中職Arduino單片機圖形化編程教學實踐

王禹

摘 要：單片機歷來是中職學校電子電氣自動化專業繞不過去又比較難教難學的一門課。Arduino單片機結合ArduBlock插件為中職學校單片機教學的順利推廣提供了另一種途徑。本文以單片機控制LED燈閃爍課程為例，結合中職學生的客觀實際情況，探索單片機教學的新思路，為構建高效課堂提供參考。

關鍵詞：單片機教學 圖形化編程

一、單片機教學的重要性

單片機又名“微控制器”或“微電腦”，它把一個計算機系統集成到了一個芯片上，概括地講：一塊芯片就成了一臺計算機。隨著物聯網、智能化等技術的推廣，單片機技術生活中的應用越來越廣泛，單片機課程的重要性日益突出。電類專業中，單片機課程又是核心專業課，在中等職業學校受到越來越多的重視與關注。

二、單片機教學的困境

1.編程語言學習困難

單片機編程可以選匯編語言或者C語言，但是無論選哪種語言都需要接觸一定量的英文；中職學生的文化基礎薄弱，對英文最為頭痛。C語言靈活強大，語法規則嚴格，短時間難以掌握；C語言是大小寫敏感的語言，即一個單詞只要有一個字符大小寫不一樣，對C編譯器來說就是完全不一樣的兩個詞。代碼大小寫，全角符號等任何的輸入錯誤都會導致編程失敗。初學者在這點上屢屢犯錯，入門階段的失敗最容易導致學生產生畏難情緒，影響后續教學。選匯編語言還需記憶大量指令、寄存器、硬件結構等知識，編程代碼更加難寫難讀，所以學習難度還高于C語言。對中職學生來說，單片機入門尤為困難。

2.單片機實訓室建設成本高

單片機學習需要專業軟件和硬件，市場主流都是商業軟件，采購價格昂貴。

（1）硬件方面，需要單片機實訓電路板（開發板），下載燒寫器，電源適配器。市場上各種單片機實訓電路板很多，具有一定指導性的中職單片機全國技能大賽官方指定設備為YL-236。該設備配備十余種模塊，功能豐富，也具備一定的靈活性，但設備體積龐大，萬余元價格，不利于普遍推廣。其他小廠商也有單片機實訓開發板，但各自為政，標準不一；配齊燒寫器等必備的工具，硬件成本最少也需要百余元。近幾年有Proteus等仿真軟件應用，在一定程度上彌補了硬件的缺點，但高昂的軟件授權費用仍舊將許多學校拒之門外。

（2）軟件方面，通常需要開發IDE和編譯器軟件。以教學中常用的MSC51系列單片機為例，基本上只有Keil一家公司獨占市場，Keil C51開發IDE軟件每臺計算機授權費用也大約一萬元。

高成本的實訓設備對中職學校來說無疑提高了學生專業教學的門檻，要做到一人一機非常難，而這樣又不利于學生實踐操作的學習。所以目前，單片機教學的難點在于實訓設備的局限導致教學方法的局限。

三、Arduino單片機平臺和圖形化編程

Arduino，由意大利兩位教師提出，是一個基于開放源碼和硬件規格的軟硬件平臺。硬件有Arduino系列開發板，如圖1（a）所示為其中最常見的Arduino UNO；軟件有Arduino IDE，自帶編輯器，編譯器等各種工具。如表1所示，與傳統MSC51單片機教學相比，Arduino平臺用于單片機教學有以下優點。

1.成本極低，容易推廣

在硬件上，Arduino的電路圖設計文件是公開提供的，官方提供的Eagle格式PCB，SCH電路圖，及簡化的Arduino模組，用戶可以自己搭建電路。國內使用最多Arduino UNO，淘寶網售價低于20元人民幣。此外Arduino自帶USB下載、供電，不需要其他下載器、電源適配器等硬件。軟件方面，Arduino開發IDE已經包括編譯器等全部軟件，而且都是免費的開源軟件。實訓場地要求低：目前中職學校的配置最低的計算機機房也可勝任，Arduino開發IDE為免安裝軟件，機房上課教師將軟件下發即可使用；一些入門實訓項目只需一根USB線即可開課。

2.性能強大，緊跟市場

Arduino采用基于AVR指令集的8位處理器，頻率 20MHz，程序存儲器空間 32kB，內存2kB，集成EEPROM等大量常用外圍器件電路，遠遠超過MSC51系列單片機的8kB程序存儲器，256B的內存配置。Arduino單片機性能更強悍，功能更豐富，更貼近工業生產，緊跟市場技術潮流。

3.針對教學，資源豐富

最初研發Arduino的目的是教育，因此Arduino團隊在易用性各方面做了優化：簡化了單片機工作的流程，重新封裝了 AVRC。例如，以阿拉伯數字1～13指代各個輸入輸出引腳。Arduino硬件規格統一，這些措施使得Arduino代碼可復用性非常高。Arduino IDE中集成大量成熟例程代碼，特別適合老師，學生和一些業余愛好者們使用。

4.圖形編程，學習無礙

相比C語言或匯編語言等文字編程，圖形化編程可以大大降低了單片機編程開發難度。Arduino軟件的開源可擴展特性，任何第三方公司都可以編寫自己的工具。國內一家名為新車間公司開發了一款依附在Arduino上，遵循開源協議并免費的ArduBlock插件，如圖1（b）所示。其編程如同積木搭建，而且軟件是中文界面，有效降低了職業學校學生學習單片機的門檻。

四、Arduino教學實踐

以單片機控制LED燈閃爍一課為例，參照項目教學法，該課為單片機入門第3節課。本節教學內包括C語言的變量定義、函數調用、延時時間計算等知識，以及正負邏輯與TTL電平關系等數字電路知識。教學內容多，細節要求高。最簡單代碼如圖2所示。

借助Arduino平臺完成單片機點亮LED燈的項目，則是以面向對象的思路，只需三步。如圖2所示，第一步，拖入1個“主程序”方塊，2個“設定數字針腳值”方塊和2個“微秒延遲”方塊三個積木方塊；第二步，根據硬件接線，更改“設定數字針腳值”方塊的輸出引腳為“13”號引腳、輸出電平為一個“高（數字）”，另一個為“低（數字）”，其余均使用默認值；第三步，按照LED燈閃爍的邏輯順序排列即可，如圖3所示。整個編程過程不用書寫任何一個單詞。

在學校高一14（3+2）應用電子和2014五年一貫電子兩個平行班分別以傳統教學方式和Arduino圖形編程方式開展教學試驗，收集項目完成評價及學生評價情況，見表2。對比教學實踐發現，采用Arduino圖形化編程教學的班級學生參與度高，教學目標達成度好，教學進度推行更順利，教學效果更佳。

五、小結

單片機課程是實踐性特別強的課程，尤其在強調動手能力的中職教育中，培養學生單片機相關的動手能力非常重要。采用Arduino+ArduBlock圖形化編程拋開編程語言束縛，直接切入單片機學習的核心——迅速把所學單片機知識轉化為動手應用能力，學習過程簡單直觀易懂，符合職業高中學生認知規律，在職高單片機教學中推廣能取得更好的教學效果。

參考文獻：

[1]Massimo Banzi，于欣龍，郭浩赟.愛上Arduino（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2012.

（作者單位：慈溪職業高級中學）