高職電氣自動化技術(shù)專業(yè)單片機(jī)課程教學(xué)改革探討

謝芳芳?鄭劍

摘要：針對高職電氣類專業(yè)學(xué)生的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)能力薄弱這一問題，將前導(dǎo)課程的成熟項(xiàng)目改造成單片機(jī)課程項(xiàng)目，使單片機(jī)課程與前導(dǎo)課程聯(lián)系起來，并且在單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)過程的每個環(huán)節(jié)都與前導(dǎo)課程對應(yīng)項(xiàng)目的各環(huán)節(jié)進(jìn)行比較教學(xué)，以提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)能力。以“三相交流電機(jī)Y-△的單片機(jī)控制”項(xiàng)目為例進(jìn)行實(shí)施說明。實(shí)踐表明，重構(gòu)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施比較式項(xiàng)目教學(xué)是高職電氣類專業(yè)單片機(jī)課程的有效教學(xué)措施。

關(guān)鍵詞：電氣自動化；單片機(jī)；項(xiàng)目教學(xué)；比較教學(xué)

作者簡介：謝芳芳（1978-），女，湖南新田人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，講師。（湖南 長沙 410208）鄭劍（1976-），男，湖南東安人，湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，講師，工程師，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院博士研究生。（湖南 長沙 410151）

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0058-03

一、問題的提出

“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”是高職電氣自動化技術(shù)專業(yè)的一門核心課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生對電氣控制裝置的硬件電路設(shè)計(jì)與制作能力、程序設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。[1]該課程的特點(diǎn)是綜合性、實(shí)踐性都很強(qiáng)，一般在大二下學(xué)期或大三上學(xué)期開設(shè)。目前高職各類專業(yè)的單片機(jī)課程大都在理實(shí)一體化教室進(jìn)行教學(xué)，并采用基于工作過程的行動導(dǎo)向教學(xué)，譬如項(xiàng)目引領(lǐng)、任務(wù)驅(qū)動、范例教學(xué)等，[2]這樣能較好地適應(yīng)學(xué)生學(xué)情。

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)一個突出問題：電氣類學(xué)生的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)能力一直是薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)面對一個具體任務(wù)或項(xiàng)目時(shí)，需要從硬件、軟件兩方面提出解決方案。對于硬件方案，學(xué)生基本上能提出大體構(gòu)思，但是對于軟件方案，即如何用結(jié)構(gòu)化程序流程圖來實(shí)現(xiàn)這個具體任務(wù)，學(xué)生往往無從下手。因此在理實(shí)一體化課堂中，常常出現(xiàn)這樣的場景：學(xué)生動手做完硬件電路后，就認(rèn)為完成了任務(wù)，不愿意再動腦、動手去編程，只等著老師或“高手”同學(xué)在最后時(shí)刻提供源程序，再將源程序抄過來，下載到自己的單片機(jī)中，演示出效果即可。這樣一來，單片機(jī)課程就蛻變成電子電路硬件制作，單片機(jī)技術(shù)的精髓“軟件編程”就好像一只攔路虎，學(xué)生有意無意地躲著它。

二、問題的分析

通過教學(xué)反思，筆者認(rèn)為一個重要原因是，項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容不太適合電氣類專業(yè)學(xué)生。當(dāng)前高職單片機(jī)課程的項(xiàng)目載體多是側(cè)重電子類項(xiàng)目，如數(shù)字電子時(shí)鐘、簡易波形發(fā)生器、籃球比賽計(jì)時(shí)計(jì)分器、六位密碼鎖、校園打鈴器等等。[3]這些項(xiàng)目產(chǎn)品成熟，內(nèi)容循序漸進(jìn)，且能較好地覆蓋單片機(jī)的各知識點(diǎn)和能力點(diǎn)，堪稱經(jīng)典項(xiàng)目。經(jīng)典項(xiàng)目對于電子類專業(yè)學(xué)生來說是比較合適的，但是對于電氣類學(xué)生而言不太適合，需要改革。

電子類專業(yè)單片機(jī)課程的前導(dǎo)課程有模擬電子、數(shù)字電子、PCB版圖繪制、電子產(chǎn)品組裝與調(diào)試等，經(jīng)典項(xiàng)目在前導(dǎo)課程中均有不同程度的涉及。譬如數(shù)字電子時(shí)鐘項(xiàng)目，除了可以用單片機(jī)加外圍電路實(shí)現(xiàn)外，完全可以用集成度比單片機(jī)低的各種數(shù)字芯片來實(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)目在“數(shù)字電子技術(shù)”課程中就是一個綜合性項(xiàng)目。[4]因此電子類學(xué)生經(jīng)過前導(dǎo)課程的鋪墊，除了具備較扎實(shí)的電子硬件電路基礎(chǔ)外，也具備了初步的結(jié)構(gòu)化、模塊化程序思維能力。再加上與單片機(jī)同期開設(shè)的課程有“C語言編程”，這樣，單片機(jī)課程側(cè)重硬件接口與指令系統(tǒng)，C語言課程側(cè)重算法思想與程序編制，兩者相互促進(jìn)，能取得較好的教學(xué)效果。

比較而言，電氣類專業(yè)單片機(jī)課程的前導(dǎo)課程是電工電子技術(shù)、電機(jī)及拖動、工廠電氣控制、PLC應(yīng)用技術(shù)等，其中“電子技術(shù)”課程的課時(shí)與要求都比電子類專業(yè)低，經(jīng)典項(xiàng)目在前導(dǎo)課程中基本上沒有涉及。電氣類學(xué)生經(jīng)過前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)，結(jié)構(gòu)化、模塊化程序思維能力仍是薄弱環(huán)節(jié)。在接下來的單片機(jī)課程中，若簡單移植電子類專業(yè)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容，對于本科生來說，通過自主學(xué)習(xí)和強(qiáng)化訓(xùn)練，問題不大，但是對于高職生而言，由于理論基礎(chǔ)不夠，前導(dǎo)課程鋪墊不足，再加上自主學(xué)習(xí)能力欠缺，教學(xué)效果就會大打折扣。即便通過強(qiáng)化訓(xùn)練，學(xué)生較好地掌握了某個項(xiàng)目產(chǎn)品的硬件和軟件，但要將電子產(chǎn)品的單片機(jī)技能遷移到電氣產(chǎn)品中去，還需要一個知識遷移與能力遷移的過程，學(xué)生能自主完成這個遷移過程的很少。

三、問題的解決方案

基于上述分析，筆者提出的方案是：結(jié)合電氣類專業(yè)校本人才培養(yǎng)方案，對項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，將項(xiàng)目載體由電子產(chǎn)品改為電氣產(chǎn)品。具體做法就是將前導(dǎo)課程“工廠電氣控制”、“PLC應(yīng)用技術(shù)”中的成熟項(xiàng)目改造成“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程項(xiàng)目。

“工廠電氣控制”與“PLC應(yīng)用技術(shù)”是電氣專業(yè)的兩門核心課程，有比較完善的三相交流電機(jī)控制實(shí)訓(xùn)裝置，教學(xué)設(shè)施齊全，教學(xué)課時(shí)充足。學(xué)生通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，能制作繼電器控制電路板，組裝PLC控制硬件系統(tǒng)；面對一個不太復(fù)雜的電氣控制任務(wù)，基本上能夠繪制出順序功能圖，并用梯形圖程序來實(shí)現(xiàn)。因此學(xué)生對電機(jī)的繼電器控制、PLC控制具備了較好的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上，將前導(dǎo)課程中的成熟項(xiàng)目改造成單片機(jī)課程項(xiàng)目是可行的、必要的。筆者設(shè)計(jì)并實(shí)施的項(xiàng)目如表1所示。

四、解決方案的實(shí)施

仍然在理實(shí)一體化教室進(jìn)行教學(xué)，采用項(xiàng)目教學(xué)法，但是在項(xiàng)目教學(xué)過程的每個環(huán)節(jié)都引入比較教學(xué)法[5]──將該項(xiàng)目的每個模塊或任務(wù)都與前導(dǎo)課程的對應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行比較。通過比較將單片機(jī)課程與前導(dǎo)課程聯(lián)系起來，有利于形成“電氣自動化系統(tǒng)”思想，并且可以更好地認(rèn)識事物的本質(zhì)與特征，使學(xué)生原有的知識與技能更加深刻、牢固，新獲得的知識與技能更加鮮明、準(zhǔn)確。尤其是教學(xué)難點(diǎn)“結(jié)構(gòu)化程序流程圖的設(shè)計(jì)”，通過比較式項(xiàng)目教學(xué)可以取得較好的效果，下面以“交流電機(jī)Y-△的單片機(jī)控制”項(xiàng)目為例進(jìn)行簡要說明。

學(xué)生之前對三相交流電機(jī)Y-△的繼電器控制已經(jīng)很熟悉，如圖1所示，[1]只有硬件無需軟件，實(shí)現(xiàn)的控制功能是：按下起動按鈕SB2，KM1得電自鎖，KT、KMY得電，KM△不得電；10秒后（時(shí)間可改變），KM1仍得電，KMY斷電，KM△得電自鎖，緊接著KT斷電；任何時(shí)候按下停止按鈕SB1，所有線圈斷電。

Y-△的PLC控制硬件電路如圖2所示，通過編程可以實(shí)現(xiàn)與圖1完全一樣的控制功能，為了工作可靠，控制功能改造為：按下起動按鈕SB2，KM1得電，0.5秒后KMY得電，KM△不得電；10秒后（時(shí)間可改變），KM1仍得電，KMY斷電，0.5秒后KM△得電；任何時(shí)候按下停止按鈕SB1，所有線圈斷電。順序功能圖如圖3所示，根據(jù)順序功能圖可以很容易地寫出梯形圖程序。

比較圖1和圖2可知，主電路不變，可將PLC控制電路“轉(zhuǎn)化”為單片機(jī)控制電路。[6]單片機(jī)輸入端的按鈕開關(guān)需要去抖動，起初可采用硬件去抖電路，以減少程序復(fù)雜性；在拓展訓(xùn)練中采用軟件去抖，以降低硬件成本。由于單片機(jī)輸出端口沒有直接驅(qū)動高壓負(fù)載的能力，所以采用固態(tài)繼電器SSR驅(qū)動線圈，如圖4所示。在圖3的基礎(chǔ)上，通過功能比較，可將PLC順序功能圖“轉(zhuǎn)化”為單片機(jī)程序流程圖，[7]如圖5（a）所示。這里的程序設(shè)計(jì)技巧是，為了實(shí)現(xiàn)立停，在0.5秒和10秒延時(shí)子程序中必須隨時(shí)檢測停止按鈕是否被按下，如圖5（b）所示。有了流程圖，匯編或C程序就比較容易編寫出來。

由此可見，改造后的單片機(jī)教學(xué)項(xiàng)目，與前導(dǎo)課程項(xiàng)目比較起來，控制任務(wù)沒有變。硬件方面，主電路沒有變，控制電路有所改變，控制器由PLC改成單片機(jī)，外圍接口電路隨之改變。軟件方面，PLC編程相對來說比較簡單易學(xué)，從PLC編程過渡到單片機(jī)編程，具有循序漸進(jìn)、一脈相承的特點(diǎn)。通過強(qiáng)化訓(xùn)練，學(xué)生能較好地完成知識與能力的遷移、內(nèi)化，從而提高模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)能力。單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)能力是一種較通用的工程能力，一般需要經(jīng)過較長時(shí)間訓(xùn)練。通過項(xiàng)目比較教學(xué)，可以反復(fù)訓(xùn)練學(xué)生這方面的能力。當(dāng)學(xué)生具備了設(shè)計(jì)程序解決問題的初步能力時(shí)，后續(xù)的學(xué)習(xí)與探索將充滿樂趣。

五、結(jié)語

針對高職電氣類專業(yè)學(xué)生的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)能力薄弱這一問題，將前導(dǎo)課程中的成熟項(xiàng)目改造成單片機(jī)課程項(xiàng)目，在項(xiàng)目教學(xué)過程的每個環(huán)節(jié)都與前導(dǎo)課程的對應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行比較。通過比較式項(xiàng)目教學(xué)，將單片機(jī)課程與前導(dǎo)課程聯(lián)系起來，以提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力。以“三相交流電機(jī)Y-△的單片機(jī)控制”項(xiàng)目為例進(jìn)行簡要說明，經(jīng)過筆者對這門課程幾輪的教學(xué)，將比較式項(xiàng)目教學(xué)引入到單片機(jī)理實(shí)一體化課堂教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，重構(gòu)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施比較式項(xiàng)目教學(xué)是高職電氣類專業(yè)單片機(jī)課程的有效教學(xué)措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]華滿香，劉小春，唐亞平.電氣自動化技術(shù)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2012.

[2]曲衛(wèi)冬，王亞青.單片機(jī)課程理實(shí)一體項(xiàng)目式教學(xué)的探討[J].中國電力教育，2010，（10）：56-57.

[3]郭穩(wěn)濤，肖利平.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目式教程[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2012.

[4]楊利軍，李移倫，張文初.應(yīng)用電子技術(shù)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2011.

[5]李運(yùn)模.比較教學(xué)法論略[J].中南民族學(xué)院學(xué)報(bào)（人文社會科學(xué)版），2000，20（3）：125-127.

[6]董藝.單片機(jī)與PLC的區(qū)別及其對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇的影響[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，9（3）：65-69.

[7]王樹沖.PLC梯形圖與單片機(jī)的聯(lián)系[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，

2011，（3）：125.

（責(zé)任編輯：王意琴）