基于OBE理念的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

陳英杰 毛開宇 陳安 鄧曉燕 高煥麗

摘? 要? 針對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，基于OBE理念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)課程中引入前序課程的理論知識，讓學(xué)生建立完善的知識體系和系統(tǒng)性思維，培養(yǎng)學(xué)生方案設(shè)計(jì)和工程調(diào)試的實(shí)踐能力。教學(xué)活動中需要確定具體的教學(xué)目標(biāo)，分解目標(biāo)并采用分層次教學(xué)方法。本教學(xué)設(shè)計(jì)綜合了單片機(jī)定時(shí)器、步進(jìn)電機(jī)原理、數(shù)組或指針、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)等知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)要求，引導(dǎo)學(xué)生對課程知識融會貫通，顯著提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞? 單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；OBE理念；定時(shí)器；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0129-04

Instructional Design of Microcontroller Expe-riment Teaching Based on OBE Concept： Taking Experiment of Timer and Stepper Motor as Example//CHEN Yingjie1， MAO Kaiyu2， CHEN An1， DENG Xiaoyan1， GAO Huanli1

Abstract? An OBE （Outcome Based Education） based experimental teaching design focusing on the fea-tures of single-chip microcontroller experiments is?discussed in this article. In the experimental cour-se， the theoretical knowledge of the pre-order course is introduced， in order to establish a per-fect knowledge system and systematic thinking for students， cultivate students practical ability of?scheme design， engineering and debugging. It is nece-ssary to determine specific teaching objectives， decompose them and adopt hierarchical teaching methods in teaching activities. According to the?knowledge points of microcontroller timers， stepper?motor， array， pointer and state machine，design pro-gressive experimental requirements and guide stu-dents to master the knowledge through the experi-ment. Finally，the instructional design obtains a significant experimental outcome on practical operations for students and high-quality teaching.

Key words? single-chip microcomputer; experiment teaching; outcome-based education concept; timer; stepper motor

Authors address

1? School of Automation Science and Engineering， South?China University of Technology， Guangzhou， China，? ?510641

2? Public Basic Laboratory Center， Guangzhou Inter-??national Campus of South China University of?Technology， Guangzhou， China， 511400

0? 引言

成果導(dǎo)向教育（Outcome-based Education，簡稱“OBE”，亦稱能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育）貫穿于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的始終。在新經(jīng)濟(jì)和新工科[1]的背景下，以培養(yǎng)學(xué)生成為重理論、重實(shí)踐的“雙重”人才為目標(biāo)，運(yùn)用OBE理念對單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。單片機(jī)原理及應(yīng)用的課程體系包括理論課程和實(shí)踐課程。其中，實(shí)踐課程包含課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)課程兩部分。理論課程的教學(xué)效果可以通過筆試、考試進(jìn)行反饋；課程設(shè)計(jì)的考核形式是學(xué)生自主完成小項(xiàng)目或設(shè)計(jì)并提交設(shè)計(jì)報(bào)告，由于課程設(shè)計(jì)是課后完成，在實(shí)際教學(xué)中無法保證課程設(shè)計(jì)對每個學(xué)生都是真實(shí)的反饋。實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試、驗(yàn)收，能真實(shí)反饋學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力，所以，實(shí)驗(yàn)課程是單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)踐課程中既傳統(tǒng)又重要的組成部分。

單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程（以下簡稱“單片機(jī)實(shí)驗(yàn)”）的實(shí)操性、設(shè)計(jì)性比較強(qiáng)。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握51單片機(jī)的應(yīng)用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、軟硬件的調(diào)試方法。由于課堂上的時(shí)間是有限的，學(xué)生的動手能力千差萬別，因此，以往的教學(xué)方式中存在兩個主要問題。

1）教師直接用簡單的實(shí)驗(yàn)例程進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生沒有參與到設(shè)計(jì)與調(diào)試活動中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興致不高，學(xué)習(xí)效果不佳，無法深度發(fā)掘?qū)W生的潛力。

2）教學(xué)采用單一的實(shí)驗(yàn)要求而缺少具體引導(dǎo)。動手能力強(qiáng)的學(xué)生感覺實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單，“喂不飽”，動手能力一般的學(xué)生感覺實(shí)驗(yàn)內(nèi)容困難，“吃不消”，畏難情緒重。這樣就往往導(dǎo)致動手能力一般的學(xué)生在課堂上難以完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或是簡單復(fù)制其他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和代碼，而不獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

本文提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容結(jié)合前序課程的理論知識，采用分層次的實(shí)驗(yàn)要求，減少學(xué)生的畏難心理，激發(fā)學(xué)生的自信心，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力，教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立操作，將理論應(yīng)用于實(shí)踐，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐獲得成就感，能夠提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣，形成良好的教學(xué)循環(huán)。

1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理及方案

步進(jìn)電機(jī)是一種無刷直流電動機(jī)[2]，又稱為脈沖電機(jī)?；谧罨镜碾姶盆F原理，步進(jìn)電機(jī)通常用于運(yùn)動和位置都必須準(zhǔn)確控制的場合，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的脈沖與步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的角度成正比，脈沖的頻率與步進(jìn)的轉(zhuǎn)速成正比；在不載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和數(shù)量。步進(jìn)電機(jī)是一個可以把電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，單片機(jī)可以作為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動源。

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，步進(jìn)電機(jī)作為定時(shí)器實(shí)驗(yàn)良好載體，該實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容包括單片機(jī)IO口的操作、定時(shí)器的使用、認(rèn)識步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)控制程序的編寫與調(diào)試。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖主要包括輸入、單片機(jī)、驅(qū)動電路和步進(jìn)電機(jī)，其中，輸入可以是撥碼開關(guān)或矩陣鍵盤等，單片機(jī)具體連線由學(xué)生按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和引腳分配進(jìn)行連接。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，關(guān)注點(diǎn)比較單一。例如，通過學(xué)生是否能夠?qū)懘a驅(qū)動電機(jī)，判斷學(xué)生是否完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在缺少具體導(dǎo)向的情況下，大多數(shù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)并沒有完整的設(shè)計(jì)過程，從硬件接線到代碼編寫，往往想一步做一步。實(shí)驗(yàn)中常見的問題有學(xué)生淺嘗輒止、功能設(shè)計(jì)過于簡單。例如，僅僅實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動；代碼結(jié)構(gòu)混亂，變量命名不規(guī)范；沒有掌握調(diào)試的方法，設(shè)計(jì)豐富功能，調(diào)試出現(xiàn)問題卻無從下手。教師在驗(yàn)收學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，學(xué)生做出的實(shí)驗(yàn)功能不完整。例如，在主函數(shù)中采用死循環(huán)的語句，軟件燒寫后電機(jī)就運(yùn)行，不能停下來；教師要求改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向時(shí)，學(xué)生無法修改程序重新下載，讓電機(jī)由原來的順時(shí)針轉(zhuǎn)動變?yōu)槟鏁r(shí)針轉(zhuǎn)動或由原來的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動變?yōu)轫槙r(shí)針轉(zhuǎn)動。

工程教育的理念是成果導(dǎo)向教育，以學(xué)生為中心，教學(xué)過程考慮學(xué)生學(xué)什么，怎么幫助學(xué)生學(xué)，學(xué)生學(xué)得如何[3]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，明確具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，融合前序課程，幫助學(xué)生建立完善的知識體系和系統(tǒng)性思維[4]。單片機(jī)原理及技術(shù)的前序課程包括C語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字電路技術(shù)、模擬電子技術(shù)等，只有前序課程掌握好，才能高質(zhì)量地完成單片機(jī)原理及技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程。本教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)課堂有限的時(shí)間內(nèi)，能對學(xué)生進(jìn)行較好的工程實(shí)踐訓(xùn)練。

在定時(shí)器與步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師需要講解四個方面的內(nèi)容：

1）講解單片機(jī)定時(shí)器與中斷的使用方法；

2）引用電機(jī)學(xué)中步進(jìn)電機(jī)原理，講解步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制方法；

3）結(jié)合C語言程序設(shè)計(jì)課程，規(guī)范學(xué)生代碼結(jié)構(gòu)，程序變量的命名方式，同時(shí)，利用數(shù)組或指針，建立步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖序列；

4）結(jié)合數(shù)字電路技術(shù)中狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，介紹單片機(jī)軟件程序的設(shè)計(jì)方法與步驟。

結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的流程，循序漸進(jìn)，將整個實(shí)驗(yàn)分解設(shè)定四個實(shí)驗(yàn)要求，如表1所示，包括兩個基本要求和兩個進(jìn)階要求。

2? 成果導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)

2.1? 軟件延時(shí)與定時(shí)器對比分析

本實(shí)驗(yàn)采用的單片機(jī)型號為89C58RD，步進(jìn)電機(jī)型號為28BYJ48，在四相四拍的工作模式下，需要2 048個脈沖機(jī)械軸轉(zhuǎn)一周。步進(jìn)電機(jī)的輸出有累積效應(yīng)，便于觀察小時(shí)間累積的結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)中，首先，學(xué)生先采用軟件延時(shí)的方法，延時(shí)時(shí)間作為單片機(jī)IO口脈沖輸出的間隔，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動；其次，學(xué)生需要獨(dú)立編寫定時(shí)器的代碼，使用定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間作為步進(jìn)電機(jī)脈沖的時(shí)間間隔，但不限制定時(shí)器的工作方式，鼓勵學(xué)生使用不同的工作方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要比較軟件延時(shí)時(shí)間的計(jì)算方法與定時(shí)器時(shí)間的計(jì)算方法，并記錄于實(shí)驗(yàn)報(bào)告。對比實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生加深印象，幫助學(xué)生掌握單片機(jī)定時(shí)器的使用方法。

2.2? 數(shù)組與指針的使用

實(shí)驗(yàn)課堂上，教師通過圖片、視頻等方式講解步進(jìn)電機(jī)的主要類型，介紹四相四拍與四相八拍的驅(qū)動方式、步進(jìn)電機(jī)失步的情況。本實(shí)驗(yàn)給出的例程，驅(qū)動脈沖是采用移位操作形成的，例程代碼“i=0xcc”，“i = _cror_（i， 1）”，這兩句代碼形成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖，對應(yīng)的驅(qū)動脈沖是“1100B，1001B，0011B，0110B”，屬于二相勵磁[5]的四相四拍驅(qū)動方式。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)四相八拍驅(qū)動，具體要求學(xué)生通過數(shù)組或指針實(shí)現(xiàn)，而不是例程中移位操作或定義多個變量。四相八拍驅(qū)動方式下，建立數(shù)組或指針，例如定義數(shù)組“Pluse[8]={01H， 03H， 02H， 06H， 04H， 0CH， 08H， 09H }”。實(shí)驗(yàn)過程中，為實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，有的學(xué)生代碼在中定義兩個數(shù)組，即正轉(zhuǎn)序列和反轉(zhuǎn)序列。教師對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查或驗(yàn)收時(shí)，如果課堂還有時(shí)間，可以鼓勵該學(xué)生優(yōu)化代碼，改進(jìn)為只用一個數(shù)組實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。鼓勵學(xué)生持續(xù)改進(jìn)，達(dá)到“潤物細(xì)無聲”的效果，促使學(xué)生深入鉆研。

2.3? 狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通常存在兩方面的問題，一個是代碼結(jié)構(gòu)混亂，代碼耦合程度高，能解耦的功能沒有進(jìn)行解耦；另一個問題是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不完整，有些功能沒有實(shí)現(xiàn)。例如，用開關(guān)1對應(yīng)的功能是步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)；用開關(guān)2對應(yīng)的功能是步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針低速旋轉(zhuǎn)。這種情況就是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向這兩個功能沒有解耦，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不完整，所以電機(jī)沒有順時(shí)針低速旋轉(zhuǎn)或逆時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)的功能。主要原因是學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)時(shí)，缺乏整體設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì)的步驟。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生構(gòu)思功能A，先寫功能A代碼，后面想到要做功能B，然后再做功能B。

狀態(tài)機(jī)（即同步時(shí)序邏輯電路[6]）的概念來自數(shù)字電路技術(shù)理論課。在沒有采用嵌入式操作系統(tǒng)（例如ucos、FreeRTOS、RT-Thread等）的情況下，嵌入式軟件開發(fā)設(shè)計(jì)中，常常使用狀態(tài)機(jī)的思想。課堂上引入狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生理解程序功能的分析與設(shè)計(jì)方法，然后對本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整體的程序設(shè)計(jì)。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生回顧前序課程知識點(diǎn)，將不同的課程融會貫通，完善知識體系。

在定時(shí)器與步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)中，可以設(shè)計(jì)電機(jī)的啟停功能、調(diào)速功能、正反轉(zhuǎn)功能。實(shí)驗(yàn)課堂上，學(xué)生通過思考與設(shè)計(jì)，能夠發(fā)現(xiàn)調(diào)速功能與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是能夠解耦的關(guān)系，轉(zhuǎn)速設(shè)置通過定時(shí)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，電機(jī)是否工作由控制狀態(tài)機(jī)控制。狀態(tài)機(jī)包括電機(jī)運(yùn)行的三個狀態(tài)：停機(jī)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，如圖2所示。學(xué)生最終確定實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)程序功能的狀態(tài)機(jī)，然后編程實(shí)現(xiàn)。課堂上有部分學(xué)生設(shè)計(jì)為五個狀態(tài)：停機(jī)、高速正轉(zhuǎn)、高速反轉(zhuǎn)、低速正轉(zhuǎn)、低速反轉(zhuǎn)。教師檢查時(shí)可以給學(xué)生提相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求，如實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速單獨(dú)控制，學(xué)生最終都能將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。

3? 實(shí)驗(yàn)效果與反饋

實(shí)驗(yàn)效果的評價(jià)包括主觀評價(jià)和客觀評價(jià)兩部分。主觀評價(jià)來自課堂氣氛和學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在實(shí)際教學(xué)活動中能夠感受到學(xué)生興趣濃厚，課堂討論熱烈，獨(dú)立動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的意愿高，能夠高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)，程序代碼規(guī)范。大多數(shù)學(xué)生能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，掌握單片機(jī)定時(shí)器使用與步進(jìn)電機(jī)的控制。教師在驗(yàn)收成果時(shí)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)難度不同，代碼效率不同，但只要是學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)的，都應(yīng)該給予鼓勵。針對學(xué)生實(shí)驗(yàn)具體情況提出改進(jìn)意見，讓學(xué)生對自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)與完善，挖掘?qū)W生潛力。學(xué)生的思維活躍，可以設(shè)計(jì)出更加豐富的功能：有的學(xué)生設(shè)計(jì)了無級調(diào)速；有的學(xué)生利用掃描鍵盤作為輸入；有的學(xué)生用外部中斷引腳加微動開關(guān)作為觸發(fā)輸入；有的學(xué)生給電機(jī)控制加上狀態(tài)指示燈；有的學(xué)生模擬汽車實(shí)現(xiàn)加速與減速等。以學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)時(shí)間作為客觀評價(jià)。

定時(shí)器與步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)課是四個學(xué)時(shí)（180分鐘），以19級2班為例，對學(xué)生完成該實(shí)驗(yàn)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如圖3所示，54人在180分鐘內(nèi)能夠完成實(shí)驗(yàn)，另外有六個學(xué)生需要時(shí)間大于180分鐘。大部分學(xué)生能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，說明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充實(shí)，實(shí)驗(yàn)難度合理，能夠達(dá)到本實(shí)驗(yàn)課程的目的。

4? 結(jié)論

基于OBE理念的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索，闡述定時(shí)器與步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，圍繞學(xué)生需要取得哪些學(xué)習(xí)成果、如何幫助學(xué)生取得成果，由教師在實(shí)驗(yàn)課程中導(dǎo)入前序基礎(chǔ)課程的知識點(diǎn)，將知識點(diǎn)的應(yīng)用分解在實(shí)驗(yàn)要求中，用工程實(shí)踐方法步驟規(guī)范實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，留給學(xué)生設(shè)計(jì)空間、擴(kuò)展空間，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立動手、循序漸進(jìn)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好，實(shí)驗(yàn)課堂氣氛活躍，實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量顯著提高，有助于提高工程教育質(zhì)量，培養(yǎng)重理論、重實(shí)踐的“雙重”人才，對電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)工作有一定借鑒意義。

5? 參考文獻(xiàn)

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