基于模塊化和項目化的單片機實驗教學(xué)改革

韓慧敏+梁妍+施金妹

摘要：本文提出了將模塊化與項目化實驗教學(xué)模式相結(jié)合，形成一種創(chuàng)新型、實用型的單片機實驗教學(xué)改革模式的思路，以期將理論學(xué)習、實踐應(yīng)用、產(chǎn)品制作有機地合為一體。

關(guān)鍵詞：模塊化；項目化；單片機

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）06-0087-04

● 引言

單片機是目前各類智能產(chǎn)品中經(jīng)常選用的微處理器之一，也是現(xiàn)在電子類高校技能競賽中常運用的技術(shù)之一。因此，單片機課程是電子技術(shù)、計算機、電氣、自動化、機電一體化、信息工程等專業(yè)的主干專業(yè)課程，并且是一門實踐性、應(yīng)用性很強的課程，這也說明了單片機課程的實驗教學(xué)尤其重要。

傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)主要是采用高度集成的實驗箱進行實驗教學(xué)，但實驗箱價格昂貴、操作繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以這種方式不僅實驗成本高，而且學(xué)生的實驗效果也不理想。因為實驗的電路都是已經(jīng)制作好的現(xiàn)成品，學(xué)生在做實驗時只需機械地按照圖紙在實驗板上連接幾根導(dǎo)線，然后錄入程序，最后觀察實驗結(jié)果即可，整個過程耗時僅需10～25分鐘。[1]這樣的實驗只屬于驗證性實驗。

由于控制電路和實驗電路集成在一起，所以學(xué)生很難了解所做實驗的實際工作電路，對電路的原理根本無法獲知，這樣的實驗教學(xué)方式很難鍛煉學(xué)生的實際應(yīng)用能力，由此可見，實驗設(shè)備的高度集成化已經(jīng)漸漸不適應(yīng)現(xiàn)代化單片機實驗教學(xué)的要求。隨著單片機技術(shù)的不斷更新和廣泛應(yīng)用，單片機實驗教學(xué)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，價格低，普及性高，能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力；同時，采用項目化的實驗教學(xué)模式，能夠以工作過程為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和解決實際問題的能力。[2]

● 單片機模塊化實驗教學(xué)設(shè)計

改革單片機實驗教學(xué)模式，是指不再采用傳統(tǒng)的實驗箱設(shè)備，而是采用一種學(xué)生自主、自行制作，開放式、模塊化的實驗板來進行單片機實驗教學(xué)。

該實驗板主要由基礎(chǔ)模塊和擴展模塊兩部分組成。其設(shè)計思路是基礎(chǔ)模塊為系統(tǒng)核心模塊，擴展模塊為系統(tǒng)子模塊?；A(chǔ)模塊（核心模塊）搭架上任何一個擴展模塊（子模塊）可完成一個特定的子功能，形成一個產(chǎn)品。所有的擴展模塊（子模塊）還可以按照某種方式多個組合在一起，再搭架上基礎(chǔ)模塊（核心模塊）形成一個更大的系統(tǒng)和有更多復(fù)雜功能的產(chǎn)品。擴展模塊（子模塊）是可組合、分解和更換的單元，但基礎(chǔ)模塊（核心模塊）是必不可少的單元。具體的框架圖如下頁圖1所示。

該實驗板的優(yōu)點是價格低（根據(jù)配置擴展模塊不同，價格在十幾元到幾百元不等），而且省去了中間通過編程器或開發(fā)板來燒錄程序的環(huán)節(jié)，采用ISP直接下載，十分方便。此模塊化實驗板可以完全由學(xué)生自己焊接、制作，體積較小，攜帶方便，學(xué)生可以人手一套，滿足在線仿真調(diào)試、開發(fā)設(shè)計單片機系統(tǒng)以及制作小產(chǎn)品的需要。此外，它還可以為以后的課程設(shè)計、電子設(shè)計競賽、機器人競賽、技能大賽等活動提供技術(shù)準備。[3]

1.基礎(chǔ)功能模塊設(shè)計

基礎(chǔ)模塊為單片機最小系統(tǒng)，也可稱為CPU控制模塊，主要由單片機芯片、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路組成。它是做任何一個單片機實驗或產(chǎn)品必不可少的部分，也是系統(tǒng)的核心部分，如圖2所示。

為了方便后續(xù)搭架基礎(chǔ)模塊與擴展模塊，可以將單片機的32個I/O（P0-P3口）全部引出，將單片機的引腳與2.54mm間距的單排排針焊接在一起，通過排針將引腳引出。然后通過杜邦線，把基礎(chǔ)模塊排針與擴展模塊排針相連接，實現(xiàn)搭架組合。

2.擴展功能模塊設(shè)計

擴展模塊主要包括流水燈模塊，數(shù)碼管顯示模塊，點陣顯示模塊，LCD顯示模塊，蜂鳴器模塊，鍵盤模塊，紅外收發(fā)模塊，傳感器模塊，A/D、D/A模塊，電機控制模塊，時鐘模塊和E2PROM模塊。這些擴展模塊不僅可以使學(xué)生基本掌握單片機的輸入、顯示、控制、數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換、儲存等相關(guān)技能，還可以使學(xué)生在熟悉和掌握以上擴展模塊的電路原理、制作和編程的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身需求自行設(shè)計和制作新的擴展功能模塊，學(xué)習到更多的知識，掌握單片機更多的運用技能。

通過“基礎(chǔ)模塊+擴展模塊”可以制作和實現(xiàn)的功能如下：

廣告牌的設(shè)計與制作：單片機最小系統(tǒng)（基礎(chǔ)模塊）+點陣顯示模塊（擴展模塊）。

功能：通過編程實現(xiàn)單片機控制點陣模塊顯示相應(yīng)的漢字、圖形、數(shù)字等廣告信息。

搶答器的設(shè)計與制作：單片機最小系統(tǒng)（基礎(chǔ)模塊）+鍵盤模塊（擴展模塊）+流水燈（擴展模塊）。

功能：通過編程實現(xiàn)當有按鍵按下時（有人搶答時），將信號反饋給單片機，然后單片機做出相應(yīng)的反應(yīng)動作，如小燈點亮，說明搶答成功，并顯示搶答成功相對應(yīng)的位置。

智能溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計與制作：單片機最小系統(tǒng)（基礎(chǔ)模塊）+傳感器模塊（擴展模塊）+數(shù)碼管顯示模塊（擴展模塊）+流水燈（擴展模塊）+蜂鳴器（擴展模塊）。

功能：通過編程實現(xiàn)當溫度傳感器模塊采集到溫度后，將溫度信號發(fā)送給單片機，單片機接收到信號后，由數(shù)碼管顯示模塊顯示出當前溫度。若溫度超過了預(yù)先設(shè)定的最高溫度值，流水燈模塊亮起，表示啟動降溫控制操作；若溫度低于預(yù)先設(shè)定的最低溫度值，蜂鳴器模塊響起，表示啟動升溫控制操作。

● 單片機項目化實驗教學(xué)設(shè)計

面對高職教育培養(yǎng)高級技能型、應(yīng)用型人才的目標，理論與實驗相分離的教學(xué)模式已不再適應(yīng)當前職業(yè)教育發(fā)展的需要。針對競爭日益激烈的就業(yè)市場和企業(yè)對人才的需求，筆者提倡一種以工作為導(dǎo)向的新教學(xué)模式，其本質(zhì)是讓學(xué)生在學(xué)習中感受到實際工作環(huán)境，教師充當需求者或管理者，給學(xué)生（工作者）下達任務(wù)或訂單，學(xué)生從接到任務(wù)到制作產(chǎn)品整個過程都全程參與。[4]

這樣的模式也稱為項目化教學(xué)模式，即學(xué)生和教師一起實施一個工作任務(wù)或項目而進行的教學(xué)活動，它能實現(xiàn)學(xué)生“學(xué)中做，做中學(xué)”[5]，實現(xiàn)課程設(shè)置職業(yè)化、理論實踐教學(xué)一體化、技能訓(xùn)練崗位化、素質(zhì)訓(xùn)練企業(yè)化[6]，提高學(xué)生的工程意識和解決實際問題的能力。

對于單片機這門實踐性、應(yīng)用性要求都很強，且易制作產(chǎn)品的課程，采用項目化教學(xué)模式，能夠讓學(xué)生通過教師下達的實際工作任務(wù)，學(xué)會Protel99se等仿真軟件的理論知識，然后通過實踐實現(xiàn)電路板繪制、系統(tǒng)仿真、電路板印制、焊接、調(diào)試等，掌握一套完整的單片機硬件電路設(shè)計和制作過程，同時學(xué)習匯編語言或C語言編程的理論知識，通過實踐實現(xiàn)對單片機程序編輯、調(diào)試、燒錄等，掌握一套完整的單片機軟件設(shè)計過程，最終做到將理論學(xué)習、實踐應(yīng)用、產(chǎn)品制作有機地合為一體。

單片機項目化實驗教學(xué)的思路和實施步驟具體如下：

第一步，提出任務(wù)，選擇方案。

掌握技能：能提出至少3種以上方案，通過對比、論證選出最優(yōu)方案；能利用網(wǎng)絡(luò)、圖書館等查閱資料和分析資料。

第二步，硬件電路設(shè)計。

掌握技能：能利用protel99se或其他繪制電路板仿真軟件，繪制出對應(yīng)的電路原理圖、PCB封裝圖。

第三步，電子元器件采購計劃。

掌握技能：能識別、篩選電子元器件；能統(tǒng)籌和規(guī)劃采購計劃，制作采購清單，實施采購任務(wù)，進行成本統(tǒng)計；能檢測電子元器件的性能指標。

第四步，制作電路板（手工焊接）。

掌握技能：能將之前繪制的PCB封裝圖，通過刻版機雕刻法或化學(xué)藥劑腐蝕法制作出PCB電路板；能將電子元器件焊接到PCB電路板上；能檢測PCB電路板和電子元器件。

第五步，軟件設(shè)計。

掌握技能：①設(shè)計程序。能分析任務(wù)或項目需求、設(shè)計程序算法以及畫程序流程圖。②開發(fā)程序。能使用Keil編程軟件、錄入程序和編譯程序。③調(diào)試程序。能調(diào)試程序，查找錯誤，修正錯誤；能生成可下載到單片機的.hex文件。④燒錄程序。根據(jù)不同的下載工具，能采用不同的燒錄方式；能使用燒錄程序的軟件，了解燒錄程序的步驟，實現(xiàn)將.hex文件燒錄到單片機。可以利用基礎(chǔ)模塊（單片機最小系統(tǒng)）實現(xiàn)燒錄程序。

第六步，上交產(chǎn)品及編寫項目報告。

這包括PCB電路原理圖、封裝圖，采購耗材清單，手工焊接電路板及軟件程序清單。

掌握技能：能制作產(chǎn)品使用說明書；歸納、總結(jié)產(chǎn)品制作全流程的步驟；利用單片機的知識和技能，分析和解決一定的工程實際問題。

在項目化教學(xué)中，教師根據(jù)實際工作需求的項目，給學(xué)生下發(fā)任務(wù)。學(xué)生自行組隊，通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館等資源多方面搜集資料，小組討論，師生互動，討論方案的可行性，這樣能留給學(xué)生發(fā)揮的空間，激發(fā)他們的創(chuàng)造性思維。對于確定后的方案，學(xué)生開始展開硬件電路、軟件程序的設(shè)計與制作。在這個過程中，教師只需要針對項目進展和實施，在適當?shù)臅r候引導(dǎo)學(xué)生進行相關(guān)理論知識的鏈接，做到理論與實踐相結(jié)合。每個小組獨立完成項目后，上交產(chǎn)品和項目報告，并進行集體點評。

● 結(jié)論

實踐證明，采用模塊化的單片機實驗教學(xué)，能夠提高學(xué)生識別電路結(jié)構(gòu)的能力，從而提高他們的動手能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。并且模塊化電路板較為靈活、普及性高，各個模塊都相對獨立，在出現(xiàn)故障時易于檢測。由于價格較低，學(xué)生能夠人手一套，自行設(shè)計各類擴展功能模塊。采用項目化的單片機實驗教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和解決實際問題的能力。在項目化教學(xué)過程中，教師通過角色扮演，給學(xué)生下達工作任務(wù)，這樣能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性，開拓學(xué)生的思維，從而提高教學(xué)效率。同時，項目的實施和完成能將理論和實踐融為一體，讓學(xué)生學(xué)以致用。將模塊化與項目化教學(xué)模式相結(jié)合，是一種創(chuàng)新型的單片機實驗教學(xué)改革模式，它能通過設(shè)計和制作模塊化的單片機實驗板，實現(xiàn)項目化教學(xué)過程。

參考文獻：

[1]殷士勇.Keil和Proteus在單片機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（6）：567-570.

[2]劉升.模塊化單片機課程實驗教學(xué)系統(tǒng)[J].淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（2）：40-43.

[3]張宏偉，閻有運，王新.單片機實踐教學(xué)改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2009（4）：206-208.

[4]韓慧敏，陳亮，柏乃琳.電子類專業(yè)實踐教學(xué)改革的探索[J].科技視界，2014（5）：54.

[5]沈培鋒.《單片機原理與應(yīng)用》項目化教學(xué)改革案例淺談[J].中國科技信息，2012 （18）：137.

[6]孫鳳芹.單片機課程教學(xué)改革探析[J].科協(xié)論壇：下半月，2012（9）：177-178.

作者簡介：韓慧敏（1987—），女，漢族，海南人，博士在讀，講師，研究方向為電子信息、計算機輔助設(shè)計與制造、3D打印技術(shù)。