單片機(jī)技術(shù)教學(xué)改革研究與實(shí)踐＊

韓彩霞

(武漢文理學(xué)院信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430345)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化、智能化的飛速發(fā)展，單片機(jī)以其良好的集成度、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于生活或生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，比如智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化設(shè)備、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、開關(guān)電源、智能儀器儀表、家用電器。同時(shí)，企業(yè)對(duì)單片機(jī)工程技術(shù)人員的要求也逐漸提高。“單片機(jī)技術(shù)”是自動(dòng)化、電子信息工程等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于工程技術(shù)類課程，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，提升實(shí)踐能力的重要課程。

根據(jù)一流課程建設(shè)要求中高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特點(diǎn)，結(jié)合我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建立和多年參加學(xué)科競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，通過重新梳理教學(xué)手段、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容以及課程的考試方法等，搭建了單片機(jī)技術(shù)課程軟、硬結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，打通課程理論和實(shí)踐學(xué)習(xí)的時(shí)間、空間界限，實(shí)現(xiàn)能力貫通式培養(yǎng)，并構(gòu)建了“課、賽、考”融合的課程考試新模式。經(jīng)過近幾年的教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)單片機(jī)技術(shù)課程的滿意度較高，學(xué)生綜合設(shè)計(jì)、應(yīng)用能力大幅提升，參加學(xué)科競(jìng)賽人數(shù)逐年增加，競(jìng)賽成績(jī)不斷提高。

1 單片機(jī)技術(shù)教學(xué)改革

1.1 教學(xué)方法與手段改革

單片機(jī)技術(shù)課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，理論與實(shí)踐密切結(jié)合是本課程的重要而突出的特點(diǎn)。課程的教學(xué)目標(biāo)為，通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生熟悉單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法，掌握單片機(jī)技術(shù)及其在工業(yè)控制和日常生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)能力，為將來從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為此，將課程全部安排在實(shí)驗(yàn)室完成，打破理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的界限，實(shí)現(xiàn)全程參與式教學(xué)過程。課程教學(xué)中教師邊講學(xué)生邊練，學(xué)生練習(xí)的同時(shí)，教師同步指導(dǎo)，真正做到理論、實(shí)踐統(tǒng)一。

采取“教、學(xué)、做”一體的項(xiàng)目教學(xué)法，讓學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。打破原有的理論知識(shí)章節(jié)，將知識(shí)點(diǎn)分散到各個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中去，項(xiàng)目的完成過程就是知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)、掌握的過程，同時(shí)也是一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的過程。重組后的具體教學(xué)項(xiàng)目和課程原有知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 教學(xué)項(xiàng)目表

在項(xiàng)目的構(gòu)成上，充分考慮知識(shí)的累積，采取遞進(jìn)式。前一個(gè)項(xiàng)目是后一個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，后一個(gè)項(xiàng)目是前一個(gè)項(xiàng)目的加深。這樣既學(xué)習(xí)了新知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)舊知識(shí)點(diǎn)也起到了溫故知新的作用。

1.2 教學(xué)過程與管理改革

1.2.1 教學(xué)過程

為了很好的開展項(xiàng)目式教學(xué)，教學(xué)中搭建了軟、硬結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

軟實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)由虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)和單片機(jī)開發(fā)板教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，由計(jì)算機(jī)、電路仿真軟件Proteus 和程序編寫軟件Keil 組成，構(gòu)成了程序編寫、電路設(shè)計(jì)、電路仿真為一體的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。單片機(jī)開發(fā)板集成了單片機(jī)最小系統(tǒng)和單片機(jī)外圍常用資源，如液晶顯示模塊、矩陣式鍵盤模塊、溫度傳感器模塊和紅外傳感器模塊等等。單片機(jī)開發(fā)板是虛擬仿真和硬件電路設(shè)計(jì)的橋梁，使用開發(fā)板可將通過虛擬仿真設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行驗(yàn)證、分析，同時(shí)開發(fā)板中對(duì)單片機(jī)的I/O 引腳進(jìn)行了引出，供使用者進(jìn)行擴(kuò)展使用，為開展創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供支撐。

由虛擬仿真軟件和單片機(jī)開發(fā)板構(gòu)成的軟實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，打破了教學(xué)的時(shí)間和空間距離，極大地提高了實(shí)踐學(xué)習(xí)的時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)了教、學(xué)、做的統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力、程序調(diào)試能力，為后續(xù)開展硬件電路設(shè)計(jì)、電路板焊接及調(diào)試奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

硬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)依托于學(xué)院創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室采取全天開放式運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室配有分立元件、導(dǎo)線、焊槍、洞洞板、示波器、信號(hào)發(fā)生器和萬(wàn)用表等常用器件及工具。硬實(shí)踐平臺(tái)為學(xué)生自己搭接實(shí)際硬件電路，整體硬件電路焊接、調(diào)試等提供必要的工具。

通過仿真電路的搭建，一定程度上可以提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力。但仿真只是一個(gè)手段，它不能取代單片機(jī)學(xué)習(xí)中的真實(shí)硬件電路焊接、調(diào)試。因此，在軟實(shí)踐的基礎(chǔ)上，利用硬實(shí)踐平臺(tái)，使單片機(jī)設(shè)計(jì)真正落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用。

1.2.2 教學(xué)管理

項(xiàng)目教學(xué)中采取以三～四人為單位形成團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員分工明確，互幫互助，共同完成項(xiàng)目。為了充分培養(yǎng)每個(gè)學(xué)生的能力，在多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，團(tuán)隊(duì)成員需要互換角色，如第一個(gè)項(xiàng)目某同學(xué)負(fù)責(zé)電路繪制與仿真，在另外一個(gè)項(xiàng)目中該同學(xué)不能再負(fù)責(zé)這一部分工作。課程最后成績(jī)以團(tuán)隊(duì)為單位記錄，這樣團(tuán)隊(duì)成員間需要通力合作，每位成員都要較好地完成自己負(fù)責(zé)的工作部分，否則會(huì)影響團(tuán)隊(duì)成員的成績(jī)。

1.3 考核方法與能力培養(yǎng)

為了對(duì)學(xué)生做出客觀、公正的評(píng)價(jià)，引導(dǎo)其明確學(xué)習(xí)方向，提高課程考試的科學(xué)性，探索有利于學(xué)生綜合素質(zhì)和能力培養(yǎng)的課程考核、評(píng)價(jià)體系，充分發(fā)揮考核、評(píng)價(jià)的導(dǎo)向功能，通過課程考核促進(jìn)學(xué)生能力、素質(zhì)的提升，促進(jìn)教師教育教學(xué)改革，進(jìn)而提高課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。我們根據(jù)一流課程建設(shè)要求中高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特點(diǎn)，以及我校多年參加學(xué)科競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了“課、賽、考”融合的單片機(jī)技術(shù)課程的考核模式。

“課、賽、考”融合的課程考核模式具體含義包含以下兩個(gè)部分。

⑴以競(jìng)賽代替考試形式，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與考試的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生潛能，促使學(xué)生主動(dòng)、自愿參與考試，達(dá)到以考促學(xué)的目標(biāo)。

⑵考試貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中，有效利用考核評(píng)價(jià)反饋機(jī)制，及時(shí)糾正教師的教學(xué)方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)方法，使教、學(xué)、考、評(píng)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

以單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程為基準(zhǔn)，采取全過程的課程考核模式，每個(gè)項(xiàng)目完成后都需要進(jìn)行課程考核，課程總成績(jī)由各個(gè)項(xiàng)目成績(jī)共同構(gòu)成。考核內(nèi)容包括電路設(shè)計(jì)、程序編寫、硬件電路焊接及調(diào)試三個(gè)部分。

2 教學(xué)實(shí)施過程

下面以表1 中的項(xiàng)目六“擴(kuò)展應(yīng)用”為例，詳細(xì)說明單片機(jī)技術(shù)教學(xué)實(shí)施過程。

教學(xué)中給出如下的系統(tǒng)整體框圖。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

首先對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分析。需要單片機(jī)作為主控芯片，與振蕩電路、復(fù)位電路共同構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)；時(shí)鐘模塊由實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302 和外接32768Hz 的晶振組成；溫度采集模塊由溫度傳感器DS18B20組成；液晶顯示模塊由LCD1602組成。

電路設(shè)計(jì)需要利用計(jì)算機(jī)、電路仿真軟件Proteus繪制電路圖，如圖2所示。

圖2 電路仿真圖

在程序編寫軟件Keil中建立項(xiàng)目，編寫主函數(shù)、子函數(shù)和頭文件等，程序編寫完成后進(jìn)行編譯、鏈接，將生成的Hex 文件加載到仿真圖中的單片機(jī)中進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖2所示。

利用開發(fā)板中的實(shí)際電路對(duì)虛擬仿真設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行調(diào)試，使學(xué)生建立程序調(diào)試的方法，為后續(xù)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。程序下載至開發(fā)板后，運(yùn)行結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 程序在開發(fā)板中運(yùn)行結(jié)果圖

硬件電路的焊接步驟：①對(duì)所有元件進(jìn)行檢測(cè)，確保每個(gè)元件的質(zhì)量；②在萬(wàn)用板上進(jìn)行電路規(guī)劃，振蕩電路、復(fù)位電路、電源電路、外圍電路等；③電路焊接時(shí)由里到外，由低到高的順序。

硬件電路調(diào)試步驟：①用萬(wàn)用表檢測(cè)電源是否接通；②用示波器檢測(cè)振蕩電路是否正常；③用萬(wàn)用表檢測(cè)復(fù)位電路是否正常；④檢測(cè)電路板上焊點(diǎn)、接線是否正確。

表2 項(xiàng)目考核表

3 結(jié)束語(yǔ)

通過項(xiàng)目式教學(xué)以及軟、硬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建立，使單片機(jī)技術(shù)課程理論和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合更加緊密，改革了傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，實(shí)踐貫穿課程的整個(gè)教學(xué)過程，提高了學(xué)習(xí)積極性和參加各類學(xué)科競(jìng)賽的熱情，教學(xué)效果得到了明顯的提升。通過“課、賽、考”融合的課程考核模式，改變傳統(tǒng)的考試方式，采取全過程的課程考核，有效利用評(píng)價(jià)的反饋機(jī)制，對(duì)教學(xué)或?qū)W習(xí)及時(shí)做出改進(jìn)，變單純的學(xué)業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)為學(xué)生全面素質(zhì)、能力的綜合考評(píng)，使教、學(xué)、考、評(píng)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以考促學(xué)、以考促教，提高課程教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。