基于自主學習的單片機實踐教學平臺設(shè)計與應用

引 言

單片機是高等教育工科電類專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它既有自身的理論體系，又有很強的實踐性 [1-2]。在講授該門課程時，往往采用理論教學與實踐教學相結(jié)合的教學方式，其中前者為后者提供必要的單片機理論支撐，后者通過系列實驗驗證單片機理論的正確性，兩者相輔相成，使學生深刻理解單片機基礎(chǔ)知識及熟練掌握單片機應用系統(tǒng)開發(fā)技能。

1 單片機實驗開展方式及問題分析

受高校辦學理念、人才培養(yǎng)計劃與硬件設(shè)備條件等因素的影響，目前國內(nèi)高校在單片機實踐教學方面一般采用實驗箱 / 實驗板、虛擬仿真或自制設(shè)備等教學方法 [3]，其中具體情況及優(yōu)缺點分析如下 ：

(1) 實驗箱 /實驗板。采用專業(yè)儀器設(shè)備公司提供的單片機實驗箱 / 開發(fā)板，具有軟硬件平臺穩(wěn)定、課程資料齊全、售后技術(shù)支持等優(yōu)勢，教師備課及上課較輕松，學生上實驗課時往往只需把例程調(diào)用出來運行一遍即可，是目前單片機實踐教學采用最廣泛的一種教學方式 [4]。但因其硬件資源的有限性及固定性，該教學方法更適用于單片機驗證性實驗， 實驗創(chuàng)新性、綜合性與擴展性不強。

（2）虛擬仿真。采用專業(yè)的單片機系統(tǒng)仿真軟件（如proteus）能實現(xiàn)單片機及其外圍電路的共同仿真 [5]，具有成本低、易于維護、不受硬件資源限制、擴展性強等優(yōu)點，適用于實驗場地有限或?qū)嶒灲?jīng)費缺乏的學校。但因仿真只是單片機系統(tǒng)理想狀態(tài)下達到的效果，而在實際應用中單片機系統(tǒng)會受到外界的各種干擾，該方法較容易導致學生仍停留在單片機理論層面上，動手能力仍缺乏，往往達不到單片機實踐教學預期教學效果。

(3) 自制設(shè)備。由學生把單片機和其他外圍元器件焊接在萬能板上，學生以焊接完成的單片機電路板為實驗平臺， 完成課程要求的系列實驗內(nèi)容 [6]。該方法能充分發(fā)揮學生自主學習的積極性，最大化發(fā)揮學生的實驗技能，對培養(yǎng)學生的實際動手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力起積極作用。但因每個班級學生的整體水平參差不齊，往往導致學生所焊接的單片機電路板質(zhì)量差別較大，部分焊接技術(shù)及硬件功底差的學生，他們焊接完成的電路板往往存在較多硬件問題，有些甚至無法正常下載或正常運行程序，這無疑直接增加任課老師的工作量， 同時也是對任課老師專業(yè)水平和動手能力的新考驗。

2 單片機自主學習平臺構(gòu)建

通過以上內(nèi)容分析，發(fā)現(xiàn)目前常用單片機實踐教學方法主要存在以下問題，進而影響整體教學效果 ：采用平臺穩(wěn)定的實驗箱 / 實驗板進行實踐教學，學生往往只是把廠家提供的實驗程序在實驗系統(tǒng)上驗證一遍即可，極大限制了學生進行創(chuàng)新實驗和自主學習，特別對綜合設(shè)計性實驗，該方法存在的弊端更加凸顯 ；采用虛擬仿真軟件進行實踐教學，學生只是實現(xiàn)了對單片機電路原理圖的程序仿真，而缺乏對單片機實際硬件電路的認識與調(diào)試經(jīng)驗，不利于提高學生的動手能力 ；采用由學生焊接的自制設(shè)備進行實踐教學，由于學生專業(yè)技能與動手能力差異性較大，容易導致教學效果兩極分化，即好的更好，差的更差。

為了充分發(fā)揮學生主觀學習能動性，提高學生實踐動手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力，本文充分借鑒目前常用單片機實踐教學方法的優(yōu)缺點，擬在自制設(shè)備實踐教學方法的基礎(chǔ)上，引入自主學習理念 [7]，通過對現(xiàn)有單片機自主設(shè)備進行優(yōu)化，搭建單片機自主學習平臺，以降低學生制作單片機實驗板的難度。學生在該平臺上能根據(jù)個人興趣和能力，自主設(shè)計和開展常規(guī)性及創(chuàng)新性單片機實驗 [8]，既保證了單片機實踐教學的先進性與創(chuàng)造性，又使大部分學生能夠順利完成學習任務，從而達到良好的教學效果。

單片機自主學習平臺由單片機核心模塊及若干個相互獨立的功能模塊組成 [9-11]，如圖 1 所示。

圖 1 自主學習平臺組成結(jié)構(gòu)圖

單片機核心模塊 ：主要包括 AVRAtmega48型號單片機、時鐘電路、復位電路、下載電路等，從單片機兩側(cè)分別引出 2 排擴展接口，用于課內(nèi)基礎(chǔ)性實驗連接其他功能模塊或課外創(chuàng)新性實驗連接擴展模塊。

供電模塊 ：主要包括 DC 接口、自鎖開關(guān)、穩(wěn)壓芯片與濾波電路及必要的擴展接口，為整個自主學習平臺提供工作電源，同時也為創(chuàng)新性實驗外擴模塊提供電源。

鍵盤輸入模塊 ：包括獨立鍵盤與矩陣鍵盤 2 種鍵盤模式，獨立鍵盤包括相互獨立的 8個按鍵，矩陣鍵盤包括 4行 ×4 列共 16 個按鍵，分別引出鍵盤的行、列線，用于與單片機相連，學生在開展自主實驗時，可根據(jù)自身情況選擇其中一種鍵盤輸入方式開展實驗。

LED 顯示模塊 ：主要包括 8 個 LED 及必要外圍電路， 將 8 位 LED 輸入端統(tǒng)一引出來，用于與單片機相連，能完成單片機基本 I/O、流水燈、外部中斷、定時器 / 計數(shù)器等實驗內(nèi)容。

數(shù)碼管顯示模塊 ：主要包括共陰或共陽的 4 位數(shù)碼管模塊及必要外圍電路，將數(shù)碼管的 4 位位選引腳及 8 位段選引腳分別引出來，用于與單片機相連，能完成數(shù)碼管顯示、數(shù)字鐘、定時器 / 計數(shù)器等實驗內(nèi)容。

LCD 顯示模塊 ：主要包括 LCD1602 字符型液晶顯示屏及必要外圍電路，能同時顯示 16 列 2 行共 32 個字符，將LCD1602 的 16 個引腳引出來，用于與單片機相連，能完成字母、數(shù)字、符號等實驗內(nèi)容的顯示。

串行通信模塊 ：主要包括串行通信芯片 MAX232 及必要外圍電路，用于單片機 5 V TTL 電平到 12 V 電平的轉(zhuǎn)換， 將 MAX232 的 RX（接收端 ）、TX（發(fā)送端）與 GND用9 針串口器件引出，并與電腦串口相連，從而實現(xiàn)單片機與電腦的上下位機通信。

音頻輸出模塊 ：主要包括有源蜂鳴器、三極管放大器及必要外圍電路，將蜂鳴器正極引出來，用于與單片機相連， 單片機通過置位高電平實現(xiàn)音頻輸出。

A/D 采樣模塊 ：主要包括可調(diào)電位器及必要外圍電路， 將電位器的滑動端引出來，用于與單片機的 A/D 引腳相連， 能完成 A/D 采集實驗，如與 LED、數(shù)碼管或 LCD 等模塊結(jié)合使用，還能輸出 A/D 采集結(jié)果。

溫度采集模塊 ：主要包括數(shù)字溫度傳感器 DS12B20 和模擬溫度傳感器 LM35D 及必要的外圍電路 [12]，將溫度傳感器輸出引腳分別引出來，用于與單片機相連，能實現(xiàn) 2 種不同溫度傳感量的數(shù)據(jù)采集與分析處理，如與數(shù)碼管或 LCD 等模塊結(jié)合使用，還能輸出溫度值。

該單片機自主學習平臺由 PCB 基板及焊接在板上的元器件組成。平臺的 PCB 由筆者設(shè)計與繪制，再交付專業(yè) PCB 生產(chǎn)廠家加工完成。PCB 設(shè)計圖如圖 2 所示。參加單片機實驗的學生，根據(jù)任課老師的要求及自身學習進度，循序漸進， 焊接所需模塊，同時完成模塊間的連線，然后在搭建完成的平臺上開展單片機實驗項目。

圖 2 自主學習平臺 PCB 設(shè)計圖

3 單片機自主學習開展與效果分析

3.1 實驗教學實施

單片機自主學習平臺以單片機模塊為核心，配以常用接口模塊及擴展模塊，參加實驗的學生按照層次化實驗內(nèi)容教學方法開展單片機自主學習任務。

（1）搭建單片機核心系統(tǒng)，并開展相關(guān)實驗項目。單片機核心系統(tǒng)主要包括單片機核心模塊、供電模塊、鍵盤輸入模塊、LED 與數(shù)碼管顯示模塊、A/D 采樣模塊等，可完成單片機內(nèi)部操作、I/O 輸入輸出、流水燈、定時器 / 計數(shù)器、外部中斷、鍵盤顯示、A/D 采樣、自收發(fā)串行通信等基礎(chǔ)性實驗。

首先，把單片機核心系統(tǒng)包括的所有元器件，按照自上到下， 先低后高的原則焊接在 PCB 基板上 ；其次，根據(jù)電路實現(xiàn)原理，將相關(guān)元器件的引腳用杜邦線連接起來，并進行電氣連接正確性檢查 ；最后，編寫相關(guān)功能程序，編譯、下載程序到單片機后，觀察程序運行現(xiàn)象，并記錄、分析實驗結(jié)果， 同時根據(jù)實驗要求修改程序代碼，以實現(xiàn)不同的實驗效果。

（2）循序漸進逐步完成平臺搭建，開展課內(nèi)拓展性實驗。在單片機核心系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學生自主學習進度及效果， 以功能模塊為單位，循序漸進，逐步把蜂鳴器、串行通信、LCD 顯示、溫度控制等模塊搭建完成，并在已有基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上開展課內(nèi)擴展性實驗，能分別完成單片機聲頻輸出與控制、上下位機串行通信、液晶顯示控制、溫度采集與控制等擴展性實驗內(nèi)容。

（3）學有余力，開展課外創(chuàng)新性實驗。部分基礎(chǔ)扎實與動手能力強的學生，在完成課內(nèi)規(guī)定的實驗內(nèi)容外，還可以通過單片機核心模塊外擴部分常用模塊，如溫濕度傳感器、紅外熱釋傳感器、超聲波傳感器、藍牙、WiFi、GPS定位、ZigBee或 GPRS無線通信等模塊，完成相應傳感器的采集傳輸與分析處理，真正做到因材施教，極大地調(diào)動學生參與實踐教學的積極性，為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造性人才創(chuàng)造條件。

3.2 實驗效果

單片機自主學習平臺實物如圖 3 所示。

圖 3 自主學習平臺實物

筆者將該平臺及方法應用在本校電氣專業(yè)的單片機實踐教學中，2016—2018 年期間，約 540 位學生使用該單片機自主學習平臺進行驗證性、綜合性與創(chuàng)新性實驗。每位學生能根據(jù)自身能力與知識構(gòu)造，自主搭建及完成單片機實驗項目， 學有余力的少數(shù)同學除了完成任課老師布置的實驗任務外， 還能在該平臺上開展系列拓展性實驗及創(chuàng)新創(chuàng)造性項目。該

單片機能很好地滿足不同層次學生的實踐學習需求，達到了預期教學效果。

學生應用本文單片機平臺開展自主學習后，學習積極性與動手能力明顯提高，2018 年間，學生課后申請單片機實驗開放人數(shù)比往年增加了約 600 人次 ；學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目及課外科技競賽（如挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計大賽等）的人數(shù)比往年增加了約 20% ；此外，學生畢業(yè)后從事單片機開發(fā)工作的比例比往年上升了約 15%。

4 結(jié) 語

本文通過在單片機實踐教學中引入自主學習，采用層次化內(nèi)容教學方法，由學生獨立地對單片機實驗內(nèi)容進行分析、探索、實踐、質(zhì)疑和創(chuàng)造等方法來實現(xiàn)學習目標，不僅實現(xiàn)了以學生作為學習主體，滿足了不同層次學生的學習需求， 真正做到因材施教，還使學生由被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，顯著提高了學生整體的動手能力及單片機整體實踐教學效果。