機械類本科專業(yè)單片機課程教學(xué)改革探索

文笑雨 李浩 裴旭明

摘要：結(jié)合單片機課程的特點和“95后”學(xué)生的興趣愛好，對機械類本科專業(yè)單片機課程知識體系和教學(xué)方式進(jìn)行了初步探討。利用“密室逃脫”游戲中的機關(guān)系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生初步了解單片機的功能;設(shè)計抖音短視頻版彩燈控制實驗，加深學(xué)生對單片機知識點的理解與掌握;利用Proteus和Keil C51軟件，加強學(xué)生對單片機軟硬件的認(rèn)識;通過自媒體平臺，增進(jìn)師生問的交流互動。這些策略能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注單片機的最新發(fā)展與應(yīng)用，使學(xué)生更好地掌握單片機課程相關(guān)的理論知識和應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：單片機課程;知識體系;教學(xué)方式;虛擬仿真;自媒體平臺

單片機課程是機械類本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程不僅要求學(xué)生掌握單片機軟硬件及接口設(shè)計的相關(guān)基礎(chǔ)知識，還要求學(xué)生能夠根據(jù)實際應(yīng)用需求，設(shè)計出應(yīng)用系統(tǒng)。與電類專業(yè)的單片機課程相比，機械類本科專業(yè)單片機課程學(xué)時相對較少。以鄭州輕工業(yè)學(xué)院為例.，機械類本科專業(yè)的單片機課程僅有32學(xué)時，其中28個理論學(xué)時，4個實驗學(xué)時。傳統(tǒng)的教學(xué)方法基本上是從單片機的基本概念、軟硬件結(jié)構(gòu)、接口設(shè)計及擴展逐步展開講述，學(xué)生普遍感覺單片機課程內(nèi)容抽象，知識點繁雜瑣碎，在學(xué)習(xí)結(jié)束之后學(xué)生甚至不了解單片開發(fā)的完整流程，更不用說實際應(yīng)用了。在有限的理論和實驗學(xué)時制約下，結(jié)合“95后”學(xué)生的興趣特點，筆者對機械類單片機課程知識體系和教學(xué)方式進(jìn)行了初步探討，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注單片機的最新發(fā)展與應(yīng)用，使學(xué)生能夠更好地掌握單片機課程相關(guān)的理論知識和應(yīng)用方法。

一、單片機課程知識體系的教改策略

（一）“頂天”又“立地”，快速引入門

對機械類的本科生而言，目前本科院校單片機課程采用的教材大多數(shù)講述對象為51單片機。學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機的課程時容易產(chǎn)生兩種心理：一種是“單片機落伍論”，有這種心理的學(xué)生多數(shù)已經(jīng)參與過一些科技競賽類活動，已使用過一些新型單片機，所以認(rèn)為學(xué)51單片機是沒有意義的;另一種是“單片機學(xué)不會論”，認(rèn)為機械類本科生的電子電工基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ)較差，無法理解單片機的軟硬件原理。

在教授單片機課程時，教師必須一開始就對學(xué)生的這兩種心理進(jìn)行糾正，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識單片機課程。對于第一種心理，教師需要讓學(xué)生明白單片機課程不僅是要教會學(xué)生使用51單片機，而且要讓學(xué)生理解單片微機的原理與應(yīng)用。51單片機只是一個殼，一個用來過渡的單片機，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會單片機的外圍電路和編程思想。對于第二種心理，教師既要通過高精尖設(shè)備中專用單片機系統(tǒng)的應(yīng)用，如航空航天領(lǐng)域中一些實時控制功能的實現(xiàn)，讓學(xué)生明白單片機應(yīng)用系統(tǒng)具有高端的應(yīng)用領(lǐng)域;也要通過生活中常用的家用電器來引導(dǎo)學(xué)生對單片機作用的理解，如吉列電動剃須刀中使用了4位單片機，讓學(xué)生不會覺得單片機離自己非常遙遠(yuǎn)，避免學(xué)生先人為主地對單片機課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼心理。另外，結(jié)合"95后”學(xué)生的興趣愛好，教師可以將“密室逃脫”游戲中機關(guān)系統(tǒng)作為學(xué)生對單片機初步認(rèn)識的媒介。“密室逃脫”游戲中一些較復(fù)雜的機關(guān)多數(shù)是通過一小塊集成電路板來控制的，每一個關(guān)卡中的機關(guān)系統(tǒng)其實就相當(dāng)于一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)。

上述單片機課程人門的引導(dǎo)，能夠從理論層面和應(yīng)用層面引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識單片機課程，既“頂天”又“立地”。既能糾正學(xué)生對單片機課程的一些錯誤認(rèn)識，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，快速引導(dǎo)學(xué)生人門。

（二）軟硬兩手抓，分流側(cè)重點

總體來講，單片機課程的主要知識點可以分為硬基礎(chǔ)、軟基礎(chǔ)和軟硬結(jié)合三個方面。硬基礎(chǔ)主要包括四個方面的內(nèi)容，即硬件結(jié)構(gòu)、功能部件、串并行擴展和人機接口。軟基礎(chǔ)主要為指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計。軟硬結(jié)合主要體現(xiàn)在單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)上。硬基礎(chǔ)中的知識點非常多，由于機械類本科生一般沒有專門學(xué)習(xí)過微機原理，對單片機硬件基礎(chǔ)的理解有一定的困難。所以在硬件基礎(chǔ)部分，教師應(yīng)適當(dāng)減少原理性的講解，要結(jié)合一些小型的單片機開發(fā)板，以應(yīng)用為導(dǎo)向，結(jié)合實例促進(jìn)學(xué)生的理解。軟基礎(chǔ)部分非常抽象，學(xué)生理解起來比較困難。關(guān)于這部分知識點的講述，教師不應(yīng)直接講解指令的功能和程序設(shè)計的方法，而應(yīng)該讓學(xué)生去理解如何將人腦的計算思維轉(zhuǎn)換為計算機能夠讀懂的指令，強調(diào)計算方法的講解。

在掌握軟件和硬件的基本知識之后，通過單片機實驗來讓學(xué)生了解單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，就是軟硬結(jié)合。由于實驗學(xué)時僅有4個，在實驗課程實施中，不會讓學(xué)生進(jìn)行非常復(fù)雜的設(shè)計類實驗，而是在驗證性實驗基礎(chǔ)之上讓學(xué)生對實驗內(nèi)容進(jìn)行擴展。彩燈控制實驗往往用來作為學(xué)生的第一個單片機實驗，通過該實驗，學(xué)生對單片機的軟硬件結(jié)構(gòu)及基本功能有了初步認(rèn)識。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生在完成這個實驗之后，普遍產(chǎn)生了“單片機比較好玩”的想法，對單片機的學(xué)習(xí)興趣有所增加。在此基礎(chǔ)之上，考慮到“95后”學(xué)生普遍喜歡觀看抖音短視頻這一現(xiàn)象，教師在進(jìn)行該驗證性實驗時讓學(xué)生自選音樂，根據(jù)音樂節(jié)奏設(shè)計彩燈閃爍方式，并錄制抖音短視頻進(jìn)行發(fā)布。首先，學(xué)生需要測算音樂節(jié)拍，計算彩燈點亮和熄滅時間;其次，學(xué)生要根據(jù)彩燈點亮和熄滅的時間編制程序，通過循環(huán)嵌套或者定時器控制延時，驅(qū)動彩燈閃爍;再次，學(xué)生將編制的代碼通過下載器導(dǎo)入單片機，隨著音樂節(jié)拍配合運行并錄制視頻。通過彩燈閃爍時間的控制，學(xué)生更深入地理解了指令系統(tǒng)、定時/計數(shù)器的功能以及單片機驅(qū)動LED彩燈的原理，他們在娛樂的同時加深了對單片機軟硬件知識的學(xué)習(xí)與理解。

在有限學(xué)時的制約下，教師不可能在課堂上對單片機課程的每個知識點進(jìn)行深入的探討。因此，教師關(guān)于單片機知識體系的講述更應(yīng)該注重引導(dǎo)學(xué)生對單片機軟硬件設(shè)計的興趣，根據(jù)學(xué)生的偏好，進(jìn)一步深入不同的學(xué)習(xí)側(cè)重點。比如，若學(xué)生對軟件更感興趣，則應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生了解目前最主流的編程語言Python在單片機開發(fā)中的應(yīng)用（Micro Python）。

二、單片機課程教學(xué)方式的教改策略

（一）虛擬仿真技術(shù)加強單片機軟硬件認(rèn)識

Proteus軟件是英國Lab Center Elec-tronics公司出版的EDA工具軟件，是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，具備強大的軟件仿真及程序調(diào)試功能。由于硬件平臺有限，程序講解比較抽象，在單片機課程理論和實踐教學(xué)中要引入Pro-tens和Keil C51。在講解以單片機為核心的硬件電路開發(fā)時，教師使用Proteus軟件繪制仿真電路圖，學(xué)生會有更加直觀的認(rèn)識。另外，學(xué)生也可不拘泥于實驗室的硬件開發(fā)平臺，可以自行熟悉硬件電路的各類元器件，在個人電腦上進(jìn)行設(shè)計與仿真。在進(jìn)行實驗時，先通過Proteus進(jìn)行仿真，再通過微控制器實驗箱驗證Proteus仿真結(jié)果，通過虛擬仿真與實際開發(fā)平臺的結(jié)合，增加學(xué)生對單片機課程的理解與掌握程度。在進(jìn)行實驗驗證時，為了進(jìn)一步提高學(xué)生的單片機軟件編程能力，教師要求學(xué)生使用Keil C51建立工程文件，編制程序，調(diào)試運行，生成可導(dǎo)人單片機的HEX文件，并通過下載器將代碼燒錄進(jìn)單片機，驗證能否實現(xiàn)預(yù)期功能。在使用Keil C51的過程中，學(xué)生需要調(diào)試程序，尋找程序錯誤并進(jìn)行修改，這一過程能夠強化學(xué)生對單片機不同指令功能的理解。

（二）自媒體平臺增進(jìn)師生交流互動

"95后”學(xué)生獲取信息的重要渠道就是手機。微信公眾號是當(dāng)前比較流行的自媒體平臺，已經(jīng)有很多教學(xué)工作者將微信公眾號作為與學(xué)生交流溝通的重要工具。在單片機課程教學(xué)當(dāng)中，也可以考慮使用微信公眾號，增進(jìn)師生之間的交流互動。該課程公眾號的內(nèi)容可由教師和學(xué)生共同建立維護(hù)，教師可通過公眾號在課前發(fā)布課堂知識點的思維導(dǎo)圖，引導(dǎo)學(xué)生做好預(yù)習(xí)。學(xué)生可通過公眾號，發(fā)布自己的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況以及存在的問題，教師可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況以及存在的問題適當(dāng)調(diào)整教學(xué)計劃，形成教與學(xué)之間的正反饋。課余時間，教師和學(xué)生都可將自己獲取的單片機最新的發(fā)展信息發(fā)布在公眾號中，實現(xiàn)共同學(xué)習(xí)、教學(xué)相長。

三、總結(jié)與展望

結(jié)合機械類本科專業(yè)學(xué)生的特點以及“95后”學(xué)生的興趣愛好，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)單片機課程的興趣為目的，筆者對單片機課程知識體系和教學(xué)方式的教改策略進(jìn)行了初步探討，取得了良好的教學(xué)效果。在后續(xù)教學(xué)過程中，教師要采用先進(jìn)的信息技術(shù)方法進(jìn)一步豐富教學(xué)手段，如結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)營造具有沉浸感的教學(xué)方式等，從而更好地提升教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳峰，王亞東，蘇紅衛(wèi)，等.基于創(chuàng)新和實踐能力培養(yǎng)的《單片機應(yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)改革與實踐[J].福建電腦，2015，（10）.

[2]楊春麗.應(yīng)用型本科院校單片機課程教學(xué)改革與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2017，（35）.

[3]楊盛，陳星.“單片機應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2013，（2）.