伍馮潔 肖忠 吳澤芳

摘 要：文中介紹目前國內(nèi)高校常用的單片機實踐教學(xué)開展方式及對其存在的問題進(jìn)行分析，提出在單片機實踐教學(xué)中引入自主學(xué)習(xí)的理念，在現(xiàn)有單片機自制設(shè)備基礎(chǔ)上，設(shè)計及制作了單片機自主學(xué)習(xí)平臺，并詳細(xì)介紹了該平臺的搭建過程及開展自主學(xué)習(xí)的方法。經(jīng)該校三屆電氣專業(yè)應(yīng)用表明：該方法能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)與動手的積極性，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí);也能滿足不同學(xué)習(xí)層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，實現(xiàn)因材施教，從而顯著提高單片機課程整體教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí)平臺;實踐教學(xué);單片機;教學(xué)改革 ;LED;A/D采樣

中圖分類號：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-0-03

0 引 言

單片機是高等教育工科電類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它既有自身的理論體系，又有很強的實踐性[1-2]。在講授該門課程時，往往采用理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，其中前者為后者提供必要的單片機理論支撐，后者通過系列實驗驗證單片機理論的正確性，兩者相輔相成，使學(xué)生深刻理解單片機基礎(chǔ)知識及熟練掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)技能。

1 單片機實驗開展方式及問題分析

受高校辦學(xué)理念、人才培養(yǎng)計劃與硬件設(shè)備條件等因素的影響，目前國內(nèi)高校在單片機實踐教學(xué)方面一般采用實驗箱/實驗板、虛擬仿真或自制設(shè)備等教學(xué)方法[3]，其中具體情況及優(yōu)缺點分析如下：

（1）實驗箱/實驗板。采用專業(yè)儀器設(shè)備公司提供的單片機實驗箱/開發(fā)板，具有軟硬件平臺穩(wěn)定、課程資料齊全、售后技術(shù)支持等優(yōu)勢，教師備課及上課較輕松，學(xué)生上實驗課時往往只需把例程調(diào)用出來運行一遍即可，是目前單片機實踐教學(xué)采用最廣泛的一種教學(xué)方式[4]。但因其硬件資源的有限性及固定性，該教學(xué)方法更適用于單片機驗證性實驗，實驗創(chuàng)新性、綜合性與擴展性不強。

（2）虛擬仿真。采用專業(yè)的單片機系統(tǒng)仿真軟件（如proteus）能實現(xiàn)單片機及其外圍電路的共同仿真[5]，具有成本低、易于維護、不受硬件資源限制、擴展性強等優(yōu)點，適用于實驗場地有限或?qū)嶒灲?jīng)費缺乏的學(xué)校。但因仿真只是單片機系統(tǒng)理想狀態(tài)下達(dá)到的效果，而在實際應(yīng)用中單片機系統(tǒng)會受到外界的各種干擾，該方法較容易導(dǎo)致學(xué)生仍停留在單片機理論層面上，動手能力仍缺乏，往往達(dá)不到單片機實踐教學(xué)預(yù)期教學(xué)效果。

（3）自制設(shè)備。由學(xué)生把單片機和其他外圍元器件焊接在萬能板上，學(xué)生以焊接完成的單片機電路板為實驗平臺，完成課程要求的系列實驗內(nèi)容[6]。該方法能充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，最大化發(fā)揮學(xué)生的實驗技能，對培養(yǎng)學(xué)生的實際動手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力起積極作用。但因每個班級學(xué)生的整體水平參差不齊，往往導(dǎo)致學(xué)生所焊接的單片機電路板質(zhì)量差別較大，部分焊接技術(shù)及硬件功底差的學(xué)生，他們焊接完成的電路板往往存在較多硬件問題，有些甚至無法正常下載或正常運行程序，這無疑直接增加任課老師的工作量，同時也是對任課老師專業(yè)水平和動手能力的新考驗。

2 單片機自主學(xué)習(xí)平臺構(gòu)建

通過以上內(nèi)容分析，發(fā)現(xiàn)目前常用單片機實踐教學(xué)方法主要存在以下問題，進(jìn)而影響整體教學(xué)效果：采用平臺穩(wěn)定的實驗箱/實驗板進(jìn)行實踐教學(xué)，學(xué)生往往只是把廠家提供的實驗程序在實驗系統(tǒng)上驗證一遍即可，極大限制了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實驗和自主學(xué)習(xí)，特別對綜合設(shè)計性實驗，該方法存在的弊端更加凸顯;采用虛擬仿真軟件進(jìn)行實踐教學(xué)，學(xué)生只是實現(xiàn)了對單片機電路原理圖的程序仿真，而缺乏對單片機實際硬件電路的認(rèn)識與調(diào)試經(jīng)驗，不利于提高學(xué)生的動手能力;采用由學(xué)生焊接的自制設(shè)備進(jìn)行實踐教學(xué)，由于學(xué)生專業(yè)技能與動手能力差異性較大，容易導(dǎo)致教學(xué)效果兩極分化，即好的更好，差的更差。

為了充分發(fā)揮學(xué)生主觀學(xué)習(xí)能動性，提高學(xué)生實踐動手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力，本文充分借鑒目前常用單片機實踐教學(xué)方法的優(yōu)缺點，擬在自制設(shè)備實踐教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，引入自主學(xué)習(xí)理念[7]，通過對現(xiàn)有單片機自主設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，搭建單片機自主學(xué)習(xí)平臺，以降低學(xué)生制作單片機實驗板的難度。學(xué)生在該平臺上能根據(jù)個人興趣和能力，自主設(shè)計和開展常規(guī)性及創(chuàng)新性單片機實驗[8]，既保證了單片機實踐教學(xué)的先進(jìn)性與創(chuàng)造性，又使大部分學(xué)生能夠順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

單片機自主學(xué)習(xí)平臺由單片機核心模塊及若干個相互獨立的功能模塊組成[9-11]，如圖1所示。

3 單片機自主學(xué)習(xí)開展與效果分析

3.1 實驗教學(xué)實施

單片機自主學(xué)習(xí)平臺以單片機模塊為核心，配以常用接口模塊及擴展模塊，參加實驗的學(xué)生按照層次化實驗內(nèi)容教學(xué)方法開展單片機自主學(xué)習(xí)任務(wù)。

（1）搭建單片機核心系統(tǒng)，并開展相關(guān)實驗項目。單片機核心系統(tǒng)主要包括單片機核心模塊、供電模塊、鍵盤輸入模塊、LED與數(shù)碼管顯示模塊、A/D采樣模塊等，可完成單片機內(nèi)部操作、I/O輸入輸出、流水燈、定時器/計數(shù)器、外部中斷、鍵盤顯示、A/D采樣、自收發(fā)串行通信等基礎(chǔ)性實驗。首先，把單片機核心系統(tǒng)包括的所有元器件，按照自上到下，先低后高的原則焊接在PCB基板上;其次，根據(jù)電路實現(xiàn)原理，將相關(guān)元器件的引腳用杜邦線連接起來，并進(jìn)行電氣連接正確性檢查;最后，編寫相關(guān)功能程序，編譯、下載程序到單片機后，觀察程序運行現(xiàn)象，并記錄、分析實驗結(jié)果，同時根據(jù)實驗要求修改程序代碼，以實現(xiàn)不同的實驗效果。

（2）循序漸進(jìn)逐步完成平臺搭建，開展課內(nèi)拓展性實驗。在單片機核心系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)進(jìn)度及效果，以功能模塊為單位，循序漸進(jìn)，逐步把蜂鳴器、串行通信、LCD顯示、溫度控制等模塊搭建完成，并在已有基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上開展課內(nèi)擴展性實驗，能分別完成單片機聲頻輸出與控制、上下位機串行通信、液晶顯示控制、溫度采集與控制等擴展性實驗內(nèi)容。

（3）學(xué)有余力，開展課外創(chuàng)新性實驗。部分基礎(chǔ)扎實與動手能力強的學(xué)生，在完成課內(nèi)規(guī)定的實驗內(nèi)容外，還可以通過單片機核心模塊外擴部分常用模塊，如溫濕度傳感器、紅外熱釋傳感器、超聲波傳感器、藍(lán)牙、WiFi、GPS定位、ZigBee或GPRS無線通信等模塊，完成相應(yīng)傳感器的采集傳輸與分析處理，真正做到因材施教，極大地調(diào)動學(xué)生參與實踐教學(xué)的積極性，為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造性人才創(chuàng)造條件。

3.2 實驗效果

筆者將該平臺及方法應(yīng)用在本校電氣專業(yè)的單片機實踐教學(xué)中，2016—2018年期間，約540位學(xué)生使用該單片機自主學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行驗證性、綜合性與創(chuàng)新性實驗。每位學(xué)生能根據(jù)自身能力與知識構(gòu)造，自主搭建及完成單片機實驗項目，學(xué)有余力的少數(shù)同學(xué)除了完成任課老師布置的實驗任務(wù)外，還能在該平臺上開展系列拓展性實驗及創(chuàng)新創(chuàng)造性項目。該單片機能很好地滿足不同層次學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)需求，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果。

學(xué)生應(yīng)用本文單片機平臺開展自主學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)積極性與動手能力明顯提高，2018年間，學(xué)生課后申請單片機實驗開放人數(shù)比往年增加了約600人次;學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目及課外科技競賽（如挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計大賽等）的人數(shù)比往年增加了約20%;此外，學(xué)生畢業(yè)后從事單片機開發(fā)工作的比例比往年上升了約15%。

4 結(jié) 語

本文通過在單片機實踐教學(xué)中引入自主學(xué)習(xí)，采用層次化內(nèi)容教學(xué)方法，由學(xué)生獨立地對單片機實驗內(nèi)容進(jìn)行分析、探索、實踐、質(zhì)疑和創(chuàng)造等方法來實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)，不僅實現(xiàn)了以學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，真正做到因材施教，還使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，顯著提高了學(xué)生整體的動手能力及單片機整體實踐教學(xué)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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