基于單片機課程應(yīng)用能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系構(gòu)建

劉開緒，楊桂花，馬駿馳

(大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095－0063.2014.03.040

1 實踐環(huán)節(jié)貫穿式的單片機教學(xué)方式的提出

單片機在工科電類專業(yè)教育中占據(jù)重要地位，單片機課程涉及芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、編程語言及高級語言軟件環(huán)境、外圍接口硬件資源等，它能夠?qū)㈦娮蛹夹g(shù)等先修課程聯(lián)系到一起，屬于技術(shù)性、實踐性、工程性很強的一門課程，但在目前的教學(xué)中主要存在以下兩方面問題:

1.1 理論與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)

單片機的語言是與其硬件緊密聯(lián)系的，單片機系統(tǒng)是軟件和硬件的有機體系，初學(xué)者會感覺很枯燥。中斷的概念、可編程定時器/計數(shù)器、串行通訊、系統(tǒng)擴展等教學(xué)環(huán)節(jié)，一旦學(xué)生出現(xiàn)厭倦情緒，或者跟不上教學(xué)進度，學(xué)生就會掉隊，并以此產(chǎn)生厭學(xué)情緒。傳統(tǒng)的教學(xué)是理論教學(xué)先行，開課兩三周之后才開始第一次實驗課，而且不是每周都有實驗課，造成了理論教學(xué)與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)銜接松散。學(xué)生如何理解“01H”既能代表地址，又能代表數(shù)據(jù)，到底有什么區(qū)別?存儲器空間的概念為學(xué)生交代不清的話，那么就會使得學(xué)生無法理解后續(xù)的內(nèi)容。如何一開始就能夠降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，使生澀難懂的內(nèi)容變得直觀和形象，不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的濃厚興趣呢?教學(xué)活動全程融入實踐環(huán)節(jié)是真正解決問題的關(guān)鍵。

1.2 傳統(tǒng)實驗資源、實驗?zāi)Ｊ降牟贿m應(yīng)性

傳統(tǒng)的實驗臺、實驗箱的資源整合很緊湊，學(xué)生只能按部就班地進行連線實驗，創(chuàng)新發(fā)揮的空間十分有限，這體現(xiàn)了現(xiàn)有實驗資源的不適應(yīng)性。能否將實驗資源設(shè)計成開放式的、模塊化的、組合式的，從而使學(xué)生以單片機核心板為基礎(chǔ)進行按需擴展，充分發(fā)揮單片機應(yīng)用靈活多樣的應(yīng)用特點。

傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ绞菍嶒灲處熃o定具體的實驗題目，每次實驗課學(xué)生都在規(guī)定的試驗箱上做同一個項目。試驗箱上的資源確實很豐富，但多數(shù)學(xué)生只能機械地進行連線、下載給定的程序，驗證固有現(xiàn)象而已。傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ绞`了學(xué)生的思維，限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)揮，扼殺了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

對于單片機教學(xué)，如按傳統(tǒng)教學(xué)的陳規(guī)，學(xué)生在校或畢業(yè)已無法面對新形勢的挑戰(zhàn)，他們應(yīng)聘就業(yè)時底氣不足。面對這些問題，作為教師，應(yīng)大膽地進行課程教學(xué)方式方法的研究，讓學(xué)生在學(xué)好基礎(chǔ)知識的同時，迅速掌握單片機的設(shè)計應(yīng)用技術(shù)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)與實踐能力的有效方法，為培養(yǎng)“落地型”技能人才所做的努力都是必要的。解決這些不適應(yīng)性就需要從教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)資源、教學(xué)模式等多方面著手，為此我們結(jié)合實際教學(xué)提出了實踐環(huán)節(jié)貫穿式的單片機課程教學(xué)改革。

2 新型實踐教學(xué)方式的構(gòu)建

2.1 演示實驗進課堂

首先是開發(fā)與課程內(nèi)容相配套的系列化演示實驗教具。演示教具來源于教師的精心設(shè)計，起初需要教師親自制作，也可以珍藏學(xué)生的設(shè)計作品;圖片及視頻資料，來源于從學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計、各類競賽中獲取的資料，或來源于網(wǎng)絡(luò)資源等。課堂上通過演示實驗、播放視頻及圖片資料加強學(xué)生學(xué)習(xí)的直觀感，克服學(xué)習(xí)的畏懼情緒，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

在第一次課或每一次課的導(dǎo)引部分，除了簡要列舉大量圖文并茂的應(yīng)用案例外，把一些新穎的作品的視頻、實物帶進課堂，并簡要介紹它們的工作原理及應(yīng)用，創(chuàng)建一個“單片機不但有用而且有趣”的情景，從而激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。

其次，設(shè)計開發(fā)STC89C52核心板，它采用USB線供電，H340型USB轉(zhuǎn)串口下載線，另配5V穩(wěn)壓電源及光盤資料。STC89C52核心板上整合了16位LED、8位SW按鍵、4位數(shù)碼管、1個蜂鳴器、1個繼電器、1 塊24C02 串口存儲芯片［1］。

該核心板能夠完成I/O端口實驗、中斷二級嵌套實驗、定時器實驗等，兩塊板可以進行串口通訊。只要有一臺電腦，學(xué)生在哪都可以進行實驗。在機房課堂上，學(xué)生跟隨教師完成課內(nèi)訓(xùn)練內(nèi)容。課外，學(xué)生可以在宿舍、家庭等場所繼續(xù)實驗練習(xí)，這種方式便于在學(xué)生中形成共同學(xué)習(xí)單片機的氛圍。

理論教學(xué)與“實物”相結(jié)合之后，使得單片機教學(xué)中所涉及到的抽象內(nèi)容變得直觀易懂了，使得學(xué)生直觀具體地認識和了解單片機的實際工作和應(yīng)用方式。在教學(xué)中為學(xué)生提供電路板的完整電路原理圖，將課堂教學(xué)的內(nèi)容和其“實物”聯(lián)系起來，并逐步讓學(xué)生學(xué)會讀圖、識圖，為設(shè)計單片機系統(tǒng)的應(yīng)用電路打好基礎(chǔ)。

開發(fā)的單片機核心實驗板套件成本價控制在50元以內(nèi)，可鼓勵學(xué)生購買后自行組裝焊接使用，或者實驗室提供成品板供學(xué)生租用，保證每生人手一套。擁有核心板的同學(xué)可以把核心板傳承給下年級學(xué)生繼續(xù)使用。

2.2 教學(xué)過程強調(diào)三種技能培養(yǎng)

在教學(xué)過程中強調(diào)基本技能、綜合技能、工程應(yīng)用技能的培養(yǎng)。課堂理論教學(xué)著重強化基本技能訓(xùn)練和培養(yǎng)，結(jié)合課程內(nèi)容，強化各模塊的訓(xùn)練項目，這也是將來進行工程應(yīng)用的基礎(chǔ);課內(nèi)實驗教學(xué)重點強調(diào)綜合技能培養(yǎng)，訓(xùn)練項目以綜合設(shè)計性、研究型項目為主，鍛煉學(xué)生綜合運用知識的能力;課堂之外教學(xué)環(huán)節(jié)，在課程設(shè)計、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計等多元化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，以工程項目為訓(xùn)練內(nèi)容，重點強調(diào)工程應(yīng)用技能的培養(yǎng)。把對學(xué)生要求的知識和技能相互融合，使之成為一個有機的考核體系。通過給學(xué)生布置項目或?qū)W生自選項目，讓每位同學(xué)選做一個。項目可以是一個單片機控制的模擬系統(tǒng)，如恒溫加熱系統(tǒng)，也可以是一個單片機控制的電子產(chǎn)品，如智能壁障小車等［2］，并要求在指定時間內(nèi)完成，并驗收答辯。在學(xué)生制作實物的過程中教師給予必要的幫助和引導(dǎo)，并鼓勵學(xué)生充分利用教材及其他參考書等資源獨立完成項目，鍛煉學(xué)生獨立開發(fā)單片機產(chǎn)品的能力。

所提倡的新型教學(xué)方式使實踐環(huán)節(jié)融入到單片機課程教學(xué)的全過程，不同的階段、不同的層次安排不同的訓(xùn)練項目，側(cè)重培養(yǎng)不同的技能。調(diào)動起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性后，以學(xué)生為中心的氛圍就會自然形成，培養(yǎng)學(xué)生綜合技能的目標才能更好地實現(xiàn)。圖1為單片機課程教學(xué)活動流程圖。

圖1 單片機課程教學(xué)活動流程圖

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，都是按照單片機的結(jié)構(gòu)體系來授課的，存在很多問題。在本門課程教學(xué)過程中，我們用模塊化、項目驅(qū)動和任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法為主，將課程中所學(xué)的知識內(nèi)容劃分成若干個教學(xué)模塊，每個模塊包含一個或幾個知識點，理論及實訓(xùn)均圍繞模塊展開，每個模塊以工程項目為背景，項目涉及的內(nèi)容采取任務(wù)驅(qū)動方法。教學(xué)中以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，以知識點應(yīng)用為載體，以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力為目的。

在單片機課程教學(xué)活動流程中，貫穿于三條教學(xué)活動主線的是教學(xué)團隊建設(shè)和學(xué)生能力培養(yǎng)。

3 實踐教學(xué)體系建設(shè)的配套保障

3.1 推行實驗室開放

學(xué)生想要完成某些工程項目的驗證，缺少的實驗?zāi)K和器件怎樣解決?我們采取開放實驗室并出借資源的方式來解決。學(xué)生可以在實驗室開放的時間段利用實驗室資源完成設(shè)計和制作，也可以租借單片機擴展模塊，并定期歸還。如實驗室可以提供LCD12864、18B20、Zigbee無線通訊模塊、陀螺儀、直流電機、舵機、步進電機、機械臂、履帶車體、L298驅(qū)動模塊等，租借方式為學(xué)生提供了使用實驗資源的有效途徑。

為了保證開放性實驗管理有序進行，我們完善了實驗教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)。學(xué)生可以在網(wǎng)站上預(yù)約實驗實踐、實驗項目，網(wǎng)站的建設(shè)也促進了實驗室開放的管理。

3.2 課程網(wǎng)站建設(shè)

經(jīng)過幾年的努力，我們建成了校級單片機精品課程網(wǎng)站，為學(xué)生提供了系統(tǒng)的訓(xùn)練項目及學(xué)生交流互動平臺，為課程教學(xué)提供了強有力的資源平臺支撐。

3.3 教學(xué)團隊建設(shè)

學(xué)生技能的培養(yǎng)是教學(xué)的結(jié)果，而教學(xué)是師生雙方互動的過程。沒有高素質(zhì)的教師，沒有高水平的教學(xué)團隊，就傳授不了先進的教學(xué)思想和系統(tǒng)的知識。要完善教學(xué)團隊建設(shè)，就得使教師參與到教學(xué)的全過程之中去鍛煉，每位教師都勝任理論教學(xué)、實踐教學(xué)，都具備指導(dǎo)競賽、指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計的能力，過硬的教師隊伍建設(shè)勢在必行。

3.4 實驗硬件條件的保障

課程團隊自行設(shè)計制作了20多個演示實驗教具，引導(dǎo)理論教學(xué)起到了很好的教學(xué)效果。自行開發(fā)了STC89C52RC及C8051F020單片機最小實驗系統(tǒng)板及外圍擴展模塊，并在大學(xué)生電子設(shè)計競賽中付諸應(yīng)用，取得了很好的效果［3］。實驗室現(xiàn)有沈飛生產(chǎn)的51/86單片機原理試驗箱30套，北京新華龍電子有限公司生產(chǎn)的C8051F020試驗板30套，及模塊組合式試驗箱30套。

通過課程改革研究，實現(xiàn)理論與實踐互動、師生互動、直觀與抽象互動，實現(xiàn)現(xiàn)代教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合、虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合、基礎(chǔ)實驗和工程綜合應(yīng)用相結(jié)合，全面提升課程的教學(xué)效果。

4 結(jié)語

新型的教學(xué)方式試行兩年多來，取得了演示實驗教具30多件，自行開發(fā)的單片機核心板有STC89C52、C8051F020、MSP430－169系列及 M3－Cortex系列，及 ADC/DAC、MOTOR、8位 LED 數(shù)碼管、LCD12864等配套模塊近20種，設(shè)計出了模塊組合式單片機試驗箱。近兩年來，學(xué)生參加電子設(shè)計競賽取得了省級一等獎一項，省級二等獎1項，三等獎6項的成績，主持省級大學(xué)生創(chuàng)新項目四項，并在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計展示了單片機使用的靈活性。

［1］王效華，張詠梅.單片機教學(xué)改革的探討［J］.武夷學(xué)院學(xué)報，2010(4):93－99.

［2］劉開緒，張維，郭險峰.電工電子實訓(xùn)教程［M］.長春:吉林大學(xué)出版社，2013.

［3］宋蘊璞，裘文進，徐鳴謙，等.單片機實驗教學(xué)方式探討［J］.高等教育研究，2007，12:46－48.