基于口袋實(shí)驗(yàn)室的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

苗曙光 李崢 方振國

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是單片機(jī)原理課程教學(xué)中理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié).通過實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生對單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理、編程方法、系統(tǒng)設(shè)計等知識有較全面的了解和掌握.但是傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴于體積笨重的實(shí)驗(yàn)箱，功能繁瑣，價格昂貴，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)大綱匹配度不好，而且不便于做擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室開放.因此本文總結(jié)和分析以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，從實(shí)驗(yàn)大綱的編排、實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計等方面入手，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索.實(shí)踐表明，基于新的教學(xué)大綱和自制口袋式實(shí)驗(yàn)平臺能夠照顧到不同層次學(xué)生的需求，對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，具有較好的教學(xué)效果.

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);單片機(jī);實(shí)驗(yàn)平臺;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.423 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2020）08-0101-04

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)迅猛發(fā)展，學(xué)科交叉融合加速，新學(xué)科不斷涌現(xiàn)，前沿領(lǐng)域不斷延伸.以機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、3D打印，5G技術(shù)為代表的新一輪信息技術(shù)革命已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn).在新工科背景下，對于以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的電子信息工程、自動化、機(jī)電一體化等本科類專業(yè)，單片機(jī)原理是相當(dāng)重要的專業(yè)核心課程，是培養(yǎng)學(xué)生軟硬件設(shè)計能力、應(yīng)用能力、工程意識與素養(yǎng)、綜合開發(fā)與創(chuàng)新能力的重要課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)和從事信息技術(shù)相關(guān)工作的基礎(chǔ)[1].作為理論聯(lián)系實(shí)際和提高學(xué)生動手實(shí)踐能力重要環(huán)節(jié)，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性不言而喻.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依托體積較大而且笨重的實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱雖然集成了較多外設(shè)資源，但是大部分外設(shè)資源都是形同虛設(shè)，超出實(shí)驗(yàn)大綱要求，實(shí)用性不強(qiáng).另外，很多試驗(yàn)箱配套實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還是基于匯編語言開發(fā)的，匯編語言相對C51來說枯澀難懂，導(dǎo)致很多學(xué)生上完實(shí)驗(yàn)課，還是無法掌握單片機(jī)開發(fā)的基本技能[2，3].針對現(xiàn)有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，本文分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，根據(jù)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了重新優(yōu)化，對實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了重新設(shè)計，在保留實(shí)驗(yàn)大綱要求的基礎(chǔ)上，獨(dú)立開發(fā)出了一款口袋式USB口可編程的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，達(dá)到更好地服務(wù)于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的.

1 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)室封閉，實(shí)驗(yàn)箱不便攜帶

考慮到實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)驗(yàn)室安全問題，很多高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室都是不開放的.只有在上實(shí)驗(yàn)課時間段，學(xué)生才能按部就班地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備在大部分時間都處于閑置狀態(tài)，因此造成實(shí)驗(yàn)室資源浪費(fèi).另外，很多高校的試驗(yàn)箱都是一些大公司開發(fā)的，為了滿足市場競爭需求，很多公司的實(shí)驗(yàn)箱體積相對較大，資源較多，不便于攜帶，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室很難做成開放性實(shí)驗(yàn)室.傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱一般是價格昂貴、操作繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且易出故障，不便維修.特別是實(shí)驗(yàn)箱的一些常用插拔接口，多次插拔后特別容易損壞，造成無法編程.同時，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，無法保證一人一臺實(shí)驗(yàn)箱，如果實(shí)驗(yàn)箱損壞，沒有及時維修，甚至出現(xiàn)三人用一臺實(shí)驗(yàn)箱的情形，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣[4，5].在實(shí)驗(yàn)設(shè)備不便攜帶和設(shè)備有限的情況下，開放實(shí)驗(yàn)室更是無從談起.因此，如何建設(shè)性價比高，功能齊全、高效優(yōu)質(zhì)便攜型的實(shí)驗(yàn)平臺是我們亟待進(jìn)行解決的問題.

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法機(jī)械

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)一般包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃O(shè)備介紹、原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟等幾部分構(gòu)成，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師照本宣科講一遍，然后給學(xué)生演示一遍，學(xué)生自己獨(dú)立思考的部分太少，導(dǎo)致對實(shí)驗(yàn)缺少興趣，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容缺少創(chuàng)新性

傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而擴(kuò)展性和綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)幾乎沒有.缺少擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)部分，導(dǎo)致很多學(xué)生做完教材要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容就感覺無所事事，甚至出現(xiàn)課上寫實(shí)驗(yàn)報告的現(xiàn)象，因此無法達(dá)到把實(shí)驗(yàn)課學(xué)時充分利用起來的目的.缺少綜合性實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性不強(qiáng)，難以調(diào)動學(xué)生的積極性和主動參與性[6].

1.4 考核方式不靈活

傳統(tǒng)的考核方式主要包括考勤情況，實(shí)驗(yàn)過程成績（包括實(shí)驗(yàn)態(tài)度和操作），實(shí)驗(yàn)報告成績（包括預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)報告成績），這導(dǎo)致很多學(xué)生為了完成實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，缺少思考和創(chuàng)新性，甚至實(shí)驗(yàn)報告有抄襲現(xiàn)象.

2 “口袋式”實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

針對當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題，結(jié)合近年來單片機(jī)教學(xué)改革的一些創(chuàng)新實(shí)踐做法，我們主要采取以下改革和實(shí)踐方法，一是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)大綱，重新編排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，出版實(shí)驗(yàn)教材;二是根據(jù)新教材大綱要求，自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，達(dá)到滿足實(shí)驗(yàn)平臺的開放性和便攜性的需求.

2.1 出版實(shí)驗(yàn)教材，增加擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

考慮到我院學(xué)科結(jié)構(gòu)和單片機(jī)教學(xué)的實(shí)際情況，綜合了單片機(jī)原理、微機(jī)原理、自動控制原理和DSP技術(shù)等實(shí)驗(yàn)課程，作者參與編寫了《電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教程》計算機(jī)控制分冊教材，并于 2018年2月在中國科技大學(xué)出版社出版.每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目除了有基本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分，還包括了思考題擴(kuò)展部分，針對不同層次的學(xué)生而設(shè)計，體現(xiàn)差異性.

考慮到學(xué)生動手能力的差異化，在原有的實(shí)驗(yàn)講義基礎(chǔ)上，增加了實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展部分，對于動手能力強(qiáng)的同學(xué)可以選做擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，滿足不同學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)需要，因此新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了合理化改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本信息，如表1所示.

根據(jù)改進(jìn)后的教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，設(shè)計實(shí)驗(yàn)平臺需要預(yù)留流水燈模塊、交通燈資源、中斷相關(guān)外設(shè)，定時器演示資源和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換資源等，另外考慮到開發(fā)板的可擴(kuò)展性需求，又對所有IO口以及電源接口進(jìn)行了擴(kuò)展，這樣學(xué)生可以方便進(jìn)行各種相關(guān)開發(fā)模塊擴(kuò)展，比如傳感器模塊，顯示模塊等等，方便學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，課外微項(xiàng)目實(shí)踐，甚至學(xué)生參加學(xué)科競賽可以直接使用該開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行[7].綜合以上要求，設(shè)計電路原理如下圖2所示：

考慮到學(xué)生實(shí)驗(yàn)和開發(fā)方便，板子設(shè)計了USB口ISP自動編程電路，只需要通過一條USB線就可以完成實(shí)驗(yàn)板供電、程序下載和串口通信等相關(guān)實(shí)驗(yàn)功能.USB口程序下載電路原理圖，如圖3所示.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計原理圖，利用電路CAD軟件，生成PCB文件.考慮到實(shí)驗(yàn)平臺的便攜性，板子尺寸不宜太大，因此設(shè)計時對PCB布局進(jìn)行了優(yōu)化.考慮到學(xué)生焊接實(shí)訓(xùn)的需要，電路設(shè)計的時候電阻電容以及主要芯片主要選用直插元件.通過PCB廠家批量生產(chǎn)返回PCB板之后，然后采購相關(guān)元器件準(zhǔn)備焊接，經(jīng)過學(xué)生實(shí)訓(xùn)焊接，下圖4為我院自主設(shè)計的便攜式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板成品.該實(shí)驗(yàn)平臺尺寸為10CM*13.5CM，板上包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，擴(kuò)展所有IO口，預(yù)留2排流水燈，預(yù)留交通燈資源，預(yù)留四個獨(dú)立按鍵，預(yù)留ADC0809模塊，并絲印有我校LOGO，主要優(yōu)點(diǎn)是支持USB口供電下載一體化設(shè)計，真正做到一根USB線搞定開發(fā)的目的.

為了配合硬件平臺使用，本套實(shí)驗(yàn)板采用Keil C51作為軟件開發(fā)平臺，該軟件集編輯、編譯、仿真等功能于一體，它具有強(qiáng)大的軟件調(diào)試功能，生成程序代碼速度快，所需要的存儲空間小，是目前51單片機(jī)開發(fā)中最常用的軟件之一.Keil C51集成了文件編輯處理、項(xiàng)目（Project）管理窗口、工具引用、仿真軟件模擬器及Monitor51硬件目標(biāo)調(diào)試器等多種功能.Keil C51軟件開發(fā)環(huán)境界面，如圖5所示.

3 “口袋式”單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)勢

3.1 資源設(shè)置合理，方便擴(kuò)展

考慮到實(shí)驗(yàn)大綱要求，自制實(shí)驗(yàn)平臺可以精煉主要實(shí)驗(yàn)硬件資源，使得實(shí)驗(yàn)大綱和實(shí)驗(yàn)平臺匹配度較好.自制實(shí)驗(yàn)平臺在完成基本的實(shí)驗(yàn)大綱要求基礎(chǔ)上，還把相關(guān)接口做了擴(kuò)展，方便擴(kuò)展其他相關(guān)電子模塊，如傳感器模塊、時鐘芯片模塊、存儲模塊和液晶顯示模塊等.

3.2 便攜口袋式，方便開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2012年，美國德州儀器公司（TI）提出了“口袋實(shí)驗(yàn)室”理念.所謂口袋實(shí)驗(yàn)室，是指不受時間、空間限制的，并且實(shí)驗(yàn)功能豐富的小型開發(fā)板，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和二次開發(fā)[8，9].本文所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺，尺寸合理，方便攜帶，支持USB口供電，編程和串口通信，方便開發(fā)學(xué)習(xí)，另外，由于自制實(shí)驗(yàn)平臺成本較低，方便實(shí)驗(yàn)室開放，學(xué)生辦理相關(guān)手續(xù)可以外借，配合學(xué)生自己的筆記本電腦，在宿舍，圖書館或者教室也可以繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)和開發(fā)，可隨身攜帶，學(xué)生有想法隨時可以做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，真正做到實(shí)驗(yàn)室開放性.

3.3 強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)焊接能力

基于自制口袋式的單片的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不僅僅是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的精簡，而是結(jié)合課程實(shí)際情況做的大膽改革.通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，貫通了電子信息工程專業(yè)的相關(guān)教學(xué)活動的展開，從電路CAD設(shè)計教學(xué)，到焊接實(shí)訓(xùn)，不僅滿足了學(xué)生的動手實(shí)訓(xùn)要求，又為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了足夠的教學(xué)平臺，一舉多得.

3.4 實(shí)驗(yàn)平臺充足，學(xué)生可以獨(dú)立完成

針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，價格昂貴，功能繁瑣，通過自主設(shè)計的自制便攜式實(shí)驗(yàn)平臺可以保證學(xué)生和實(shí)驗(yàn)設(shè)備1：2配套，能夠做到每個學(xué)生都能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大大提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，而且自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，方便維修.

4 課程教改實(shí)施效果

較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，采用自制口袋式的實(shí)驗(yàn)平臺，教學(xué)效果較好，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）學(xué)習(xí)方式靈活.通過自制單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺，結(jié)合開放式教學(xué)，學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣得到了極大的提高，總體效果教好.實(shí)驗(yàn)室平臺對學(xué)生開放，使實(shí)驗(yàn)室資源的利用率得到極大提高.教師設(shè)計好題目，學(xué)生可以外借口袋式實(shí)驗(yàn)平臺，在宿舍或圖書館進(jìn)行自主開發(fā)學(xué)習(xí).

（2）考核方式靈活.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要看學(xué)生的預(yù)習(xí)報告、實(shí)驗(yàn)報告、實(shí)驗(yàn)操作情況，考核方式單一，采用口袋式實(shí)驗(yàn)平臺老師可以增加擴(kuò)展部分內(nèi)容，不在局限于課上教學(xué)，還可以把平時訓(xùn)練成果做為考核內(nèi)容.

（3）學(xué)生的實(shí)踐能力得到了提高.這種方式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)容易實(shí)現(xiàn)為項(xiàng)目教學(xué)的目的，以項(xiàng)目實(shí)踐為基礎(chǔ)，學(xué)生在程序分析、單片機(jī)編程過程、C語言編程方法、項(xiàng)目實(shí)施方法、程序調(diào)試等實(shí)踐應(yīng)用能力上都有明顯提高.

通過發(fā)布課程問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖6所示.從調(diào)查結(jié)果可以看出，90.54%同學(xué)認(rèn)為能夠完全符合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ恼莆找螅?.46%同學(xué)認(rèn)為基本符合，總體上達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果目標(biāo).

5 結(jié)束語

單片機(jī)原理作為是電子信息工程專業(yè)的核心課程，實(shí)驗(yàn)課是理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果好壞，直接關(guān)系到學(xué)生對硬件設(shè)計和軟件編程的掌握水平，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)在單片機(jī)原理課程教學(xué)中顯得尤為重要.針對我院電子信息工程相關(guān)專業(yè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的實(shí)際問題，提出了相應(yīng)的改革措施，包括自制實(shí)驗(yàn)平臺、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加微項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法等.實(shí)踐表明，上述措施有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)單片機(jī)的信心，提高了教學(xué)效果.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕楊威，崔彬，韓亮，方小平，李平舟.新工科背景下自制計算機(jī)類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的探索與實(shí)踐[J].高校實(shí)驗(yàn)室科學(xué)技術(shù)，2019，11（03）：125-128.

〔2〕王洪麗.單片機(jī)普通IO腳測量電阻與電壓[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，9（04）：33-34.

〔3〕姚靜，李璋，陳廣.基于Proteus和Keil的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究[J].信息通信，2019（09）：250-252.

〔4〕王中明.“口袋實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式探索——基于《單片機(jī)原理》課程[J].江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，47（03）：265-269.

〔5〕石飛，陳娟，王建英，趙彩蕓，李金欣，房俊杰.口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（04）：92-95.

〔6〕李波.《單片機(jī)原理與應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].電子世界，2018，35（23）：101-111.

〔7〕李崢，陳得寶，苗曙光等.CDIO模式：單片機(jī)課程教學(xué)改革初探[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，10（04）：75-76.

〔8〕滕召勝，高云鵬，唐求，溫和，郭斯羽.基于口袋實(shí)驗(yàn)室的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2018，40（04）：117-120.

〔9〕苗曙光，李淮江，李崢，等.基于PIC18F4580的CAN總線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，31（04）：19-20.