單片機實驗課模塊化教學實驗內容設置探索

賈豫東+張曉青

摘要：本文針對單片機實驗課教學的內容設計，采用模塊化教學思想，結合專業特點，將一些本專業經典設計案例進行分解，按照從基礎到創新4個實驗層次，先易后難，將實驗內容構成一個有機整體，形成進階式的學習模式。由于設計內容更貼近學生專業，可以更好的提高學生的學習興趣，并在教學實踐中取得了良好的教學效果。

關鍵詞：單片機;模塊化;實驗教學

中圖分類號：G642 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0212-02

實驗教學是教學活動的重要環節，主要是針對課程的理論做出科學驗證，讓學生加深對理論的認識，同時通過實驗培養學生的創新意識和科學嚴謹的作風。但從目前專業課程教學情況來看，根據現有條件，讓學生自己動手構思和設計的實驗開設比較少。這在不同程度上影響到學生動手能力的培養，尤其是在硬件動手能力方面。目前單片機技術已廣泛應用于各個領域，因為其重要性，是工科專業的專業基礎課，具有很強的工程實踐性，在各個工科專業的實踐設計環節中普遍被學生采用[1-3]。因此研究其實驗教學的特點，幫助學生有效的掌握單片機設計知識，具有重要的意義。下面從教學內容課程設置的角度深入分析模塊化教學在單片機實踐教學環節的教學內容和教學思路。

一、傳統單片機實驗教學方法的不足及改進

目前在單片機實驗教學中，廣泛采用的是實驗箱操作模式。試驗箱教學是一種優秀的教學學習模式，可以讓學習者在較短時間內了解系統的基本開發過程。但其集成性強、開放性不足的特點，也會讓學生在學習中產生“黑盒子效應”，對內部模塊的工作過程不求甚解，認識不深入。在實踐過程中教師按操作步驟逐步進行，留給學生分析思考的余地很少，學生基本上都將操作程序化，當作一種任務來完成，即測量、記錄所需的數據并形成報告就算完成設計。從某種意義上講，學生將“單片機設計”當成了傳統的“實驗課”來實施，實驗只是對前人知識的驗證、重復和再現，對鍛煉學生的動手能力，以及加深原理理解有一定的作用，但對于培養學生綜合分析問題和解決實際問題的能力方面是遠遠不夠的[1]。

模塊課程最早見于20世紀50～70年代的職業技術教育課程，即將內在邏輯聯系緊密、學習方式要求和教學目標相近的教學內容整合在一起，構成小型化的模塊課程。實施模塊教學的首要工作是對教學內容的改革，而教學內容的確立最終應歸結于課程體系的建立。因此，實施模塊教學的重點是建立模塊課程體系。模塊課程體系就是打破原有學科課程體系，以實用能力和必備素質為培養目標，采用模塊教材形式，改進原有學科內容的編排方式，綜合原有相關學科內容，而形成的各個全新課程的集合。模塊化教學多見于大學課程，是按照程序模塊化的構想和原則來設計教學內容的一整套教學體系，采用模塊化思想，構建一個單片機模塊化設計平臺，學生可以采用提供的模塊，根據要求，自己動手獨立完成一個完整的單片機設計題目。通過這樣的實驗教學模式，學生可以擺脫試驗箱固有模式對設計思想的束縛，采用類似搭積木的方式構建硬件連接，從而把更多的精力放在創造性的設計上來;采用模塊化方式構建硬件架構，圍繞單片機核心，學生可以在后期的專業設計中，采用擴展模塊的方式，自主選擇各種功能模塊，并添加進自己的電路中，大大豐富了應用層面的內容，加強了其他專業課和單片機課之間的聯系，無論對單片機內容的學習，還是相關專業內容的學習，都起到了強有力的推動作用;模塊化式的硬件平臺構建模式中所有的功能模塊是可以被替換和增加的，可以很方便在不舍棄其他功能模塊的基礎上，將新芯片融合到已有的設計中去，不僅能夠加快對新芯片的消化過程，而且不再另外增加硬件成本。

二、實驗教學內容設置

CDIO是基于項目教育和學習的新型教學模式，它以工程項目從研發到運行的生命周期為載體，讓學生主動獲取知識，培養學生的工程能力、硬件設計和軟件設計技能;注重知識與多種能力的關聯，培養學生運用知識解決問題的能力、終生學習能力、交流能力和大系統掌控能力[4]。

根據CDIO工程教育理念，將實驗環節與產品開發生命周期——構思、設計、實現和運作緊密結合起來，實驗課程體系可分解為4個層次：基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和專業創新性實驗[5。

在此設計理念指導下，總體設計思路是以完整的系統設計內容為主線，在4個層次的實驗內容分配中，先易后難，先基礎后綜合，通過該系統完整功能的實現將實驗的主要內容貫穿起來，使實驗內容成為一個整體，形成進階式的學習模式，提高學生的學習興趣。具體的實施時，先將該系統進行模塊分解，然后將分解后的模塊按照系統的設計進程，貫穿到整個實驗中，每個模塊是相關的，前一次實驗是后一次實驗實施基礎[6]。教師在設計課程時，也必須考慮到如下問題：教學過程中所有成分都要能體現在課程內容中;所選的內容和題目要遵循教學論的基本原理;內容的設置要考慮到教學目的、設計的可行性，教學任務、內容的統一，以及教學的組織形式;在選擇課程內容設置時充分考慮到每一步的教學手段與方法的不足之處;在體現教學方法多樣化的時候，不可貪多求繁;課程內容的設置要有發展的眼光，具體的設計方法和題目要隨著技術的發展而變，隨著教學對象的變化而變化。

以激光器驅動源的設計為例，該設計是本專業學生在后續專業課學習中經常要用到的基本設計。按照設計進程，將內容拆解，第一次實驗內容是基本編譯環境構建和IO口的編程控制，可以用IO口控制LED實現指示燈亮滅，以便于后續作狀態顯示;第二次實驗進行外圍擴展接口的調試，如AD和DA，為后續實現開環和閉環控制做準備;第三次實驗進行中斷系統的調試，采用按鍵通斷觸發控制外部中斷，以便于實現人機交互;第四次實驗在壓控恒流源的基礎上，通過按鍵加減改變DA輸出，控制恒流源電流大小。前兩次課內容屬于基礎性實驗，只有少量的設計性實驗內容，后兩次課就開始增加了設計性實驗內容的比重。最后兩次課屬于綜合設計內容和在此基礎上的專業創新性實驗，可以利用AD采樣實現恒流源電流采樣，并通過負反饋實現驅動電流的閉環控制，對于進度較快的同學，可以引入負反饋控制算法的改進探討。這樣，學生每一次實驗都必須是在前一次實驗完成的情況下進行，并且實驗內容可以很好的結合專業方向的應用，對學生更有吸引力。進階式的連續設計也使得學生在不知不覺中從難道易，逐步掌握了單片相關的實驗內容。同時由于實驗內容的設計導致每一次實驗課都是下一次實驗課的延續，如果沒有上次實驗課的實現，下次的實驗課也無法繼續進行，這樣也就迫使學生克服危難情緒，勇于去面對實踐中碰到的問題，這樣在每次成功后的成就感也會鼓勵學生繼續自主學習。

類似這樣的設計例子有很多，基本都可以按照同樣的思路進行模塊化分解，同時所選的設計內容可以靈活結合專業特點。

三、實驗課程實施

實驗課實施環節是課程內容達到預期效果的保證?！白鲋袑W”是CDIO的一個顯著的特點。在實驗實施過程中，教師通過提出設計要求，讓學生根據要求，查找相應地資料，跟同學交流探討。所有的實驗軟硬件平臺的構建和調試都是由學生主動來完成，教師只是設計一些問題，引導學生自己從互聯網查找資料，積極思考，學生獨立分析項目實施過程的每個步驟，獨立解決項目過程出現的問題，培養學生解決問題的能力。

綜合性設計實驗以個人為單位進行，可以避免部分學生“搭順風車”的思想。以前試驗箱教學方法由于條件限制，需要將學生以小組形式進行實驗，每個組基本統一一個成績，這樣甚至會出現一個做、其他人看的局面，無法保證整體的學習效果。而采用模塊化教學，每個學生都將領到一套實驗課中需要用到的器件，不僅能鍛煉學生的獨立學習能力，同時在實踐過程中，也會驅使學生主動去跟其他同學溝通、學習，解決自己碰到的問題。

四、結論

單片機的實驗教學內容對于整個“單片機”課程而言，是非常重要的一個部分，在教學過程中合理的教學內容設置，可以有效的提高教學效果。采用模塊化教學模式，將專業設計中一些經典的設計實例進行分解，按照先易后難，先基礎后綜合的方式，合理分配基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和專業創新性實驗四個層次實驗內容的比重，形成進階式學習進度控制。同時由于設計內容更貼近學生的專業，可以更好地提高學生的學習興趣，并為后續專業課設計打好基礎。這樣的教學改革與實踐筆者已經實施了三年，可以明顯看到，學生在學習內容后，在后期的課程設計以及畢業設計中能夠主動將本課程內容與各自的具體研究課題相結合，熟練應用本課程學到的實驗技能，提高了實踐應用能力。

參考文獻：

[1]李春暈，張學睦，李建楠.高等學校實踐教學質量綜合評價體系研究[J].實驗技術與管理，2009，26（3）：222-224.

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[3]林祝亮，馬世平，楊金華.項目教學法在電子類課程設計中的應用研究[J].實驗技術與管理，2009，26（8）：114-116.

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[6]顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO——清華大學創新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009，（1）：11-23.