基于ETPP模式的單片機原理與接口技術課程實踐教學改革探索

馬春燕 鄭麗君 賈燕冰

基金項目：2022年山西省高等學校教學改革創新項目“應對疫情《單片機原理與接口技術》融合式ETPP實踐教學探索與實施”（J20220150）；2021年山西省高等學校教育教學改革創新項目“電氣工程一流專業建設研究與實踐”（J2021113）

第一作者簡介：馬春燕（1966-），女，漢族，河北唐山人，工學博士，教授，碩士研究生導師。研究方向為智能監測監控技術、新能源發電及控制技術。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.031

摘? 要：針對單片機原理與接口技術課程在傳統實踐教學過程中，學生受規定時間、固定地點、指定實驗設備的限制，實踐與創新熱情不能充分發揮的問題，該文以學生發展為中心，以提高學生實踐能力為核心，構建ETPP漸進式從理論到實踐、從仿真到實操的新型實踐教學模式，打造完整的實踐教學生態和全過程綜合考核評價體系。學生使用51系列、STC15系列、Arduino UNO R3和STM32四種單片機便攜式實驗裝置和多種傳感器及外設模塊，隨時隨地學習并實踐，激發主動學習和探索實踐的熱情。實踐教學表明，ETPP 模式能夠更好地培養實踐能力強、創新能力強、符合社會需求的復合型創新型新工科人才，具有良好的教學效果。

關鍵詞：單片機；ETPP模式；實踐教學；便攜式實驗裝置；評價體系

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0131-04

Abstract： In the traditional practical teaching process of? SCM Principle and Interface Technology， the students are assigned to finish appointed experiments in fixed place on fixed time using allocated experimental device and their enthusiasm for practicing and innovating cannot be brought into full play. With student development as the center and focusing on improving students' practical abilities， the new practical teaching mode of ETPP progressive from theory to practice and from simulation to practical operation is constructed， and a complete practical teaching ecology and a comprehensive assessment system for the whole process are created. Students use four types of SCM portable experimental devices， including the 51 series， STC15 series， Arduino UNO R3 and STM32， as well as various sensor and interface modules， to learn and practice anytime and anywhere， inspiring the enthusiasm for active learning and exploration practice. Practical teaching has shown that the ETPP model can better cultivate composite innovative new engineering talents with strong practical and innovative abilities that meet social needs and has achieved good teaching effects.

Keywords： single chip microcomputer（SCM）; ETPP mode; practical teaching; portable experimental device; evaluation system

隨著中國特色現代化建設對專業人才的要求越來越高，培養實踐和創新能力強、符合社會發展需求的復合型新工科人才的重要性越來越顯著。同時，“雙一流”建設不僅需要培養學生具備扎實的理論基礎，還必須重視學生的實踐能力，強調將理論知識運用到具體應用實踐之中[1]。因此，實踐教學改革勢在必行。

單片機原理與接口技術是一門理論與實踐緊密結合的應用型課程，教學目標是通過該課程的理論學習、知識積累、實踐應用與設計創新等環節的培養，使學生全面掌握單片機的結構及工作原理、匯編語言程序設計及可編程接口電路設計的方法，提高軟件編程和硬件設計能力，為進一步獨立分析解決工程實踐問題、開展新技術創新奠定扎實的基礎，培養學生嚴謹、負責的工作作風，增強社會責任感[2-3]。

單片機便攜式實驗裝置也稱作“口袋實驗室”，俗稱“口袋機”，將實驗設備微型化，便于攜帶，允許學生自選時間和場合進行實踐操作，具有“小身材、大能量、開源性”的優點[4-5]。2014年，“口袋實驗室”由斯坦福大學克利夫頓（Clifton）首次提出，很快便得到了耶魯大學、斯坦福大學和TI公司的大力支持，并完成了多款產品的研發設計并推廣應用[6-7]。國內，北京杰創永恒科技有限公司、上海宏晶科技有限公司、普中科技有限公司等也先后開發出多種單片機便攜式實驗裝置，并在高校逐步推廣使用[8]。

一? 實踐教學現狀

單片機原理與接口技術是電氣工程及其自動化專業的專業基礎課，實踐教學包括實驗、課程設計、專業實訓三個環節。傳統的實踐教學通常在實驗室進行，學生需在指定時間、固定地點，使用特定的實驗設備，完成教師規定的實驗，以演示性、驗證性實驗為主。然而，傳統的實驗設備是按照規定的實驗項目設計的通用型實驗箱，單片機和接口芯片的型號，以及元器件的參數、位置、連接方式和數量都已固定，不具備二次設計開發的功能，同時，實驗箱體積大、攜帶不便，不可能人手一套。另外，由于學生人數較多，通常實踐教學與課堂理論教學不同步，很難保證學生在有實驗激情和思維靈感的時候進行動手實踐，主動探索實踐的熱情受到限制[9-10]。因此，需要對傳統實踐教學模式進行改革。

二? ETPP實踐教學模式

單片機原理與接口技術實踐教學改革以學生發展為中心，從基礎實驗（Experiment）、綜合實驗（Training）、實操訓練（Practice）到項目實戰（Project），構建ETPP漸進式實踐教學模式，循序漸進地從理論到實踐、從仿真到實操，打造完整的實踐教學生態。ETPP實踐教學模式構架如圖1所示。

圖1? ETPP實踐教學模式構架

（一）? 基礎實驗（Experiment）

基礎實驗與理論教學同步進行，學時不限，使用Keil+Proteus軟件進行虛擬仿真，包括基礎性軟件和硬件仿真實驗、設計性軟件和硬件仿真實驗。基礎性仿真實驗提供程序流程圖、參考程序、硬件電路圖，設計性仿真實驗只給出設計思路，要求學生繪制程序流程圖、編寫程序、設計硬件電路圖，目的在于充分發揮學生的潛在能力，拓展思維，提升分析和解決問題的能力。

在這一階段，學生剛剛接觸單片機，需要從基礎性軟件仿真實驗開始：①使用Keil軟件與理論教學同步學習匯編語言指令，目的在于學習并掌握匯編語言指令的格式、執行過程、觀察寄存器和存儲器內容的變化，所學即所得。②在掌握單片機結構和匯編語言指令的基礎上，學習并掌握匯編語言程序的結構和設計方法，繪制程序流程圖，編寫順序結構、分支結構與循環結構程序，進行設計性軟件仿真實驗，熟悉仿真實驗的方法和步驟，提高分析、解決問題的能力。③在完成軟件仿真實驗的基礎上，進行單片機中斷系統、定時器/計數器、鍵盤、按鍵和LED顯示器等基礎性硬件仿真實驗，使用Proteus軟件進行芯片和元器件的選擇及線路連接，編寫程序并進行Keil+Proteus聯合調試，旨在掌握單片機最小系統的結構，進行簡單的定時、計數、輸入/輸出硬件仿真實驗，進一步提高發現問題、解決問題的能力。④學習并掌握單片機擴展外部存儲器（RAM、ROM、E2PROM）和可編程接口芯片（82C55、DAC0832、DAC1210、ADC0809、ADC574）的方法，進行設計性硬件仿真實驗，使用Proteus軟件進行硬件電路設計，編寫程序并進行Keil+Proteus聯合調試，掌握單片機應用系統的設計方法和軟硬件聯合調試技術，有效提升發現問題、解決問題的能力，培養細心、耐心、嚴謹的工作作風。基礎實驗見表1。

（二）? 綜合實驗（Training）

單片機虛擬仿真實驗可以有效幫助學生快速學習單片機結構、匯編語言程序設計、可編程芯片的擴展方法，掌握建立單片機最小應用系統的構成和設計理念。但是，仿真實驗并不能全部真實再現現實中各種電器元件的實際電氣特性。因此，在仿真實驗的基礎上，必須使用單片機實驗裝置進行實體實驗。

綜合實驗與理論教學相結合，在實驗室實驗課上進行（8學時）。使用實驗室QSDP-X1型單片機開發綜合實驗箱和DCP-SCM01單片機最小系統，認知所學單片機CPU、可編程接口芯片和元器件名稱、型號及電氣特性，熟悉硬件綜合實驗的過程，親自動手連接電路，下載并運行程序，掌握單片機應用系統的硬件電路設計、軟件編程及軟硬件聯合調試的方法與步驟。完成開關控制發光二極管、矩陣式鍵盤輸入數據、LED數碼管動態顯示、定時器/計數器輸出波形、ADC0809模數轉換、DAC0832模數轉換、串行數據與并行數據之間轉換，以及異步串行通信等實驗。通過綜合實驗，可以有效提高學生軟硬件聯合調試及使用萬用表、示波器等測試儀器的能力。

（三）? 實操訓練（Practice）

綜合實驗通常是在指定時間、固定地點，學生使用特定的實驗設備、完成教師規定的實驗。不能充分發揮學生的能動性并積極投入到單片機的學習和實踐中來。隨著單片機便攜式實驗裝置的廣泛應用，學生可以不受時間、地點的限制，想學習就學、想實踐就實踐。

實操訓練在課程設計環節進行（2周）。學生可以根據所選設計題目，自主選用51單片機、STC51系列單片機便攜式實驗裝置和多種傳感器及外設模塊，進行系統方案設計、軟件編程、電路連接和軟硬件聯合調試，完成一個單片機應用系統設計。課程設計題目涉及家用電器控制器、智慧交通、工業過程控制等領域，包括20個貼合實際工程應用的設計題目，鼓勵學生創新設計、豐富控制功能，旨在培養和訓練學生的綜合設計能力，體現課程的高階性和創新性。課程設計題目和傳感器及外設模塊見表2。

（四）? 項目實戰（Project）

項目實戰在專業實訓環節完成（2周）。學生可以選用Arduino UNO R3單片機便攜式實驗裝置+智能四輪小車、STM32單片機便攜式實驗裝置+傳感器及外設模塊，完成智能小車尋跡避障控制系統、多臺智能小車協同控制系統、基于STM32單片機環境溫濕度檢測控制系統等實際應用項目的設計與開發，培養團隊協作意識，提高創新能力。

Arduino UNO R3單片機實驗裝置以ATmega328P微處理器為核心，STM32單片機實驗裝置以STM32F103ZET6為主核心，它們與AT89S52單片機結構有所不同，需要對I/O接口和內部資源進行重新設置才可以進行相應的實驗。選用這兩種便攜式實驗裝置完成單片機應用系統的項目設計與開發，可以有效提升學生自主學習的能力，體現創新性和挑戰度。

三? 實踐教學考核評價體系

在實踐教學過程中，以提高學生實踐能力為核心，摒棄一份“實驗報告”或“一本設計說明書”定成績的考核方式，對實踐教學的全過程進行考核評價，構建“設計過程+成果展示、線上+線下、教師點評+學生互評”的綜合考核評價體系。有效調動學生的積極性和主動性，在整個實踐過程中“動起來、忙起來”，每個環節都不能懈怠。以課程設計實踐教學環節為例，綜合考核評價體系見表3。

表2? 課程設計題目和傳感器及外設模塊

四? 結束語

本文以培養學生實踐能力，提升學生創新能力為初衷，以學生發展為中心，進行了基于ETPP模式的單片機原理與接口技術實踐教學改革，從理論到實踐、從仿真實驗到實操訓練，構建完整的實踐教學生態。學生使用單片機便攜式實驗裝置、多種傳感器及外設模塊，邊學習、邊實踐，從基礎實驗、綜合實驗、實操訓練到項目實戰，體現了實踐教學的高階性、創新性、挑戰度。通過全過程綜合考核評價體系，激發學生學習和實踐的積極性，創造人人皆學、處處能學、時時可學的實踐教學環境。在實踐教學過程中，進行全過程考核評價，注重各個環節的能力培養，不再僅僅以一份“實驗報告”或“一本設計說明書”作為評分依據。

2023年春季學期，電氣工程2101—2109班共314人，52.6%、28.8%、12.1%和6.5%的學生分別借用51系列、STC15系列、Arduino UNO R3、STM32單片機便攜式實驗裝置和多種傳感器及外設模塊，積極主動地進行課程設計。對ETPP實踐教學模式滿意度調查統計結果：“一般”占比10.12%，“比較滿意”占比31.45%，“滿意”占比58.43%，其中，53.87%的學生取得優良的總評成績，取得良好的實踐教學效果。

參考文獻：

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[4] 王國霞.實踐教學中應用口袋教學的研究與實踐[J].高等理科教育，2016（6）：121-125，115.

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[7] 馬春燕，鄭劍海，王淑紅.“單片機原理與接口技術”混合式教學探索與實踐[J]．教育教學論壇，2019，19（50）：168-170.

[8] 騰召勝，高云鵬.基于口袋實驗室的單片機實驗教學改革[J].電氣電子教學學報，2018，40（4）：117-120.

[9] 王中明．“口袋實驗”教學方式探索——基于《單片機原理》課程[J].江漢大學學報（自然科學版），2019，47（3）：265-269.

[10] 馬春燕，鄭劍海，王淑紅.基于“口袋機”的“單片機原理與接口技術”課程開放式教學探索[J].實驗技術與管理，2020，37（4）：16-19，27.