基于圖形化編程的單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐研究

彭莉

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?單片機(jī)作為電子、機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，其理論性、技術(shù)性和工程性都較強(qiáng)，要求學(xué)生在掌握模電、數(shù)電的基礎(chǔ)上，對(duì)編程邏輯、接口技術(shù)等有更深的理解。但職業(yè)學(xué)校學(xué)生普遍存在理論基礎(chǔ)較為薄弱和邏輯思維較弱的特點(diǎn)，因此單片機(jī)課程在近年來(lái)的教學(xué)改革后，教學(xué)效率反而變得更為低下。針對(duì)單片機(jī)教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，提出以圖形化編程的課程實(shí)現(xiàn)模式進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?圖形化編程;單片機(jī)教學(xué);編程邏輯

[中圖分類(lèi)號(hào)] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）03-0022-02

隨著信息化和智能化的發(fā)展，單片機(jī)以其體積小、功耗低、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在智能家居、工業(yè)控制、通信技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集等方面得到了廣泛的應(yīng)用。而單片機(jī)課程作為電子、機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的必修課，其開(kāi)設(shè)不僅是基于學(xué)生職業(yè)生涯的實(shí)際技能需求考慮，更是為了訓(xùn)練學(xué)生的編程思維與邏輯，掌握電子電路的具體應(yīng)用，掌握接口技術(shù)與原理。因此單片機(jī)課程的開(kāi)設(shè)顯得尤為重要。但單片機(jī)課程作為一門(mén)綜合性極強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生往往會(huì)覺(jué)得課程較為抽象難以理解，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣缺乏，學(xué)習(xí)效果差。這迫切需要單片機(jī)課程在內(nèi)容和教學(xué)方式上都能根據(jù)學(xué)生學(xué)情、技能需求進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

一、單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀

職業(yè)學(xué)校學(xué)生的理論基礎(chǔ)薄弱、邏輯思維較差的特點(diǎn)導(dǎo)致綜合性較強(qiáng)的單片機(jī)課程開(kāi)展舉步維艱。大部分學(xué)校開(kāi)展單片機(jī)課程教學(xué)效果低下，不能滿(mǎn)足課程教學(xué)要求，更不能適應(yīng)新形勢(shì)下職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)。主要的問(wèn)題出現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）教學(xué)平臺(tái)缺乏，教學(xué)資源建設(shè)不完善

隨著職業(yè)教育的改革，職業(yè)學(xué)校對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)也越來(lái)越重視，但是受限于學(xué)校的辦學(xué)條件，目前大多職業(yè)院校的單片機(jī)教學(xué)平臺(tái)依然相對(duì)缺乏，很多學(xué)校并沒(méi)有配套的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生只能在課件等多媒體資源的幫助下去死記硬背單片機(jī)的接口、內(nèi)部構(gòu)成。而項(xiàng)目式的開(kāi)展也多以仿真教學(xué)為主，實(shí)訓(xùn)條件的缺乏讓學(xué)生很難真正進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)和開(kāi)發(fā)。再者，教材、教學(xué)視頻、項(xiàng)目案例等資源也與學(xué)生的實(shí)際課程相差較多。現(xiàn)在職業(yè)學(xué)校的單片機(jī)教材大多是從高職本科院校的單片機(jī)教材經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單刪減而來(lái)，并不完全適應(yīng)職業(yè)學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)。單片機(jī)教學(xué)由于教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)資源的限制更造成教學(xué)效率低下的情況。很多職業(yè)學(xué)校學(xué)生在學(xué)習(xí)完單片機(jī)后并不能很好地應(yīng)用單片機(jī)的技能。

（二）編程語(yǔ)言?xún)?nèi)容過(guò)多，學(xué)生只會(huì)死記硬背編程語(yǔ)言

目前單片機(jī)課程的開(kāi)設(shè)多以單一的單片機(jī)型號(hào)進(jìn)行開(kāi)展，多選取51核心的51單片機(jī)，編程語(yǔ)言選取C或匯編。但大量的編程語(yǔ)言的組織形式和特定規(guī)范占用了教學(xué)的大部分時(shí)間。教師在授課時(shí)往往會(huì)采用大量的時(shí)間來(lái)講授編程語(yǔ)言，并會(huì)針對(duì)編程語(yǔ)言的具體規(guī)范做詳盡的說(shuō)明。職業(yè)學(xué)校開(kāi)設(shè)單片機(jī)課程的目的更多是為了讓學(xué)生熟悉掌握電子基礎(chǔ)后能掌握單片機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用，而編程語(yǔ)言?xún)H僅是實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果和實(shí)訓(xùn)效果的工具。編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)占用了大量的課堂時(shí)間，勢(shì)必導(dǎo)致單片機(jī)基礎(chǔ)原理和編程邏輯的學(xué)習(xí)時(shí)間變少。單片機(jī)的課程重心從編程邏輯、單片機(jī)原理轉(zhuǎn)移到編程語(yǔ)言上，學(xué)生死記硬背編程語(yǔ)言。這與實(shí)際的技能要求和崗位要求相悖。

（三）采用項(xiàng)目式教學(xué)，但項(xiàng)目與實(shí)際崗位需求脫節(jié)

受課程改革和項(xiàng)目化教學(xué)推進(jìn)的影響，單片機(jī)課程教學(xué)也越來(lái)越趨向項(xiàng)目化。目前大多學(xué)校開(kāi)設(shè)單片機(jī)課程均以項(xiàng)目化的形式開(kāi)展，嘗試以項(xiàng)目式的方式進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的講解。單片機(jī)課程作為電子、電氣專(zhuān)業(yè)的必修課程，是一門(mén)技能性課程。一方面其綜合性較強(qiáng)，內(nèi)容較為抽象，傳統(tǒng)課堂中采取的“滿(mǎn)堂灌”的教學(xué)方式在實(shí)際教學(xué)中很難取得好的效果;另一方面作為一門(mén)應(yīng)用性的技能課程，單純的知識(shí)點(diǎn)掌握遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)就業(yè)的需求，更不能滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)發(fā)展的需求。因此進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)適時(shí)地進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，以便學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行掌握理解并把它應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目中。項(xiàng)目化教學(xué)就是把課程的知識(shí)體系打散，將知識(shí)點(diǎn)融入具體項(xiàng)目中，并制定對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目任務(wù)書(shū)，讓學(xué)生在“做中學(xué)”“學(xué)中做”。項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)化理論知識(shí)為實(shí)際操作，符合中職學(xué)生的特點(diǎn)：中職學(xué)生普遍存在的特點(diǎn)是理論知識(shí)薄弱，懼怕理論，但喜歡動(dòng)手，好奇心強(qiáng)，對(duì)有趣的、能看到的現(xiàn)象有濃厚興趣。針對(duì)中職生的特點(diǎn)，理論知識(shí)的傳授往往是中職課堂中的一個(gè)難點(diǎn)。而項(xiàng)目化教學(xué)就巧妙地對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行處理，融入具體的實(shí)操中，讓學(xué)生在實(shí)際操作中掌握要學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。

但目前的單片機(jī)教學(xué)的項(xiàng)目化項(xiàng)目設(shè)計(jì)上只是將原來(lái)課程教學(xué)中的教學(xué)任務(wù)進(jìn)行了整理，并未從實(shí)際項(xiàng)目崗位出發(fā)對(duì)實(shí)際的工作崗位進(jìn)行技能分析，對(duì)課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)行重新整改，設(shè)計(jì)出符合崗位需求和時(shí)代要求的項(xiàng)目。因此單片機(jī)課程的項(xiàng)目教學(xué)很難從項(xiàng)目有效性和趣味性上引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，教學(xué)效果大打折扣。

綜上，單片機(jī)課程教學(xué)目前存在的教學(xué)實(shí)施平臺(tái)、教學(xué)側(cè)重點(diǎn)以及教學(xué)項(xiàng)目等方面的問(wèn)題都急需一個(gè)新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革。筆者從教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，嘗試在現(xiàn)有的學(xué)校條件下，充分考慮低成本、易實(shí)現(xiàn)和好效果幾個(gè)因素，引進(jìn)圖形化編程的單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上解決單片機(jī)教學(xué)中存在的教學(xué)平臺(tái)、教材側(cè)重以及教學(xué)項(xiàng)目三個(gè)問(wèn)題。

二、圖形化編程的優(yōu)點(diǎn)

Arduino單片機(jī)是近年來(lái)興起的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件和軟件（Arduino IDE），Arduino IDE有官方的編程環(huán)境，是基于C語(yǔ)言進(jìn)行的編程環(huán)境，同時(shí)還有豐富的第三方軟件，很多第三方軟件支持圖形化編程，如ArduBlock和Mixly。圖形化編程的軟件是以圖形化積木搭建的方式編程，使編程的可視化和交互性得到加強(qiáng)，編程門(mén)檻降低。

（一）弱化編程語(yǔ)言對(duì)課程的影響，強(qiáng)化編程邏輯

將圖形化編程引進(jìn)單片機(jī)課程教學(xué)中并不意味著省去了編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，而是在學(xué)生對(duì)單片機(jī)接口原理、單片機(jī)的具體案例應(yīng)用還沒(méi)有形象認(rèn)知的情況下，先用圖形化的編程讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)應(yīng)用起來(lái)，在應(yīng)用過(guò)程中掌握單片機(jī)的內(nèi)部組成、接口原理以及編程邏輯。再在學(xué)生掌握單片機(jī)原理和控制基礎(chǔ)的情況下，使用編程語(yǔ)言進(jìn)行項(xiàng)目的優(yōu)化。這樣既弱化了編程語(yǔ)言對(duì)課程實(shí)際實(shí)施的影響，保證了教學(xué)效果，又強(qiáng)化訓(xùn)練了學(xué)生的編程邏輯。

（二）突出教學(xué)的層次性，便于分層教學(xué)的開(kāi)展

將Arduino單片機(jī)的圖形化編程引入課堂中可以讓上課教師很方便地對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行程序編寫(xiě)，下載調(diào)試。對(duì)于沒(méi)有編程語(yǔ)言基礎(chǔ)的學(xué)生可以免去傳統(tǒng)單片機(jī)課程中的C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言對(duì)課程學(xué)習(xí)造成的困擾，而對(duì)于有編程語(yǔ)言基礎(chǔ)的學(xué)生而言，在驗(yàn)證了項(xiàng)目效果后，也可以通過(guò)編程語(yǔ)言對(duì)項(xiàng)目的編程過(guò)程進(jìn)行再優(yōu)化。在單片機(jī)教學(xué)中，學(xué)生的水平參差不齊是教學(xué)效果不好的重要原因之一，而分層教學(xué)是解決這一難處的有效途徑。通過(guò)圖形化編程的教學(xué)形式既可滿(mǎn)足低層次學(xué)生跟上課程進(jìn)度的需求，也可滿(mǎn)足高層次學(xué)生課程內(nèi)容再拓展的需求。

（三）教學(xué)項(xiàng)目能落地，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

圖形化編程的易入門(mén)性讓教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可以很好很快地得到效果的呈現(xiàn)，一個(gè)完全沒(méi)接觸過(guò)單片機(jī)相關(guān)控制原理的學(xué)生在經(jīng)過(guò)教師的指導(dǎo)后也能快速通過(guò)圖形積木搭建的方式實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目效果。讓學(xué)生看到項(xiàng)目實(shí)施效果，看到單片機(jī)實(shí)際控制的效果一來(lái)可以增加課堂的趣味性，快速引起學(xué)生興趣，二來(lái)也能很好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，形成正反饋的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

三、圖形化編程的教學(xué)實(shí)踐

近年來(lái)，筆者選取Arduino單片機(jī)結(jié)合Mixly對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，并取得了較好的效果。Mixly，中文名為米思齊，全稱(chēng)為Mixly_Arduino，是一款由北京師范大學(xué)教育學(xué)部創(chuàng)客教育實(shí)驗(yàn)室傅騫教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的圖形化編程軟件。該軟件使用圖形化編程的方式自動(dòng)生成Arduino代碼，并支持編譯和燒錄到對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備中。筆者在任教的兩個(gè)班級(jí)中以項(xiàng)目化的實(shí)訓(xùn)以Arduino單片機(jī)結(jié)合Mixly平臺(tái)進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)。從智能小車(chē)的行走動(dòng)作入手講解單片機(jī)I/O口的知識(shí)，從智能小車(chē)的花樣動(dòng)作講解單片機(jī)的定時(shí)器中斷，從避障和尋跡小車(chē)講解單片機(jī)的中斷和通訊。每個(gè)項(xiàng)目中分圖形化的入門(mén)級(jí)編程，保證了項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)效果，再通過(guò)圖形化編程自動(dòng)生成的C語(yǔ)言代碼入手分析編程語(yǔ)言和邏輯，最后根據(jù)編程語(yǔ)言和邏輯進(jìn)行程序優(yōu)化。在這一個(gè)層次分明的項(xiàng)目化任務(wù)實(shí)訓(xùn)中，基礎(chǔ)較弱的學(xué)生能快速實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)效果，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。而基礎(chǔ)較好的學(xué)生可以在C語(yǔ)言代碼分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序優(yōu)化拓展，讓學(xué)生的能力進(jìn)一步提升。

經(jīng)過(guò)一年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，單片機(jī)課程的教學(xué)取得了較好的成效。其中每一個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)部分班里85%以上的學(xué)生都能獨(dú)立完成，100%的學(xué)生經(jīng)過(guò)教師的演示能實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)效果。而C語(yǔ)言程序分析部分，剛開(kāi)始實(shí)施班里約45%的學(xué)生能獨(dú)立完成，在實(shí)施一個(gè)月后，65%的學(xué)生能完成C語(yǔ)言的程序分析。學(xué)生的編程邏輯能力得到了顯著的提升，而較高層次的程序優(yōu)化部分，25%的學(xué)生能完成。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐可以清晰知道，圖形化編程的引入對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)起到了積極的作用。

基于圖形化編程的單片機(jī)教學(xué)是在項(xiàng)目化教學(xué)法的前提下展開(kāi)的教學(xué)內(nèi)容的更新實(shí)踐。實(shí)踐過(guò)程中一是解決了傳統(tǒng)單片機(jī)綜合性強(qiáng)引起教學(xué)效果不佳的問(wèn)題;二是更新了傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，降低了單片機(jī)的學(xué)習(xí)入門(mén)門(mén)檻，但又不以犧牲技能要求為代價(jià)。

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