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[導(dǎo)讀]摘 要 :文中介紹目前國(guó)內(nèi)高校常用的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展方式及對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行分析,提出在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中引入自主學(xué)習(xí)的理念,在現(xiàn)有單片機(jī)自制設(shè)備基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)及制作了單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái),并詳細(xì)介紹了該平臺(tái)的搭建過(guò)程及開(kāi)展自主學(xué)習(xí)的方法。經(jīng)該校三屆電氣專業(yè)應(yīng)用表明 :該方法能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)與動(dòng)手的積極性,使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí) ;也能滿足不同學(xué)習(xí)層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,實(shí)現(xiàn)因材施教,從而顯著提高單片機(jī)課程整體教學(xué)效果。

引 言

單片機(jī)是高等教育工科電類(lèi)專業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課,它既有自身的理論體系,又有很強(qiáng)的實(shí)踐性 [1-2]。在講授該門(mén)課程時(shí),往往采用理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式,其中前者為后者提供必要的單片機(jī)理論支撐,后者通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單片機(jī)理論的正確性,兩者相輔相成,使學(xué)生深刻理解單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)及熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技能。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展方式及問(wèn)題分析

受高校辦學(xué)理念、人才培養(yǎng)計(jì)劃與硬件設(shè)備條件等因素的影響,目前國(guó)內(nèi)高校在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方面一般采用實(shí)驗(yàn)箱 / 實(shí)驗(yàn)板、虛擬仿真或自制設(shè)備等教學(xué)方法 [3],其中具體情況及優(yōu)缺點(diǎn)分析如下 :

(1) 實(shí)驗(yàn)箱 /實(shí)驗(yàn)板。采用專業(yè)儀器設(shè)備公司提供的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱 / 開(kāi)發(fā)板,具有軟硬件平臺(tái)穩(wěn)定、課程資料齊全、售后技術(shù)支持等優(yōu)勢(shì),教師備課及上課較輕松,學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課時(shí)往往只需把例程調(diào)用出來(lái)運(yùn)行一遍即可,是目前單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)采用最廣泛的一種教學(xué)方式 [4]。但因其硬件資源的有限性及固定性,該教學(xué)方法更適用于單片機(jī)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性、綜合性與擴(kuò)展性不強(qiáng)。

(2)虛擬仿真。采用專業(yè)的單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件(如proteus)能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)及其外圍電路的共同仿真 [5],具有成本低、易于維護(hù)、不受硬件資源限制、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適用于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限或?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)缺乏的學(xué)校。但因仿真只是單片機(jī)系統(tǒng)理想狀態(tài)下達(dá)到的效果,而在實(shí)際應(yīng)用中單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)受到外界的各種干擾,該方法較容易導(dǎo)致學(xué)生仍停留在單片機(jī)理論層面上,動(dòng)手能力仍缺乏,往往達(dá)不到單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)預(yù)期教學(xué)效果。

(3) 自制設(shè)備。由學(xué)生把單片機(jī)和其他外圍元器件焊接在萬(wàn)能板上,學(xué)生以焊接完成的單片機(jī)電路板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 完成課程要求的系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 [6]。該方法能充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,最大化發(fā)揮學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力起積極作用。但因每個(gè)班級(jí)學(xué)生的整體水平參差不齊,往往導(dǎo)致學(xué)生所焊接的單片機(jī)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(xué)生,他們焊接完成的電路板往往存在較多硬件問(wèn)題,有些甚至無(wú)法正常下載或正常運(yùn)行程序,這無(wú)疑直接增加任課老師的工作量, 同時(shí)也是對(duì)任課老師專業(yè)水平和動(dòng)手能力的新考驗(yàn)。

2 單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)構(gòu)建

通過(guò)以上內(nèi)容分析,發(fā)現(xiàn)目前常用單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法主要存在以下問(wèn)題,進(jìn)而影響整體教學(xué)效果 :采用平臺(tái)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)箱 / 實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)踐教學(xué),學(xué)生往往只是把廠家提供的實(shí)驗(yàn)程序在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上驗(yàn)證一遍即可,極大限制了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí),特別對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),該方法存在的弊端更加凸顯 ;采用虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué),學(xué)生只是實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)電路原理圖的程序仿真,而缺乏對(duì)單片機(jī)實(shí)際硬件電路的認(rèn)識(shí)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn),不利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力 ;采用由學(xué)生焊接的自制設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐教學(xué),由于學(xué)生專業(yè)技能與動(dòng)手能力差異性較大,容易導(dǎo)致教學(xué)效果兩極分化,即好的更好,差的更差。

為了充分發(fā)揮學(xué)生主觀學(xué)習(xí)能動(dòng)性,提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力,本文充分借鑒目前常用單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法的優(yōu)缺點(diǎn),擬在自制設(shè)備實(shí)踐教學(xué)方法的基礎(chǔ)上,引入自主學(xué)習(xí)理念 [7],通過(guò)對(duì)現(xiàn)有單片機(jī)自主設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化,搭建單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái),以降低學(xué)生制作單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的難度。學(xué)生在該平臺(tái)上能根據(jù)個(gè)人興趣和能力,自主設(shè)計(jì)和開(kāi)展常規(guī)性及創(chuàng)新性單片機(jī)實(shí)驗(yàn) [8],既保證了單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的先進(jìn)性與創(chuàng)造性,又使大部分學(xué)生能夠順利完成學(xué)習(xí)任務(wù),從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)由單片機(jī)核心模塊及若干個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊組成 [9-11],如圖 1 所示。

圖 1 自主學(xué)習(xí)平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)核心模塊 :主要包括 AVRAtmega48型號(hào)單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、下載電路等,從單片機(jī)兩側(cè)分別引出 2 排擴(kuò)展接口,用于課內(nèi)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)連接其他功能模塊或課外創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)連接擴(kuò)展模塊。

供電模塊 :主要包括 DC 接口、自鎖開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓芯片與濾波電路及必要的擴(kuò)展接口,為整個(gè)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)提供工作電源,同時(shí)也為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)外擴(kuò)模塊提供電源。

鍵盤(pán)輸入模塊 :包括獨(dú)立鍵盤(pán)與矩陣鍵盤(pán) 2 種鍵盤(pán)模式,獨(dú)立鍵盤(pán)包括相互獨(dú)立的 8個(gè)按鍵,矩陣鍵盤(pán)包括 4行 ×4 列共 16 個(gè)按鍵,分別引出鍵盤(pán)的行、列線,用于與單片機(jī)相連,學(xué)生在開(kāi)展自主實(shí)驗(yàn)時(shí),可根據(jù)自身情況選擇其中一種鍵盤(pán)輸入方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

LED 顯示模塊 :主要包括 8 個(gè) LED 及必要外圍電路, 將 8 位 LED 輸入端統(tǒng)一引出來(lái),用于與單片機(jī)相連,能完成單片機(jī)基本 I/O、流水燈、外部中斷、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

數(shù)碼管顯示模塊 :主要包括共陰或共陽(yáng)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(lái),用于與單片機(jī)相連,能完成數(shù)碼管顯示、數(shù)字鐘、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器等實(shí)驗(yàn)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(shí)顯示 16 列 2 行共 32 個(gè)字符,將LCD1602 的 16 個(gè)引腳引出來(lái),用于與單片機(jī)相連,能完成字母、數(shù)字、符號(hào)等實(shí)驗(yàn)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(jī) 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(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦的上下位機(jī)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(lái),用于與單片機(jī)相連, 單片機(jī)通過(guò)置位高電平實(shí)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(dòng)端引出來(lái),用于與單片機(jī)的 A/D 引腳相連, 能完成 A/D 采集實(shí)驗(yàn),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(lái),用于與單片機(jī)相連,能實(shí)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(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)由 PCB 基板及焊接在板上的元器件組成。平臺(tái)的 PCB 由筆者設(shè)計(jì)與繪制,再交付專業(yè) PCB 生產(chǎn)廠家加工完成。PCB 設(shè)計(jì)圖如圖 2 所示。參加單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生,根據(jù)任課老師的要求及自身學(xué)習(xí)進(jìn)度,循序漸進(jìn), 焊接所需模塊,同時(shí)完成模塊間的連線,然后在搭建完成的平臺(tái)上開(kāi)展單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖 2 自主學(xué)習(xí)平臺(tái) PCB 設(shè)計(jì)圖

3 單片機(jī)自主學(xué)習(xí)開(kāi)展與效果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)以單片機(jī)模塊為核心,配以常用接口模塊及擴(kuò)展模塊,參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生按照層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)方法開(kāi)展單片機(jī)自主學(xué)習(xí)任務(wù)。

(1)搭建單片機(jī)核心系統(tǒng),并開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。單片機(jī)核心系統(tǒng)主要包括單片機(jī)核心模塊、供電模塊、鍵盤(pán)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(jī)內(nèi)部操作、I/O 輸入輸出、流水燈、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器、外部中斷、鍵盤(pán)顯示、A/D 采樣、自收發(fā)串行通信等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。

首先,把單片機(jī)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(shí)現(xiàn)原理,將相關(guān)元器件的引腳用杜邦線連接起來(lái),并進(jìn)行電氣連接正確性檢查 ;最后,編寫(xiě)相關(guān)功能程序,編譯、下載程序到單片機(jī)后,觀察程序運(yùn)行現(xiàn)象,并記錄、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求修改程序代碼,以實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)效果。

(2)循序漸進(jìn)逐步完成平臺(tái)搭建,開(kāi)展課內(nèi)拓展性實(shí)驗(yàn)。在單片機(jī)核心系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)進(jìn)度及效果, 以功能模塊為單位,循序漸進(jìn),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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展課內(nèi)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn),能分別完成單片機(jī)聲頻輸出與控制、上下位機(jī)串行通信、液晶顯示控制、溫度采集與控制等擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(3)學(xué)有余力,開(kāi)展課外創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。部分基礎(chǔ)扎實(shí)與動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生,在完成課內(nèi)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外,還可以通過(guò)單片機(jī)核心模塊外擴(kuò)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(lán)牙、WiFi、GPS定位、ZigBee或 GPRS無(wú)線通信等模塊,完成相應(yīng)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(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐教學(xué)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(shí)驗(yàn)效果

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)實(shí)物如圖 3 所示。

圖 3 自主學(xué)習(xí)平臺(tái)實(shí)物

筆者將該平臺(tái)及方法應(yīng)用在本校電氣專業(yè)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中,2016—2018 年期間,約 540 位學(xué)生使用該單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證性、綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。每位學(xué)生能根據(jù)自身能力與知識(shí)構(gòu)造,自主搭建及完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目, 學(xué)有余力的少數(shù)同學(xué)除了完成任課老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)外, 還能在該平臺(tái)上開(kāi)展系列拓展性實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新創(chuàng)造性項(xiàng)目。該

單片機(jī)能很好地滿足不同層次學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)需求,達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果。

學(xué)生應(yīng)用本文單片機(jī)平臺(tái)開(kāi)展自主學(xué)習(xí)后,學(xué)習(xí)積極性與動(dòng)手能力明顯提高,2018 年間,學(xué)生課后申請(qǐng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放人數(shù)比往年增加了約 600 人次 ;學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目及課外科技競(jìng)賽(如挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計(jì)大賽等)的人數(shù)比往年增加了約 20% ;此外,學(xué)生畢業(yè)后從事單片機(jī)開(kāi)發(fā)工作的比例比往年上升了約 15%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中引入自主學(xué)習(xí),采用層次化內(nèi)容教學(xué)方法,由學(xué)生獨(dú)立地對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析、探索、實(shí)踐、質(zhì)疑和創(chuàng)造等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo),不僅實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體,滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求, 真正做到因材施教,還使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí),顯著提高了學(xué)生整體的動(dòng)手能力及單片機(jī)整體實(shí)踐教學(xué)效果。

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