王向玲，石曉玲

(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000)

0 引言

單片機(jī)因其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、芯片資源豐富、功能強(qiáng)大而被廣泛應(yīng)用。單片機(jī)技術(shù)是電子技術(shù)領(lǐng)域中嵌入式系統(tǒng)、DSP技術(shù)、FPGA技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)，是機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)很重要的專(zhuān)業(yè)課[1-2]。該門(mén)課的典型特征是理論知識(shí)點(diǎn)繁多且抽象，需要理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)極強(qiáng)的結(jié)合，但實(shí)際的實(shí)踐教學(xué)效果受到時(shí)間、空間等因素的影響往往達(dá)不到學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，教學(xué)質(zhì)量不高，故對(duì)該門(mén)課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革尤為迫切[3]。

基于以上現(xiàn)狀，本文提出基于口袋實(shí)驗(yàn)室的一種單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)模式。首先能夠克服傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的弊端，其次賦予了學(xué)生更大的創(chuàng)造性與想象力，能夠讓學(xué)生在動(dòng)手過(guò)程中自行探索并驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)亦能系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)理論知識(shí)[4]。

1 傳統(tǒng)的單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)模式

目前，全國(guó)大部分高校的單片機(jī)課程課堂上講授理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)箱上完成且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)施手段均相對(duì)固定[5]，這與培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)，存在的不足主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1)“學(xué)”與“做”的時(shí)空脫離

課堂上的理論知識(shí)講授環(huán)節(jié)與課后的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不能同時(shí)進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的無(wú)縫銜接，學(xué)生做不到及時(shí)將聽(tīng)課內(nèi)容應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，對(duì)于理論知識(shí)理解不夠扎實(shí)的地方不能及時(shí)地用實(shí)踐來(lái)排除疑惑，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“學(xué)”與“做”的高度融合[6]。

2)實(shí)驗(yàn)時(shí)間受限

實(shí)驗(yàn)箱的臺(tái)套數(shù)不能滿(mǎn)足人手一套，且需要滿(mǎn)足開(kāi)設(shè)該課程的不同專(zhuān)業(yè)與班級(jí)，實(shí)驗(yàn)箱使用時(shí)間有限，其次由于實(shí)驗(yàn)箱本身體積大不易攜帶，實(shí)驗(yàn)室一般規(guī)定實(shí)驗(yàn)箱不外借[7]。

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與手段落后

通常傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱集成度高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較固定，都是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的電路圖和程序進(jìn)行，學(xué)生自行設(shè)計(jì)的題目很少。其次，由于實(shí)驗(yàn)箱成本高，更換頻率也非常低，不能滿(mǎn)足學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)踐開(kāi)發(fā)[8]。

2 口袋實(shí)驗(yàn)室

口袋實(shí)驗(yàn)室最早由斯坦福大學(xué)克利夫頓博士提出，理念是設(shè)計(jì)一款方便學(xué)生在課堂、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中都能夠使用的實(shí)驗(yàn)裝置，主要是由美國(guó)德州儀器、賽靈思集成芯片開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)的?？诖鼘?shí)驗(yàn)室體積小便于攜帶、不受時(shí)間空間限制、成本低、方便學(xué)生二次開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足單片機(jī)課程實(shí)踐與理論同步進(jìn)行的教學(xué)條件。國(guó)內(nèi)較早引入口袋實(shí)驗(yàn)室的有清華大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等[9-10]。

2019年11月，我校引入深圳市普中科技技術(shù)有限公司的單片機(jī)口袋機(jī)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的缺點(diǎn)，旨在調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，加強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力與創(chuàng)新實(shí)踐能力。

口袋機(jī)的核心電路板如圖1所示，主控模塊采用雙核單片機(jī)設(shè)計(jì)思想，可實(shí)現(xiàn)STC89C51單片機(jī)向STM32103C8T6單片機(jī)的升級(jí)，除了能夠滿(mǎn)足基礎(chǔ)的STC89C51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，STM32103C8T6單片機(jī)能滿(mǎn)足部分學(xué)生深入學(xué)習(xí)ARM、參加學(xué)科競(jìng)賽等需求。

圖1 口袋機(jī)核心板實(shí)物圖

除主控模塊外，該核心板的設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要有以下4個(gè)方面：

1)設(shè)計(jì)多種標(biāo)準(zhǔn)接口，可搭載AD/DA、LCD1602、電機(jī)、溫濕度、藍(lán)牙、WIFI、觸摸屏等模塊，方便實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展；

2)通信方式多樣化，支持USB、232、485通信；

3)采用模塊化分區(qū)獨(dú)立的設(shè)計(jì)思想，每一模塊都有對(duì)應(yīng)的絲印標(biāo)注，清晰整潔，方便學(xué)生快速了解電路板硬件布局；

4)各個(gè)獨(dú)立模塊不占用I/O口，核心板上設(shè)計(jì)有74HC165、74HC595模塊可實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)串、串轉(zhuǎn)并，方便擴(kuò)展其他外圍模塊。

3 口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施

該實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施中，口袋機(jī)主要應(yīng)用在理論課、實(shí)驗(yàn)課、課后自主提升環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)之間的關(guān)系如圖2所示。1)理論教學(xué)環(huán)節(jié)是基礎(chǔ)，主要為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提供知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是綜合運(yùn)用理論教學(xué)環(huán)節(jié)知識(shí)的體現(xiàn)；2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可啟發(fā)引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行自主提升，同時(shí)自主提升環(huán)節(jié)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是成果分享的好機(jī)會(huì)，提升學(xué)生的成就感；3)理論教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)于自主提升環(huán)節(jié)的能力培育奠定了基礎(chǔ)，自主提升環(huán)節(jié)是理論教學(xué)環(huán)節(jié)的工程實(shí)踐體現(xiàn)。

圖2 口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施

我校單片機(jī)原理及應(yīng)用課程理論課為40課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課為8課時(shí)。改革后的實(shí)踐教學(xué)模式引入過(guò)程考核評(píng)價(jià)，提高平時(shí)成績(jī)比例為60%，具體體現(xiàn)在理論教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，兩環(huán)節(jié)成績(jī)各占總成績(jī)30%，摒棄了傳統(tǒng)的重考試、輕實(shí)踐的考核模式。

3.1 口袋機(jī)在理論教學(xué)中的實(shí)施

課堂上主要講授內(nèi)容為I/O口、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口通信，涉及到的實(shí)驗(yàn)均為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)功能，比如：LED燈的閃爍、流水燈、繼電器、蜂鳴器、靜動(dòng)態(tài)數(shù)碼管、按鍵、定時(shí)器、電機(jī)、傳感器、AD/DA轉(zhuǎn)換等?？诖鼨C(jī)在課堂理論教學(xué)中具體實(shí)施步驟如下：

1)以教學(xué)大綱和教學(xué)進(jìn)度表的形式下發(fā)講授任務(wù)，學(xué)生需提前對(duì)照課本或者課件敲代碼以備課堂實(shí)驗(yàn)使用；

2)課前向每位學(xué)生發(fā)放口袋機(jī)一套，學(xué)生2人一組并攜帶筆記本電腦，講解之后要求學(xué)生下載程序到口袋機(jī)并觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

3)在理解代碼的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生修改某些參數(shù)。比如流水燈實(shí)驗(yàn)中修改延時(shí)函數(shù)中的參數(shù)后再下載程序，學(xué)生觀(guān)察到流水速度發(fā)生改變，更深一步地加深了理論知識(shí)點(diǎn)的鞏固。

口袋實(shí)驗(yàn)室在理論教學(xué)中的引入，可以改變傳統(tǒng)課堂上老師講授、學(xué)生聽(tīng)著枯燥、空洞的被動(dòng)局面，學(xué)生參與率可達(dá)到90%以上，提升學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課的成就感，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 口袋機(jī)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，需要將之前實(shí)現(xiàn)的單個(gè)功能疊加進(jìn)行稍微復(fù)雜程序的編寫(xiě)與硬件調(diào)試，僅靠單個(gè)功能的簡(jiǎn)單整合往往達(dá)不到預(yù)期效果。

該環(huán)節(jié)主要進(jìn)行拓展性實(shí)驗(yàn)，表1列出部分拓展性實(shí)驗(yàn)。例如：流水燈實(shí)驗(yàn)中采用定時(shí)器亦實(shí)現(xiàn)流水燈效果；定時(shí)器、定時(shí)器中斷與動(dòng)態(tài)數(shù)碼管掃描實(shí)現(xiàn)秒表；按鍵控制數(shù)碼管等。

表1 口袋機(jī)可進(jìn)行的部分拓展性實(shí)驗(yàn)

由于該環(huán)節(jié)難度加大，部分不能在實(shí)驗(yàn)課堂完成任務(wù)的學(xué)生可以通過(guò)登記外借口袋機(jī)，只需一根USB轉(zhuǎn)串口的數(shù)據(jù)線(xiàn)即可繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的理解能力與解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力提出了更高的要求，學(xué)生需要提交錄制的視頻，視頻中需要邊講解邊操作。

3.3 口袋機(jī)在自主提升環(huán)節(jié)的實(shí)施

課后自主提升環(huán)節(jié)主要依托于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行，可供全校參加電子設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯等學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生使用。

具體實(shí)施手段如圖3所示，首先由單片機(jī)課程教研組教師完成考核題目的命題，然后實(shí)驗(yàn)室管理員組織考核；參賽學(xué)生需先提交申請(qǐng)后參加考核，考核合格后在實(shí)驗(yàn)室管理員規(guī)定使用時(shí)間內(nèi)辦理口袋機(jī)的借用與歸還事項(xiàng)。學(xué)生可以自行實(shí)踐，如若遇到問(wèn)題可向教研組教師請(qǐng)教。

圖3 自主提升環(huán)節(jié)實(shí)施圖

此環(huán)節(jié)的實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生由易到難，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象修改程序以達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，并融會(huì)貫通到程序編寫(xiě)、硬件設(shè)計(jì)、綜合調(diào)試中，為參加各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

4 教學(xué)效果

通過(guò)對(duì)我校18級(jí)、19級(jí)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的157名學(xué)生進(jìn)行該實(shí)踐教學(xué)模式認(rèn)可度的調(diào)查問(wèn)卷，結(jié)果如圖4所示。新型的基于口袋機(jī)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)模式受到91.8%的學(xué)生認(rèn)可，8.2%的學(xué)生傾向于傳統(tǒng)教學(xué)模式，通過(guò)回訪(fǎng)得知該部分學(xué)生是因?yàn)樵摻虒W(xué)模式無(wú)偷懶、抄襲的機(jī)會(huì)。

圖4 學(xué)生認(rèn)可度調(diào)查結(jié)果圖

對(duì)學(xué)生完成不同難度實(shí)驗(yàn)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖5所示。學(xué)生參與度高，僅有1.2%的學(xué)生不會(huì)設(shè)計(jì)，5.3%的學(xué)生可通過(guò)自主提升環(huán)節(jié)考核，45.5%的學(xué)生能夠模仿課本程序、討論并設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單程序，39%的學(xué)生能獨(dú)立完成簡(jiǎn)單程序的設(shè)計(jì)，9%的學(xué)生能獨(dú)立完成稍復(fù)雜程序的設(shè)計(jì)。

圖5 學(xué)生完成不同難度實(shí)驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)圖

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)施，學(xué)生在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、自主提升三個(gè)環(huán)節(jié)均增加了實(shí)踐的機(jī)會(huì)，做到了“學(xué)與做”的高度融合，更加符合單片機(jī)課程的教學(xué)目標(biāo)。由以往學(xué)習(xí)抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)檫厡?shí)踐邊系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)模式，提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，對(duì)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)開(kāi)發(fā)具有重要的意義。