中職Arduino單片機(jī)圖形化編程教學(xué)實(shí)踐

王禹

摘 要：單片機(jī)歷來是中職學(xué)校電子電氣自動(dòng)化專業(yè)繞不過去又比較難教難學(xué)的一門課。Arduino單片機(jī)結(jié)合ArduBlock插件為中職學(xué)校單片機(jī)教學(xué)的順利推廣提供了另一種途徑。本文以單片機(jī)控制LED燈閃爍課程為例，結(jié)合中職學(xué)生的客觀實(shí)際情況，探索單片機(jī)教學(xué)的新思路，為構(gòu)建高效課堂提供參考。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)教學(xué) 圖形化編程

一、單片機(jī)教學(xué)的重要性

單片機(jī)又名“微控制器”或“微電腦”，它把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到了一個(gè)芯片上，概括地講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能化等技術(shù)的推廣，單片機(jī)技術(shù)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，單片機(jī)課程的重要性日益突出。電類專業(yè)中，單片機(jī)課程又是核心專業(yè)課，在中等職業(yè)學(xué)校受到越來越多的重視與關(guān)注。

二、單片機(jī)教學(xué)的困境

1.編程語言學(xué)習(xí)困難

單片機(jī)編程可以選匯編語言或者C語言，但是無論選哪種語言都需要接觸一定量的英文；中職學(xué)生的文化基礎(chǔ)薄弱，對(duì)英文最為頭痛。C語言靈活強(qiáng)大，語法規(guī)則嚴(yán)格，短時(shí)間難以掌握；C語言是大小寫敏感的語言，即一個(gè)單詞只要有一個(gè)字符大小寫不一樣，對(duì)C編譯器來說就是完全不一樣的兩個(gè)詞。代碼大小寫，全角符號(hào)等任何的輸入錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致編程失敗。初學(xué)者在這點(diǎn)上屢屢犯錯(cuò)，入門階段的失敗最容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，影響后續(xù)教學(xué)。選匯編語言還需記憶大量指令、寄存器、硬件結(jié)構(gòu)等知識(shí)，編程代碼更加難寫難讀，所以學(xué)習(xí)難度還高于C語言。對(duì)中職學(xué)生來說，單片機(jī)入門尤為困難。

2.單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成本高

單片機(jī)學(xué)習(xí)需要專業(yè)軟件和硬件，市場主流都是商業(yè)軟件，采購價(jià)格昂貴。

（1）硬件方面，需要單片機(jī)實(shí)訓(xùn)電路板（開發(fā)板），下載燒寫器，電源適配器。市場上各種單片機(jī)實(shí)訓(xùn)電路板很多，具有一定指導(dǎo)性的中職單片機(jī)全國技能大賽官方指定設(shè)備為YL-236。該設(shè)備配備十余種模塊，功能豐富，也具備一定的靈活性，但設(shè)備體積龐大，萬余元價(jià)格，不利于普遍推廣。其他小廠商也有單片機(jī)實(shí)訓(xùn)開發(fā)板，但各自為政，標(biāo)準(zhǔn)不一；配齊燒寫器等必備的工具，硬件成本最少也需要百余元。近幾年有Proteus等仿真軟件應(yīng)用，在一定程度上彌補(bǔ)了硬件的缺點(diǎn)，但高昂的軟件授權(quán)費(fèi)用仍舊將許多學(xué)校拒之門外。

（2）軟件方面，通常需要開發(fā)IDE和編譯器軟件。以教學(xué)中常用的MSC51系列單片機(jī)為例，基本上只有Keil一家公司獨(dú)占市場，Keil C51開發(fā)IDE軟件每臺(tái)計(jì)算機(jī)授權(quán)費(fèi)用也大約一萬元。

高成本的實(shí)訓(xùn)設(shè)備對(duì)中職學(xué)校來說無疑提高了學(xué)生專業(yè)教學(xué)的門檻，要做到一人一機(jī)非常難，而這樣又不利于學(xué)生實(shí)踐操作的學(xué)習(xí)。所以目前，單片機(jī)教學(xué)的難點(diǎn)在于實(shí)訓(xùn)設(shè)備的局限導(dǎo)致教學(xué)方法的局限。

三、Arduino單片機(jī)平臺(tái)和圖形化編程

Arduino，由意大利兩位教師提出，是一個(gè)基于開放源碼和硬件規(guī)格的軟硬件平臺(tái)。硬件有Arduino系列開發(fā)板，如圖1（a）所示為其中最常見的Arduino UNO；軟件有Arduino IDE，自帶編輯器，編譯器等各種工具。如表1所示，與傳統(tǒng)MSC51單片機(jī)教學(xué)相比，Arduino平臺(tái)用于單片機(jī)教學(xué)有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.成本極低，容易推廣

在硬件上，Arduino的電路圖設(shè)計(jì)文件是公開提供的，官方提供的Eagle格式PCB，SCH電路圖，及簡化的Arduino模組，用戶可以自己搭建電路。國內(nèi)使用最多Arduino UNO，淘寶網(wǎng)售價(jià)低于20元人民幣。此外Arduino自帶USB下載、供電，不需要其他下載器、電源適配器等硬件。軟件方面，Arduino開發(fā)IDE已經(jīng)包括編譯器等全部軟件，而且都是免費(fèi)的開源軟件。實(shí)訓(xùn)場地要求低：目前中職學(xué)校的配置最低的計(jì)算機(jī)機(jī)房也可勝任，Arduino開發(fā)IDE為免安裝軟件，機(jī)房上課教師將軟件下發(fā)即可使用；一些入門實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目只需一根USB線即可開課。

2.性能強(qiáng)大，緊跟市場

Arduino采用基于AVR指令集的8位處理器，頻率 20MHz，程序存儲(chǔ)器空間 32kB，內(nèi)存2kB，集成EEPROM等大量常用外圍器件電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過MSC51系列單片機(jī)的8kB程序存儲(chǔ)器，256B的內(nèi)存配置。Arduino單片機(jī)性能更強(qiáng)悍，功能更豐富，更貼近工業(yè)生產(chǎn)，緊跟市場技術(shù)潮流。

3.針對(duì)教學(xué)，資源豐富

最初研發(fā)Arduino的目的是教育，因此Arduino團(tuán)隊(duì)在易用性各方面做了優(yōu)化：簡化了單片機(jī)工作的流程，重新封裝了 AVRC。例如，以阿拉伯?dāng)?shù)字1～13指代各個(gè)輸入輸出引腳。Arduino硬件規(guī)格統(tǒng)一，這些措施使得Arduino代碼可復(fù)用性非常高。Arduino IDE中集成大量成熟例程代碼，特別適合老師，學(xué)生和一些業(yè)余愛好者們使用。

4.圖形編程，學(xué)習(xí)無礙

相比C語言或匯編語言等文字編程，圖形化編程可以大大降低了單片機(jī)編程開發(fā)難度。Arduino軟件的開源可擴(kuò)展特性，任何第三方公司都可以編寫自己的工具。國內(nèi)一家名為新車間公司開發(fā)了一款依附在Arduino上，遵循開源協(xié)議并免費(fèi)的ArduBlock插件，如圖1（b）所示。其編程如同積木搭建，而且軟件是中文界面，有效降低了職業(yè)學(xué)校學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的門檻。

四、Arduino教學(xué)實(shí)踐

以單片機(jī)控制LED燈閃爍一課為例，參照項(xiàng)目教學(xué)法，該課為單片機(jī)入門第3節(jié)課。本節(jié)教學(xué)內(nèi)包括C語言的變量定義、函數(shù)調(diào)用、延時(shí)時(shí)間計(jì)算等知識(shí)，以及正負(fù)邏輯與TTL電平關(guān)系等數(shù)字電路知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容多，細(xì)節(jié)要求高。最簡單代碼如圖2所示。

借助Arduino平臺(tái)完成單片機(jī)點(diǎn)亮LED燈的項(xiàng)目，則是以面向?qū)ο蟮乃悸罚恍枞健Ｈ鐖D2所示，第一步，拖入1個(gè)“主程序”方塊，2個(gè)“設(shè)定數(shù)字針腳值”方塊和2個(gè)“微秒延遲”方塊三個(gè)積木方塊；第二步，根據(jù)硬件接線，更改“設(shè)定數(shù)字針腳值”方塊的輸出引腳為“13”號(hào)引腳、輸出電平為一個(gè)“高（數(shù)字）”，另一個(gè)為“低（數(shù)字）”，其余均使用默認(rèn)值；第三步，按照LED燈閃爍的邏輯順序排列即可，如圖3所示。整個(gè)編程過程不用書寫任何一個(gè)單詞。

在學(xué)校高一14（3+2）應(yīng)用電子和2014五年一貫電子兩個(gè)平行班分別以傳統(tǒng)教學(xué)方式和Arduino圖形編程方式開展教學(xué)試驗(yàn)，收集項(xiàng)目完成評(píng)價(jià)及學(xué)生評(píng)價(jià)情況，見表2。對(duì)比教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用Arduino圖形化編程教學(xué)的班級(jí)學(xué)生參與度高，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度好，教學(xué)進(jìn)度推行更順利，教學(xué)效果更佳。

五、小結(jié)

單片機(jī)課程是實(shí)踐性特別強(qiáng)的課程，尤其在強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力的中職教育中，培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)相關(guān)的動(dòng)手能力非常重要。采用Arduino+ArduBlock圖形化編程拋開編程語言束縛，直接切入單片機(jī)學(xué)習(xí)的核心——迅速把所學(xué)單片機(jī)知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)手應(yīng)用能力，學(xué)習(xí)過程簡單直觀易懂，符合職業(yè)高中學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，在職高單片機(jī)教學(xué)中推廣能取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]Massimo Banzi，于欣龍，郭浩赟.愛上Arduino（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2012.

（作者單位：慈溪職業(yè)高級(jí)中學(xué)）