高職電氣自動化技術專業單片機課程教學改革探討

謝芳芳?鄭劍

摘要：針對高職電氣類專業學生的單片機程序設計能力薄弱這一問題，將前導課程的成熟項目改造成單片機課程項目，使單片機課程與前導課程聯系起來，并且在單片機項目教學過程的每個環節都與前導課程對應項目的各環節進行比較教學，以提高學生的結構化程序設計能力。以“三相交流電機Y-△的單片機控制”項目為例進行實施說明。實踐表明，重構項目教學內容、實施比較式項目教學是高職電氣類專業單片機課程的有效教學措施。

關鍵詞：電氣自動化；單片機；項目教學；比較教學

作者簡介：謝芳芳（1978-），女，湖南新田人，湖南工業職業技術學院電氣工程系，講師。（湖南 長沙 410208）鄭劍（1976-），男，湖南東安人，湖南機電職業技術學院電氣工程學院，講師，工程師，湖南大學電氣與信息工程學院博士研究生。（湖南 長沙 410151）

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0058-03

一、問題的提出

“單片機應用技術”是高職電氣自動化技術專業的一門核心課程，旨在培養學生對電氣控制裝置的硬件電路設計與制作能力、程序設計與調試能力。[1]該課程的特點是綜合性、實踐性都很強，一般在大二下學期或大三上學期開設。目前高職各類專業的單片機課程大都在理實一體化教室進行教學，并采用基于工作過程的行動導向教學，譬如項目引領、任務驅動、范例教學等，[2]這樣能較好地適應學生學情。

在教學實踐中，筆者發現一個突出問題：電氣類學生的結構化程序設計能力一直是薄弱環節。當面對一個具體任務或項目時，需要從硬件、軟件兩方面提出解決方案。對于硬件方案，學生基本上能提出大體構思，但是對于軟件方案，即如何用結構化程序流程圖來實現這個具體任務，學生往往無從下手。因此在理實一體化課堂中，常常出現這樣的場景：學生動手做完硬件電路后，就認為完成了任務，不愿意再動腦、動手去編程，只等著老師或“高手”同學在最后時刻提供源程序，再將源程序抄過來，下載到自己的單片機中，演示出效果即可。這樣一來，單片機課程就蛻變成電子電路硬件制作，單片機技術的精髓“軟件編程”就好像一只攔路虎，學生有意無意地躲著它。

二、問題的分析

通過教學反思，筆者認為一個重要原因是，項目教學內容不太適合電氣類專業學生。當前高職單片機課程的項目載體多是側重電子類項目，如數字電子時鐘、簡易波形發生器、籃球比賽計時計分器、六位密碼鎖、校園打鈴器等等。[3]這些項目產品成熟，內容循序漸進，且能較好地覆蓋單片機的各知識點和能力點，堪稱經典項目。經典項目對于電子類專業學生來說是比較合適的，但是對于電氣類學生而言不太適合，需要改革。

電子類專業單片機課程的前導課程有模擬電子、數字電子、PCB版圖繪制、電子產品組裝與調試等，經典項目在前導課程中均有不同程度的涉及。譬如數字電子時鐘項目，除了可以用單片機加外圍電路實現外，完全可以用集成度比單片機低的各種數字芯片來實現，該項目在“數字電子技術”課程中就是一個綜合性項目。[4]因此電子類學生經過前導課程的鋪墊，除了具備較扎實的電子硬件電路基礎外，也具備了初步的結構化、模塊化程序思維能力。再加上與單片機同期開設的課程有“C語言編程”，這樣，單片機課程側重硬件接口與指令系統，C語言課程側重算法思想與程序編制，兩者相互促進，能取得較好的教學效果。

比較而言，電氣類專業單片機課程的前導課程是電工電子技術、電機及拖動、工廠電氣控制、PLC應用技術等，其中“電子技術”課程的課時與要求都比電子類專業低，經典項目在前導課程中基本上沒有涉及。電氣類學生經過前導課程的學習，結構化、模塊化程序思維能力仍是薄弱環節。在接下來的單片機課程中，若簡單移植電子類專業項目教學內容，對于本科生來說，通過自主學習和強化訓練，問題不大，但是對于高職生而言，由于理論基礎不夠，前導課程鋪墊不足，再加上自主學習能力欠缺，教學效果就會大打折扣。即便通過強化訓練，學生較好地掌握了某個項目產品的硬件和軟件，但要將電子產品的單片機技能遷移到電氣產品中去，還需要一個知識遷移與能力遷移的過程，學生能自主完成這個遷移過程的很少。

三、問題的解決方案

基于上述分析，筆者提出的方案是：結合電氣類專業校本人才培養方案，對項目教學內容進行改革，將項目載體由電子產品改為電氣產品。具體做法就是將前導課程“工廠電氣控制”、“PLC應用技術”中的成熟項目改造成“單片機應用技術”課程項目。

“工廠電氣控制”與“PLC應用技術”是電氣專業的兩門核心課程，有比較完善的三相交流電機控制實訓裝置，教學設施齊全，教學課時充足。學生通過項目學習與訓練，能制作繼電器控制電路板，組裝PLC控制硬件系統；面對一個不太復雜的電氣控制任務，基本上能夠繪制出順序功能圖，并用梯形圖程序來實現。因此學生對電機的繼電器控制、PLC控制具備了較好的基礎，在此基礎之上，將前導課程中的成熟項目改造成單片機課程項目是可行的、必要的。筆者設計并實施的項目如表1所示。

四、解決方案的實施

仍然在理實一體化教室進行教學，采用項目教學法，但是在項目教學過程的每個環節都引入比較教學法[5]──將該項目的每個模塊或任務都與前導課程的對應項目進行比較。通過比較將單片機課程與前導課程聯系起來，有利于形成“電氣自動化系統”思想，并且可以更好地認識事物的本質與特征，使學生原有的知識與技能更加深刻、牢固，新獲得的知識與技能更加鮮明、準確。尤其是教學難點“結構化程序流程圖的設計”，通過比較式項目教學可以取得較好的效果，下面以“交流電機Y-△的單片機控制”項目為例進行簡要說明。

學生之前對三相交流電機Y-△的繼電器控制已經很熟悉，如圖1所示，[1]只有硬件無需軟件，實現的控制功能是：按下起動按鈕SB2，KM1得電自鎖，KT、KMY得電，KM△不得電；10秒后（時間可改變），KM1仍得電，KMY斷電，KM△得電自鎖，緊接著KT斷電；任何時候按下停止按鈕SB1，所有線圈斷電。

Y-△的PLC控制硬件電路如圖2所示，通過編程可以實現與圖1完全一樣的控制功能，為了工作可靠，控制功能改造為：按下起動按鈕SB2，KM1得電，0.5秒后KMY得電，KM△不得電；10秒后（時間可改變），KM1仍得電，KMY斷電，0.5秒后KM△得電；任何時候按下停止按鈕SB1，所有線圈斷電。順序功能圖如圖3所示，根據順序功能圖可以很容易地寫出梯形圖程序。

比較圖1和圖2可知，主電路不變，可將PLC控制電路“轉化”為單片機控制電路。[6]單片機輸入端的按鈕開關需要去抖動，起初可采用硬件去抖電路，以減少程序復雜性；在拓展訓練中采用軟件去抖，以降低硬件成本。由于單片機輸出端口沒有直接驅動高壓負載的能力，所以采用固態繼電器SSR驅動線圈，如圖4所示。在圖3的基礎上，通過功能比較，可將PLC順序功能圖“轉化”為單片機程序流程圖，[7]如圖5（a）所示。這里的程序設計技巧是，為了實現立停，在0.5秒和10秒延時子程序中必須隨時檢測停止按鈕是否被按下，如圖5（b）所示。有了流程圖，匯編或C程序就比較容易編寫出來。

由此可見，改造后的單片機教學項目，與前導課程項目比較起來，控制任務沒有變。硬件方面，主電路沒有變，控制電路有所改變，控制器由PLC改成單片機，外圍接口電路隨之改變。軟件方面，PLC編程相對來說比較簡單易學，從PLC編程過渡到單片機編程，具有循序漸進、一脈相承的特點。通過強化訓練，學生能較好地完成知識與能力的遷移、內化，從而提高模塊化、結構化程序設計能力。單片機結構化程序設計能力是一種較通用的工程能力，一般需要經過較長時間訓練。通過項目比較教學，可以反復訓練學生這方面的能力。當學生具備了設計程序解決問題的初步能力時，后續的學習與探索將充滿樂趣。

五、結語

針對高職電氣類專業學生的單片機程序設計能力薄弱這一問題，將前導課程中的成熟項目改造成單片機課程項目，在項目教學過程的每個環節都與前導課程的對應項目進行比較。通過比較式項目教學，將單片機課程與前導課程聯系起來，以提高學生的程序設計能力。以“三相交流電機Y-△的單片機控制”項目為例進行簡要說明，經過筆者對這門課程幾輪的教學，將比較式項目教學引入到單片機理實一體化課堂教學中，取得了較好的教學效果。實踐表明，重構項目教學內容、實施比較式項目教學是高職電氣類專業單片機課程的有效教學措施。

參考文獻：

[1]華滿香，劉小春，唐亞平.電氣自動化技術[M].長沙：湖南大學出版社，2012.

[2]曲衛冬，王亞青.單片機課程理實一體項目式教學的探討[J].中國電力教育，2010，（10）：56-57.

[3]郭穩濤，肖利平.單片機應用技術項目式教程[M].長沙：中南大學出版社，2012.

[4]楊利軍，李移倫，張文初.應用電子技術[M].長沙：湖南大學出版社，2011.

[5]李運模.比較教學法論略[J].中南民族學院學報（人文社會科學版），2000，20（3）：125-127.

[6]董藝.單片機與PLC的區別及其對控制系統設計方案選擇的影響[J].巢湖學院學報，2007，9（3）：65-69.

[7]王樹沖.PLC梯形圖與單片機的聯系[J].數字技術與應用，

2011，（3）：125.

（責任編輯：王意琴）