賈豫東+張曉青

摘要：本文針對單片機實驗課教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計，采用模塊化教學(xué)思想，結(jié)合專業(yè)特點，將一些本專業(yè)經(jīng)典設(shè)計案例進行分解，按照從基礎(chǔ)到創(chuàng)新4個實驗層次，先易后難，將實驗內(nèi)容構(gòu)成一個有機整體，形成進階式的學(xué)習(xí)模式。由于設(shè)計內(nèi)容更貼近學(xué)生專業(yè)，可以更好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在教學(xué)實踐中取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：單片機;模塊化;實驗教學(xué)

中圖分類號：G642 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0212-02

實驗教學(xué)是教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)，主要是針對課程的理論做出科學(xué)驗證，讓學(xué)生加深對理論的認識，同時通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)嚴謹?shù)淖黠L。但從目前專業(yè)課程教學(xué)情況來看，根據(jù)現(xiàn)有條件，讓學(xué)生自己動手構(gòu)思和設(shè)計的實驗開設(shè)比較少。這在不同程度上影響到學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，尤其是在硬件動手能力方面。目前單片機技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，因為其重要性，是工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強的工程實踐性，在各個工科專業(yè)的實踐設(shè)計環(huán)節(jié)中普遍被學(xué)生采用[1-3]。因此研究其實驗教學(xué)的特點，幫助學(xué)生有效的掌握單片機設(shè)計知識，具有重要的意義。下面從教學(xué)內(nèi)容課程設(shè)置的角度深入分析模塊化教學(xué)在單片機實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思路。

一、傳統(tǒng)單片機實驗教學(xué)方法的不足及改進

目前在單片機實驗教學(xué)中，廣泛采用的是實驗箱操作模式。試驗箱教學(xué)是一種優(yōu)秀的教學(xué)學(xué)習(xí)模式，可以讓學(xué)習(xí)者在較短時間內(nèi)了解系統(tǒng)的基本開發(fā)過程。但其集成性強、開放性不足的特點，也會讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生“黑盒子效應(yīng)”，對內(nèi)部模塊的工作過程不求甚解，認識不深入。在實踐過程中教師按操作步驟逐步進行，留給學(xué)生分析思考的余地很少，學(xué)生基本上都將操作程序化，當作一種任務(wù)來完成，即測量、記錄所需的數(shù)據(jù)并形成報告就算完成設(shè)計。從某種意義上講，學(xué)生將“單片機設(shè)計”當成了傳統(tǒng)的“實驗課”來實施，實驗只是對前人知識的驗證、重復(fù)和再現(xiàn)，對鍛煉學(xué)生的動手能力，以及加深原理理解有一定的作用，但對于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題和解決實際問題的能力方面是遠遠不夠的[1]。

模塊課程最早見于20世紀50～70年代的職業(yè)技術(shù)教育課程，即將內(nèi)在邏輯聯(lián)系緊密、學(xué)習(xí)方式要求和教學(xué)目標相近的教學(xué)內(nèi)容整合在一起，構(gòu)成小型化的模塊課程。實施模塊教學(xué)的首要工作是對教學(xué)內(nèi)容的改革，而教學(xué)內(nèi)容的確立最終應(yīng)歸結(jié)于課程體系的建立。因此，實施模塊教學(xué)的重點是建立模塊課程體系。模塊課程體系就是打破原有學(xué)科課程體系，以實用能力和必備素質(zhì)為培養(yǎng)目標，采用模塊教材形式，改進原有學(xué)科內(nèi)容的編排方式，綜合原有相關(guān)學(xué)科內(nèi)容，而形成的各個全新課程的集合。模塊化教學(xué)多見于大學(xué)課程，是按照程序模塊化的構(gòu)想和原則來設(shè)計教學(xué)內(nèi)容的一整套教學(xué)體系，采用模塊化思想，構(gòu)建一個單片機模塊化設(shè)計平臺，學(xué)生可以采用提供的模塊，根據(jù)要求，自己動手獨立完成一個完整的單片機設(shè)計題目。通過這樣的實驗教學(xué)模式，學(xué)生可以擺脫試驗箱固有模式對設(shè)計思想的束縛，采用類似搭積木的方式構(gòu)建硬件連接，從而把更多的精力放在創(chuàng)造性的設(shè)計上來;采用模塊化方式構(gòu)建硬件架構(gòu)，圍繞單片機核心，學(xué)生可以在后期的專業(yè)設(shè)計中，采用擴展模塊的方式，自主選擇各種功能模塊，并添加進自己的電路中，大大豐富了應(yīng)用層面的內(nèi)容，加強了其他專業(yè)課和單片機課之間的聯(lián)系，無論對單片機內(nèi)容的學(xué)習(xí)，還是相關(guān)專業(yè)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，都起到了強有力的推動作用;模塊化式的硬件平臺構(gòu)建模式中所有的功能模塊是可以被替換和增加的，可以很方便在不舍棄其他功能模塊的基礎(chǔ)上，將新芯片融合到已有的設(shè)計中去，不僅能夠加快對新芯片的消化過程，而且不再另外增加硬件成本。

二、實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

CDIO是基于項目教育和學(xué)習(xí)的新型教學(xué)模式，它以工程項目從研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學(xué)生主動獲取知識，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計技能;注重知識與多種能力的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決問題的能力、終生學(xué)習(xí)能力、交流能力和大系統(tǒng)掌控能力[4]。

根據(jù)CDIO工程教育理念，將實驗環(huán)節(jié)與產(chǎn)品開發(fā)生命周期——構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作緊密結(jié)合起來，實驗課程體系可分解為4個層次：基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗和專業(yè)創(chuàng)新性實驗[5。

在此設(shè)計理念指導(dǎo)下，總體設(shè)計思路是以完整的系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容為主線，在4個層次的實驗內(nèi)容分配中，先易后難，先基礎(chǔ)后綜合，通過該系統(tǒng)完整功能的實現(xiàn)將實驗的主要內(nèi)容貫穿起來，使實驗內(nèi)容成為一個整體，形成進階式的學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。具體的實施時，先將該系統(tǒng)進行模塊分解，然后將分解后的模塊按照系統(tǒng)的設(shè)計進程，貫穿到整個實驗中，每個模塊是相關(guān)的，前一次實驗是后一次實驗實施基礎(chǔ)[6]。教師在設(shè)計課程時，也必須考慮到如下問題：教學(xué)過程中所有成分都要能體現(xiàn)在課程內(nèi)容中;所選的內(nèi)容和題目要遵循教學(xué)論的基本原理;內(nèi)容的設(shè)置要考慮到教學(xué)目的、設(shè)計的可行性，教學(xué)任務(wù)、內(nèi)容的統(tǒng)一，以及教學(xué)的組織形式;在選擇課程內(nèi)容設(shè)置時充分考慮到每一步的教學(xué)手段與方法的不足之處;在體現(xiàn)教學(xué)方法多樣化的時候，不可貪多求繁;課程內(nèi)容的設(shè)置要有發(fā)展的眼光，具體的設(shè)計方法和題目要隨著技術(shù)的發(fā)展而變，隨著教學(xué)對象的變化而變化。

以激光器驅(qū)動源的設(shè)計為例，該設(shè)計是本專業(yè)學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中經(jīng)常要用到的基本設(shè)計。按照設(shè)計進程，將內(nèi)容拆解，第一次實驗內(nèi)容是基本編譯環(huán)境構(gòu)建和IO口的編程控制，可以用IO口控制LED實現(xiàn)指示燈亮滅，以便于后續(xù)作狀態(tài)顯示;第二次實驗進行外圍擴展接口的調(diào)試，如AD和DA，為后續(xù)實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)控制做準備;第三次實驗進行中斷系統(tǒng)的調(diào)試，采用按鍵通斷觸發(fā)控制外部中斷，以便于實現(xiàn)人機交互;第四次實驗在壓控恒流源的基礎(chǔ)上，通過按鍵加減改變DA輸出，控制恒流源電流大小。前兩次課內(nèi)容屬于基礎(chǔ)性實驗，只有少量的設(shè)計性實驗內(nèi)容，后兩次課就開始增加了設(shè)計性實驗內(nèi)容的比重。最后兩次課屬于綜合設(shè)計內(nèi)容和在此基礎(chǔ)上的專業(yè)創(chuàng)新性實驗，可以利用AD采樣實現(xiàn)恒流源電流采樣，并通過負反饋實現(xiàn)驅(qū)動電流的閉環(huán)控制，對于進度較快的同學(xué)，可以引入負反饋控制算法的改進探討。這樣，學(xué)生每一次實驗都必須是在前一次實驗完成的情況下進行，并且實驗內(nèi)容可以很好的結(jié)合專業(yè)方向的應(yīng)用，對學(xué)生更有吸引力。進階式的連續(xù)設(shè)計也使得學(xué)生在不知不覺中從難道易，逐步掌握了單片相關(guān)的實驗內(nèi)容。同時由于實驗內(nèi)容的設(shè)計導(dǎo)致每一次實驗課都是下一次實驗課的延續(xù)，如果沒有上次實驗課的實現(xiàn)，下次的實驗課也無法繼續(xù)進行，這樣也就迫使學(xué)生克服危難情緒，勇于去面對實踐中碰到的問題，這樣在每次成功后的成就感也會鼓勵學(xué)生繼續(xù)自主學(xué)習(xí)。

類似這樣的設(shè)計例子有很多，基本都可以按照同樣的思路進行模塊化分解，同時所選的設(shè)計內(nèi)容可以靈活結(jié)合專業(yè)特點。

三、實驗課程實施

實驗課實施環(huán)節(jié)是課程內(nèi)容達到預(yù)期效果的保證。“做中學(xué)”是CDIO的一個顯著的特點。在實驗實施過程中，教師通過提出設(shè)計要求，讓學(xué)生根據(jù)要求，查找相應(yīng)地資料，跟同學(xué)交流探討。所有的實驗軟硬件平臺的構(gòu)建和調(diào)試都是由學(xué)生主動來完成，教師只是設(shè)計一些問題，引導(dǎo)學(xué)生自己從互聯(lián)網(wǎng)查找資料，積極思考，學(xué)生獨立分析項目實施過程的每個步驟，獨立解決項目過程出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

綜合性設(shè)計實驗以個人為單位進行，可以避免部分學(xué)生“搭順風車”的思想。以前試驗箱教學(xué)方法由于條件限制，需要將學(xué)生以小組形式進行實驗，每個組基本統(tǒng)一一個成績，這樣甚至?xí)霈F(xiàn)一個做、其他人看的局面，無法保證整體的學(xué)習(xí)效果。而采用模塊化教學(xué)，每個學(xué)生都將領(lǐng)到一套實驗課中需要用到的器件，不僅能鍛煉學(xué)生的獨立學(xué)習(xí)能力，同時在實踐過程中，也會驅(qū)使學(xué)生主動去跟其他同學(xué)溝通、學(xué)習(xí)，解決自己碰到的問題。

四、結(jié)論

單片機的實驗教學(xué)內(nèi)容對于整個“單片機”課程而言，是非常重要的一個部分，在教學(xué)過程中合理的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，可以有效的提高教學(xué)效果。采用模塊化教學(xué)模式，將專業(yè)設(shè)計中一些經(jīng)典的設(shè)計實例進行分解，按照先易后難，先基礎(chǔ)后綜合的方式，合理分配基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗和專業(yè)創(chuàng)新性實驗四個層次實驗內(nèi)容的比重，形成進階式學(xué)習(xí)進度控制。同時由于設(shè)計內(nèi)容更貼近學(xué)生的專業(yè)，可以更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并為后續(xù)專業(yè)課設(shè)計打好基礎(chǔ)。這樣的教學(xué)改革與實踐筆者已經(jīng)實施了三年，可以明顯看到，學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容后，在后期的課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計中能夠主動將本課程內(nèi)容與各自的具體研究課題相結(jié)合，熟練應(yīng)用本課程學(xué)到的實驗技能，提高了實踐應(yīng)用能力。

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