單片機應用技術課程教學設計與實踐

◆鄭劍 張華 張澧生

作者：鄭劍，博士研究生，工程師、講師，湖南機電職業技術學院，湖南大學電氣與信息工程學院，研究方向為電力傳動系統故障診斷與容錯控制，從事電氣自動化、機電一體化的教學科研與工程應用工作；張華、張澧生，湖南機電職業技術學院電氣工程學院（410151）。

現代機電一體化產品或系統都包含測控部分，很多測控裝置采用單片機作為控制器，因此在從事這些機電產品或系統的維修調試、日常維護、售后服務與升級改造等工作時，需要具備一定的單片機系統的硬件電路檢修與制作、程序編寫與調試能力[1]。高職機電類專業的單片機應用技術課程旨在為這些職業活動提供所必需的基本技能和知識，該課程屬于職業能力課程，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[2]。在教學實踐中，為了讓學生掌握知識、形成技能、提高能力，筆者對課程教學內容進行了精細化設計與開發，在理實一體化教室采用任務驅動教學，綜合運用各種教學硬件平臺，取得較好的教學效果。

1 課程教學內容的設計

單片機應用領域廣泛，教學內容非常豐富，不同專業對單片機技術的側重點不盡相同，在設計與開發教學內容時主要考慮以下三點因素[3]。

一是結合校本專業人才培養方案。培養方案體現了“以就業為導向”的方針，因此應從機電類職業崗位需求分析入手，參照國家相關職業標準的要求，精細化選擇教學內容。

二是要適合學生學情。根據高職生的學習風格和認知特點，課程內容的編排以典型工作任務為學習單元，并貫徹“管用、夠用、適用”的教學指導思想。

三是要適應課堂教學。該課程一般是在理實一體化教室展開教學，教學內容要能較好地處理理論教學與技能訓練的關系，體現“做中學、學中做”理念。

對于機電類專業，單片機的主要作用是控制外圍器件，并實現一定的通信和數據處理。因此，筆者以單片機的內部硬件資源、外圍常用器件為出發點，將教學內容設計成九個模塊：發光管、數碼管、按鍵、定時/計數器、直流電機、步進電機、舵機、串口、模數轉換和數模轉換（以下簡稱A/D和D/A）。每個模塊含有2～3項基本任務，每項基本任務都有一項拓展任務，設計拓展任務的目的是鞏固與深化基本任務中的知、技、能。任務名稱的敘寫盡量具體到直觀可操作的程度，如表1所示。

2 任務驅動教學的實踐

任務驅動教學模式的特點是“以任務為主線、教師為主導、學生為主體”[4]，筆者在教學實踐中一般按任務提出、分析、實施、評價、拓展等五個基本環節展開教學。

在任務提出環節，教師通過日常生活、工業生產中學生見過的一些實例，創設學習情境，引出基本任務，并展示出某個解決方案的結果，讓學生對任務有直觀清晰的認識。在這個環節，教師還應強調解決方案并不是唯一的，解決同一項任務可能會有好幾個方案，鼓勵學生從多個角度去探索解決方案。

在任務分析環節，不是由教師直接告訴學生應當如何去解決面臨的任務，而是由教師向學生提供解決該任務的有關引例和線索，引導學生“獨立思考、自主探索”；同時倡導學生分組進行討論和交流，培養學生協作學習能力。學生經過反復分析后，會提出一個或幾個解決方案。

在任務實施環節，學生將解決方案付諸實施，從硬件、軟件兩方面實現，經過軟硬聯調，得到結果。教師要強調實施方案也不是唯一的。

在任務評價環節，有教師點評、學生自評互評。既要對結果進行評價，也要對過程進行評價，還要對學生的專業素質進行評價，譬如7S管理（整理、整頓、清掃、清潔、素養、安全、節約）。

在任務拓展環節，在基本任務的基礎上，循序漸進、一脈相承地引出拓展任務，再對拓展任務進行分析、實施、評價。教學過程中筆者還有以下幾點心得體會。

1）知識講授。完成每個任務都需要一些相關的理論知識，知識講授沒有單獨設置成一個教學環節，分散在五個基本環節中。實例和引例中涉及的知識一定要講透徹，沒有涉及的知識暫時不講或稍微提一下。知識體系的深入與擴展把握一個“度”的原則，對于基礎較好、學有余力的學生，教師可以在課堂巡回指導時與他單獨交流或者課外與他單獨交流。

2）水平思考法。水平思考法是英國學者愛德華·德·博諾提出的一種思維方法[5]，具體操作可采用“六頂思考帽”[6]。在任務分析環節，需要確定一個解決方案，筆者采用這種方法，取得良好效果。典型步驟是：客觀陳述任務要求（白帽），提出解決任務的方案（綠帽），評估該方案的優點（黃帽），評估該方案的缺點（黑帽），對該方案進行主觀情感判斷（紅帽），總結加權，做出決策（藍帽）。下面以“用兩個按鍵控制直流電機的加速、減速”的任務為例進行簡要說明。

表1 教學內容的設計

白帽：轉速有四種狀態，最低速、次低速、次高速、最高速。單片機上電后電機為最低速，每按一下加速鍵，轉速升一個檔，直到最高速；每按一下減速鍵，轉速降一個檔，直到最低速。

綠帽：硬件電路如圖1所示，程序框圖如圖2所示。

圖1 雙鍵控制直流電機加減速的硬件電路

黃帽：硬件系統中的電機驅動模塊采用三極管分立元件，電路簡單、成本低。程序框圖結構清晰，使用的語句種類不多，大量使用簡單的if語句。

黑帽：分立元件的硬件制作麻煩，容易接觸不良，工作可靠性低。程序的一個周期時間較長，快速性不好。采用延時子程序，定時不精確，轉速精度不高。

紅帽：①我不喜歡這個方案，像個“小兒科”“菜鳥”，沒有什么實用價值；②我挺喜歡這個方案，簡單、清晰，有效果；③談不上喜歡，好像也不討厭，沒什么特別感覺。

藍帽：這個方案總的來說，能夠解決任務，可以采納。當然還有很多其他的方案，不妨在深入理解、掌握了這個方案之后，再進一步探索其他方案。

在任務實施、評價、拓展環節，亦可采用“水平思考法”，不贅述。教學實踐表明，這種思維方法頗受學生歡迎，經過重復訓練、刻意練習，學生基本上能夠掌握這種方法。

3）比較教學法[7]。在眾多的教學法中，筆者對比較教學法情有獨鐘。在任務驅動教學過程中，可采用比較教學法，將“單片機應用技術”課程中的基本任務與前導課程“PLC應用技術”中的基本任務進行比較，將拓展任務與基本任務、后面任務與前面任務進行比較。通過比較，找出異同，使學生對原有的知識與技能掌握得更加深刻、牢固，新獲得的知識與技能更加鮮明、準確，并能體會和掌握其中的核心技能。

譬如將任務“用兩個按鍵控制步進電機的加速、減速”與任務“用兩個按鍵控制直流電機的加速、減速”進行比較。鍵控四相六線制步進電機的硬件電路如圖3所示，程序框圖如圖4所示，可引導學生與圖1、圖2進行仔細比較，使學生體會到單片機電路設計與程序設計的核心技能。另外還可以利用示波器觀測比較兩種電機的供電電壓波形，使學生對兩種電機的PWM調速原理有更加直觀深入的理解。

圖2 雙鍵控制直流電機加減速的程序框圖

圖3 雙鍵控制步進電機加減速的硬件電路

3 教學硬件平臺的運用

目前機電類專業單片機課程的教學硬件平臺主要有三種：一是單片機實驗板加外圍器件；二是采用Proteus硬件仿真；三是采用面包板及套件[8]。這三種平臺各有特點。

單片機實驗板的優點是硬件資源豐富、電路穩定可靠，學生對硬件平臺充分信任，可以騰出時間更多地關注“軟件編程”；缺點是電路都是廠家設計的，學生只能適應廠家電路，不能按自己的想法搭建電路，硬件電路制作與檢修的機會較少。

Proteus硬件仿真的優點是學生可以按自己的想法任意搭建電路，靈活性強、成本低；缺點是仿真電路和實物畢竟有區別，譬如有的仿真正常而實物不通過，有的實物正常而仿真不能通過。

面包板及套件的優點是學生可以按自己的想法一步一步地搭建實物電路，能很好地訓練和提高硬件電路制作與檢修能力；缺點是電路容易接觸不良，工作不可靠，有時一個簡單的任務，初學者可能花了很多時間來搭建面包板電路，卻調試不出效果，容易產生挫敗感，失去耐心和興趣。

初學者是否應該使用Proteus仿真軟件來學習單片機應用技術？目前有兩種截然不同的觀點。

一種觀點認為初學者不要使用Proteus軟件，剛開始只有把硬件擺在你面前，親自操作它，才會有深刻的體會，也才能掌握它[9]，因此剛開始宜使用面包板套件或實驗板，待達到一定程度后才使用Proteus軟件。

另一種觀點則認為剛開始最好是使用Proteus軟件，因為面包板電路容易出問題，使初學者失去耐心和學習興趣；實驗板尤其是開發板，容易使初學者將“硬件系統”看成“黑箱子”，對電路失去探索興趣；而Proteus軟件容易使初學者產生“成就感”，有利于深入學習。

筆者認為在教學實踐中，宜具體情況具體分析。有的學生喜歡動手操作，使用面包板套件就比較合適；有的學生喜歡編程調試，使用Proteus軟件比較容易上手；有的任務比較復雜，若一開始就制作面包板電路，既費時又費力，不如先做Proteus仿真；有的任務拓展性很強或視覺效果突出，不妨將面包板電路制作出來。另外，用不同的硬件平臺來完成相同的任務，可使學生體會到應用電路設計與編程的核心方法。總之，只有綜合運用這幾種平臺，才能取得較好的教學效果。

圖4 雙鍵控制步進電機加減速的程序框圖

4 結語

單片機應用能力是一種較通用的工程能力，也是機電領域從業人員的重要核心能力，筆者從課程教學內容、任務驅動教學、教學硬件平臺三個方面對高職機電類專業“單片機應用技術”課程進行設計與實踐。經過對這門課程幾輪的教學實踐，取得良好的教學效果，學生能夠較好地理解并掌握單片機技術的基本知識和技能，并進一步提高專業綜合應用能力。■

[1]成立平.高職專業人才精細化培養研究[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2]楊翠明,陳志勛,徐先海.論高職院校機電雙高人才的培養[J].湖南師范大學教育科學學報,2008,7(2):71-73.

[3]教育部職業教育與成人教育司.高等職業學校專業教學標準（試行）:制造大類[S].北京:中央廣播電視大學出版社,2012.

[4]叢國進,李傳偉,董先.任務引導型教學法在單片機課程教學中的應用[J].中國教育技術裝備,2014(12):88-89.

[5]Bono E D.水平思考法[M].馮楊,譯.北京:北京科學技術出版社,2006.

[6]Bono E D.六頂思考帽[M].馮楊,譯.北京:北京科學技術出版社,2004.

[7]謝芳芳,胡邦南.比較式項目教學在單片機課程中的應用[J].電氣電子教學學報,2014,36(5):114-116.

[8]胡雙炎.高職院校基于面包板的單片機教學改革初探[J].職教與經濟研究,2013(1):60-62.

[9]郭天祥.新概念51單片機C語言教程:入門、提高、開發、拓展[M].北京:電子工業出版社,2009.