基于對(duì)分理念的單片機(jī)工程項(xiàng)目研究

王啟明　丁亞飛　喻恒

摘要：為主動(dòng)適應(yīng)新和引領(lǐng)新型經(jīng)濟(jì)，加快和發(fā)展和建設(shè)“新工科”，以適應(yīng)地方性應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。在單片機(jī)工程項(xiàng)目研究中，引入基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的工程教育模式，同時(shí)引進(jìn)“對(duì)分”的理念，主要進(jìn)行工程項(xiàng)目化研究、基于產(chǎn)出的考核方式以及靈活多變的“對(duì)分”理念，在長期的實(shí)踐過程中，培養(yǎng)了大批具有創(chuàng)新精神的復(fù)合型人才，收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；工程項(xiàng)目；新工科；對(duì)分理念

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）22-0218-02

單片機(jī)課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程需要掌握單片機(jī)基本組成、工作原理、接口電路及硬件電路的連接，建立微機(jī)系統(tǒng)的基本概念、基本理論和計(jì)算方法，掌握MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)，運(yùn)用匯編語言編制一些簡單應(yīng)用程序。使學(xué)生應(yīng)達(dá)到分析程序、分析硬件電路、編制程序的能力、設(shè)計(jì)硬件電路、綜合分析與調(diào)試、項(xiàng)目綜合設(shè)計(jì)與制作的能力。眾多的教學(xué)研究人員何如何提高單片機(jī)課程教學(xué)效果有很多的研究，比如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張毅剛提出將Proteus虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用在各教學(xué)環(huán)節(jié)中，進(jìn)行了課程的教學(xué)模式以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革；江蘇科技大學(xué)的唐煒提出了“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革，以學(xué)生為中心構(gòu)建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)；北京石油化工學(xué)院的曹建樹提出了“教、學(xué)、做”一體化任務(wù)驅(qū)動(dòng)型的教學(xué)模式，營造有利于學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性積極進(jìn)取、充分施展和發(fā)展的寬松的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。眾多的教學(xué)方法只是教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)，不能完全構(gòu)建該課程的研究架構(gòu)。

本人從事多年單片機(jī)和嵌入式工程研究和開發(fā)，把工程項(xiàng)目中的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作引入到教學(xué)中，同時(shí)結(jié)合“對(duì)分”理念，在單片機(jī)學(xué)習(xí)和研究中，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，把學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)與提高放在首位，綜合應(yīng)用多位專家的成功經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐了一系列的單片機(jī)工程教學(xué)模式。

1工程項(xiàng)目化教學(xué)研究

項(xiàng)目化教學(xué)是師生通過共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，將理論教學(xué)融入到實(shí)踐項(xiàng)目當(dāng)中，為學(xué)生安排特定工程項(xiàng)目，組織學(xué)生參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施，并開展項(xiàng)目驗(yàn)收，給出評(píng)定。對(duì)學(xué)生而言，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性是至關(guān)重要的，采取靈活的導(dǎo)課方式，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景。

項(xiàng)目教學(xué)法就是在老師的指導(dǎo)下，將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目交由學(xué)生自己處理，信息的收集、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施及最終評(píng)價(jià)，都由學(xué)生自己負(fù)責(zé)，學(xué)生通過該項(xiàng)目的進(jìn)行，了解并把握整個(gè)過程及每一個(gè)環(huán)節(jié)中的基本要求。“項(xiàng)目教學(xué)法”最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，理論學(xué)習(xí)以實(shí)踐為目的，工程實(shí)踐鞏固理論學(xué)習(xí)效果，兩者通過實(shí)際項(xiàng)目相輔相成，以學(xué)生的自主性和探索性為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，大大增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，在整個(gè)過程中，不再把教師掌握的現(xiàn)成知識(shí)技能傳遞給學(xué)生作為追求的目標(biāo)，或者說不是簡單的讓學(xué)生按照教師的安排和講授去得到一個(gè)結(jié)果，而是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生去尋找得到這個(gè)結(jié)果的途徑，最終得到這個(gè)結(jié)果，并進(jìn)行展示和自我評(píng)價(jià)，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在學(xué)習(xí)過程而非學(xué)習(xí)結(jié)果，他們?cè)谶@個(gè)過程中鍛煉各種能力。教師已經(jīng)不是教學(xué)中的主體地位，而是成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)者、指導(dǎo)者和監(jiān)督者。

2對(duì)分理念

2014年，復(fù)旦大學(xué)社會(huì)發(fā)展與公共政策學(xué)院張學(xué)新教授結(jié)合傳統(tǒng)課堂與國外討論式課堂提出了對(duì)分課堂的概念，其核心理念為隔堂對(duì)分，把一半時(shí)間分配給教師課堂講授，另一半分配給學(xué)生以小組討論的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。對(duì)分課堂強(qiáng)調(diào)先教后學(xué)，教師講授在先，學(xué)生學(xué)習(xí)在后。對(duì)分課堂的關(guān)鍵創(chuàng)新在于把講授和討論時(shí)間錯(cuò)開，讓生在課后有一周時(shí)間自主安排學(xué)習(xí)，進(jìn)行個(gè)性化的內(nèi)化吸收。在考核方法上強(qiáng)調(diào)過程性評(píng)價(jià)，并關(guān)注不同的學(xué)習(xí)需求，讓學(xué)生能夠根據(jù)其個(gè)人的學(xué)習(xí)目標(biāo)確定對(duì)課程的投入。教師在課堂上，只紹基本框架、基本概念，著重講授重點(diǎn)、難點(diǎn)，并不窮盡教材內(nèi)容。學(xué)生在完成課堂學(xué)習(xí)之后，基本學(xué)生通過掌握了要學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容，熟悉了了重點(diǎn)、難點(diǎn)，這樣就降低了課后自己學(xué)習(xí)的難度。在課后學(xué)習(xí)中，學(xué)生根據(jù)自己的節(jié)奏完成知識(shí)吸收，完成資料查閱，要給學(xué)生充分的時(shí)間準(zhǔn)備，回到課堂上，把學(xué)生分成小組，小組內(nèi)討論自己學(xué)過的內(nèi)容，全班和教師進(jìn)行深入的互動(dòng)交流。這樣“對(duì)分課堂”把教學(xué)分為三個(gè)過程，分別為講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和討論（Discussion），因此對(duì)分課堂也可簡稱為PAD課堂。2013-2014第二學(xué)期，該方法實(shí)踐于復(fù)旦大學(xué)心理學(xué)系大學(xué)二年級(jí)心理學(xué)研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課程，收到了良好效果。針對(duì)于單片機(jī)課程特點(diǎn)、以及理工科學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，研究基于對(duì)分理念的單片機(jī)工程項(xiàng)目教學(xué)。

3單片機(jī)課程授課內(nèi)容

單片機(jī)課程的教學(xué)順序基本上都是單片機(jī)的基本概念、硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言、C51程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、串行口、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、A/D和D/A接口、人機(jī)接口以及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾部分重要的內(nèi)容。通過對(duì)單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)過程研究與分析，歸納出從事單片機(jī)研發(fā)工程的基本工作任務(wù)，按照產(chǎn)品研發(fā)的工作流程設(shè)計(jì)訓(xùn)練情景。每個(gè)實(shí)訓(xùn)情景都是從產(chǎn)品的技術(shù)要求出發(fā)，按照技術(shù)資料查閱、熟悉器件性能、確定硬件電路性能測試、性能指標(biāo)等步驟實(shí)施。本課重點(diǎn)講授單片機(jī)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)與編程技術(shù)、中斷系統(tǒng)及應(yīng)用、定時(shí)器及應(yīng)用、外圍設(shè)備與單片機(jī)的接口技術(shù)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的單片機(jī)工程研究

按照單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，選取五個(gè)項(xiàng)目，這五個(gè)項(xiàng)目非別為基于單片機(jī)的電話撥號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、競賽搶答器的設(shè)計(jì)、雙機(jī)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)的溫度檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、智能小車的設(shè)計(jì)。這些項(xiàng)目除了涵蓋單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)外，還有傳感器、電機(jī)、繼電器、液晶顯示等大量應(yīng)用性知識(shí)。以溫度檢測控制項(xiàng)目為例，講述如何進(jìn)行基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的單片機(jī)工程項(xiàng)目研究。endprint

4.1工程項(xiàng)目化研究

選取工業(yè)化的產(chǎn)品汽車環(huán)境檢測器，該器件可以用于車內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，具有監(jiān)測車內(nèi)溫濕度、二氧化碳、一氧化碳、pm2.5、甲醛等空氣質(zhì)量檢測的功能。利用溫濕度傳感器、甲醛傳感器、一氧化碳傳感器和二氧化碳傳感器、pm2.5傳感器，通過單片機(jī)及采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和控制車內(nèi)當(dāng)前空氣質(zhì)量情況，顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量參數(shù)，當(dāng)車內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，能夠啟動(dòng)防護(hù)措施，必要時(shí)系統(tǒng)將及時(shí)提示或語音報(bào)警，改善汽車室內(nèi)空氣質(zhì)量，保障車內(nèi)人員的生命健康和安全。

4.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，為了簡化設(shè)計(jì)步驟，我們?cè)陧?xiàng)目中選擇溫度控制部分作為教學(xué)項(xiàng)目。單片機(jī)上連接溫度傳感器，溫度傳感器檢測當(dāng)前的溫度，并把所測得的溫度發(fā)送到單片機(jī)上，同時(shí)溫度在屏幕上，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度（30℃）時(shí)，直流電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇開轉(zhuǎn)動(dòng)，起到降溫的作用；當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度（30℃）時(shí)，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度（37℃）時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警裝置。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖1所示。

4.3主要模塊設(shè)計(jì)

按照工程化設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)要?jiǎng)澐譃?個(gè)主要模塊，有單片機(jī)核心板模塊、溫度檢測模塊、溫度控制模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、按鍵模塊及LCD顯示模塊。

1）主控制器模塊

采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，因?yàn)樗捏w積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、性價(jià)比高、功耗低、可靠性強(qiáng)，該模塊選用STC系列單片機(jī)STC12C5A60S2作為主控核心模塊。該單片機(jī)自身帶有中斷、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口傳送等功能，可以只是C51技術(shù)編程，方便開發(fā)設(shè)計(jì)。

2）溫度檢測模塊

溫度檢測模塊采用DSl8820數(shù)字溫度傳感器，該傳感器是美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0v至5.5v，無需備用電源，測量溫度范圍為-55℃至+125℃。范圍內(nèi)精度為±0.00625℃，溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒。應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)、或任何熱敏感系統(tǒng)。適合該系統(tǒng)的應(yīng)用。

3）溫度控制模塊

溫度控制主要采用直流電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電機(jī)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在該系統(tǒng)中，可以通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)起到控制溫度的作用，使用高低電平占空比控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到溫度控制和溫度控制速度的作用。

4）顯示模塊

該系統(tǒng)采用四位一體八段數(shù)碼管，由于正常的溫度為一10℃至+100℃，整數(shù)部分采用三位即可，其中個(gè)位需要單獨(dú)編碼，讓其適中顯示H段的點(diǎn)，這樣就可以作為整數(shù)和小數(shù)的分割部分，小數(shù)點(diǎn)始終顯示，小數(shù)使用一位數(shù)碼管，顯示一位小數(shù)，四位二進(jìn)制數(shù)有16個(gè)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，共有十個(gè)狀態(tài)，需要轉(zhuǎn)換。

4.4對(duì)分理念的實(shí)施

按照對(duì)分課堂的原理，被分成8各小組，每小組自然地就坐在一起，以小組的形式進(jìn)行討論、學(xué)習(xí)、實(shí)踐?！皩?duì)分課堂”講求課堂內(nèi)容的改變，課堂上主要布置開發(fā)該項(xiàng)目的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊的劃分，課下學(xué)生自己查閱資料，利用實(shí)驗(yàn)室器材或者購置硬件配置，以小組為單位設(shè)計(jì)硬件電路，根據(jù)模塊的劃分，每個(gè)小組成員完成自己模塊的內(nèi)容，包括理論知識(shí)的查閱，硬件電路的原理和開發(fā)時(shí)序，程序的編寫、調(diào)試等等?！皩?duì)分課堂”要求隔堂討論，中間給學(xué)生準(zhǔn)備足夠充足的實(shí)踐進(jìn)行研究、學(xué)習(xí)、開發(fā)、調(diào)試，討論安排在隔堂，同學(xué)們安排在實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，小組內(nèi)部討論在開發(fā)中遇到的問題、解決的辦法，小組之間進(jìn)行交流，老師對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，指出他們?cè)O(shè)計(jì)的優(yōu)劣，但是這樣的討論和老師的總結(jié)要占用大概一般的實(shí)踐課程時(shí)間，必定會(huì)造成實(shí)踐時(shí)間的減少，我們采用的辦法是開展第二課堂和開放實(shí)驗(yàn)室的形式進(jìn)行彌補(bǔ)，更好的實(shí)驗(yàn)課程對(duì)分辦法還在研究中，以期待用更好的措施辦法組織實(shí)踐教學(xué)。從中可以看出，利用理論提供的知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，實(shí)踐加強(qiáng)理論知識(shí)的理解和掌握，理論實(shí)踐相輔相成，加入“對(duì)分課堂”的新鮮形式，更加能夠增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

4.5基于產(chǎn)出的考核方式

傳統(tǒng)的考試通常采用較為機(jī)械的形式，一般有實(shí)驗(yàn)成績、平時(shí)成績、期末試卷等部分組成，期末試卷往往占比較高的比重，比如70%，學(xué)生成績的好壞基本直接取決于試卷的成績，與學(xué)生的臨場發(fā)揮有很大關(guān)系，偶然性比較高，這樣的考核機(jī)制不能完全評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合素質(zhì)，甚至有很大的差別。

在基于產(chǎn)出的考核方式中，圍繞確保學(xué)生獲得在未來生活中獲得實(shí)質(zhì)性成功的經(jīng)驗(yàn)作為考核標(biāo)準(zhǔn)，圍繞這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一切有利于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的行為和結(jié)果定義為正，一切有悖于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的行為和結(jié)果定于為負(fù)。采用多元化的考核方法，增加項(xiàng)目考核方式，分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)運(yùn)作，通過這種基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的考核方式，更加注重過程，能夠反映學(xué)習(xí)過程中對(duì)工程項(xiàng)目的投入和最終的學(xué)習(xí)質(zhì)量，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)更加客觀。

5結(jié)論

將實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)應(yīng)用于單片機(jī)教學(xué)，運(yùn)用項(xiàng)目化的教學(xué)理念組織實(shí)踐內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)能力的提高起到重要的作用，同時(shí)，采用“對(duì)分”理念，靈活的課堂組織形式，從授課內(nèi)容、項(xiàng)目化教學(xué)方法、基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的評(píng)價(jià)機(jī)制，到學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)的提高，取得了明顯的成績。在創(chuàng)建適應(yīng)“新工科”人才培養(yǎng)的背景下，地方型應(yīng)用本科院校有大量類似理論結(jié)合時(shí)間的應(yīng)用型課程，希望對(duì)這樣的課程在教學(xué)過程中提供一點(diǎn)教學(xué)的思路，以培養(yǎng)出更多符合社會(huì)需求的復(fù)合型“新工科”人才。endprint