開，從電路CAD設計教學，到焊接實訓，不僅滿足了學生的動手實訓要求，又為實驗教學提供了足夠的教學平臺，一舉多得.

3.4 實驗平臺充足，學生可以獨立完成

針對傳統(tǒng)實驗箱式實驗設備，價格昂貴，功能繁瑣，通過自主設計的自制便攜式實驗平臺可以保證學生和實驗設備1：2配套，能夠做到每個學生都能獨立完成實驗項目，大大提供實驗教學效果，而且自制實驗設備，方便維修.

4 課程教改實施效果

較傳統(tǒng)的實驗教學方式，采用自制口袋式的實驗平臺，教學效果較好，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）學習方式靈活.通過自制單片機實驗開發(fā)平臺，結合開放式教學，學生對單片機的學習興趣得到了極大的提高，總體效果教好.實驗室平臺對學生開放，使實驗室資源的利用率得到極大提高.教師設計好題目，學生可以外借口袋式實驗平臺，在宿舍或圖書館進行自主開發(fā)學習.

（2）考核方式靈活.傳統(tǒng)的實驗教學主要看學生的預習報告、實驗報告、實驗操作情況，考核方式單一，采用口袋式實驗平臺老師可以增加擴展部分內容，不在局限于課上教學，還可以把平時訓練成果做為考核內容.

（3）學生的實踐能力得到了提高.這種方式的實驗教學容易實現(xiàn)為項目教學的目的，以項目實踐為基礎，學生在程序分析、單片機編程過程、C語言編程方法、項目實施方法、程序調試等實踐應用能力上都有明顯提高.

通過發(fā)布課程問卷調查，調查結果如圖6所示.從調查結果可以看出，90.54%同學認為能夠完全符合實驗能力的掌握要求，9.46%同學認為基本符合，總體上達到預期教學效果目標.

5 結束語

單片機原理作為是電子信息工程專業(yè)的核心課程，實驗課是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，實驗課的教學效果好壞，直接關系到學生對硬件設計和軟件編程的掌握水平，因此實驗教學在單片機原理課程教學中顯得尤為重要.針對我院電子信息工程相關專業(yè)單片機實驗教學過程中存在的實際問題，提出了相應的改革措施，包括自制實驗平臺、改革實驗教學大綱和實驗項目，增加微項目驅動教學等實驗教學方法等.實踐表明，上述措施有效地激發(fā)了學生的學習興趣，增強了學習單片機的信心，提高了教學效果.

參考文獻：

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〔3〕姚靜，李璋，陳廣.基于Proteus和Keil的單片機實驗教學探究[J].信息通信，2019（09）：250-252.

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〔7〕李崢，陳得寶，苗曙光等.CDIO模式：單片機課程教學改革初探[J].牡丹江師范學院學報（自然科學版），2014，10（04）：75-76.

〔8〕滕召勝，高云鵬，唐求，溫和，郭斯羽.基于口袋實驗室的單片機實踐教學改革[J].電氣電子教學學報，2018，40（04）：117-120.

〔9〕苗曙光，李淮江，李崢，等.基于PIC18F4580的CAN總線多點溫度采集系統(tǒng)設計[J].牡丹江師范學院學報（自然科學版），2013，31（04）：19-20.