單片機應用技術課程教學設計

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現(xiàn)代機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)都包含測控部分，很多測控裝置采用單片機作為控制器，因此在從事這些機電產(chǎn)品或系統(tǒng)的維修調(diào)試、日常維護、售后服務與升級改造等工作時，需要具備一定的單片機系統(tǒng)的硬件電路檢修與制作、程序編寫與調(diào)試能力[1]。高職機電類專業(yè)的單片機應用技術課程旨在為這些職業(yè)活動提供所必需的基本技能和知識，該課程屬于職業(yè)能力課程，綜合性、實踐性都很強，一般在大二下學期或大三上學期開設[2]。在教學實踐中，為了讓學生掌握知識、形成技能、提高能力，筆者對課程教學內(nèi)容進行了精細化設計與開發(fā)，在理實一體化教室采用任務驅(qū)動教學，綜合運用各種教學硬件平臺，取得較好的教學效果。

1課程教學內(nèi)容的設計

單片機應用領域廣泛，教學內(nèi)容非常豐富，不同專業(yè)對單片機技術的側(cè)重點不盡相同，在設計與開發(fā)教學內(nèi)容時主要考慮以下三點因素[3]。一是結(jié)合校本專業(yè)人才培養(yǎng)方案。培養(yǎng)方案體現(xiàn)了“以就業(yè)為導向”的方針，因此應從機電類職業(yè)崗位需求分析入手，參照國家相關職業(yè)標準的要求，精細化選擇教學內(nèi)容。二是要適合學生學情。根據(jù)高職生的學習風格和認知特點，課程內(nèi)容的編排以典型工作任務為學習單元，并貫徹“管用、夠用、適用”的教學指導思想。三是要適應課堂教學。該課程一般是在理實一體化教室展開教學，教學內(nèi)容要能較好地處理理論教學與技能訓練的關系，體現(xiàn)“做中學、學中做”理念。對于機電類專業(yè)，單片機的主要作用是控制外圍器件，并實現(xiàn)一定的通信和數(shù)據(jù)處理。因此，筆者以單片機的內(nèi)部硬件資源、外圍常用器件為出發(fā)點，將教學內(nèi)容設計成九個模塊：發(fā)光管、數(shù)碼管、按鍵、定時/計數(shù)器、直流電機、步進電機、舵機、串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換（以下簡稱A/D和D/A）。每個模塊含有2～3項基本任務，每項基本任務都有一項拓展任務，設計拓展任務的目的是鞏固與深化基本任務中的知、技、能。任務名稱的敘寫盡量具體到直觀可操作的程度。

2任務驅(qū)動教學的實踐

任務驅(qū)動教學模式的特點是“以任務為主線、教師為主導、學生為主體”[4]，筆者在教學實踐中一般按任務提出、分析、實施、評價、拓展等五個基本環(huán)節(jié)展開教學。在任務提出環(huán)節(jié)，教師通過日常生活、工業(yè)生產(chǎn)中學生見過的一些實例，創(chuàng)設學習情境，引出基本任務，并展示出某個解決方案的結(jié)果，讓學生對任務有直觀清晰的認識。在這個環(huán)節(jié)，教師還應強調(diào)解決方案并不是唯一的，解決同一項任務可能會有好幾個方案，鼓勵學生從多個角度去探索解決方案。在任務分析環(huán)節(jié)，不是由教師直接告訴學生應當如何去解決面臨的任務，而是由教師向?qū)W生提供解決該任務的有關引例和線索，引導學生“獨立思考、自主探索”；同時倡導學生分組進行討論和交流，培養(yǎng)學生協(xié)作學習能力。學生經(jīng)過反復分析后，會提出一個或幾個解決方案。在任務實施環(huán)節(jié)，學生將解決方案付諸實施，從硬件、軟件兩方面實現(xiàn)，經(jīng)過軟硬聯(lián)調(diào)，得到結(jié)果。教師要強調(diào)實施方案也不是唯一的。在任務評價環(huán)節(jié)，有教師點評、學生自評互評。既要對結(jié)果進行評價，也要對過程進行評價，還要對學生的專業(yè)素質(zhì)進行評價，譬如7S管理（整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)、安全、節(jié)約）。在任務拓展環(huán)節(jié)，在基本任務的基礎上，循序漸進、一脈相承地引出拓展任務，再對拓展任務進行分析、實施、評價。教學過程中筆者還有以下幾點心得體會。

1）知識講授。完成每個任務都需要一些相關的理論知識，知識講授沒有單獨設置成一個教學環(huán)節(jié)，分散在五個基本環(huán)節(jié)中。實例和引例中涉及的知識一定要講透徹，沒有涉及的知識暫時不講或稍微提一下。知識體系的深入與擴展把握一個“度”的原則，對于基礎較好、學有余力的學生，教師可以在課堂巡回指導時與他單獨交流或者課外與他單獨交流。

2）水平思考法。水平思考法是英國學者愛德華•德•博諾提出的一種思維方法[5]，具體操作可采用“六頂思考帽”[6]。在任務分析環(huán)節(jié)，需要確定一個解決方案，筆者采用這種方法，取得良好效果。典型步驟是：客觀陳述任務要求（白帽），提出解決任務的方案（綠帽），評估該方案的優(yōu)點（黃帽），評估該方案的缺點（黑帽），對該方案進行主觀情感判斷（紅帽），總結(jié)加權，做出決策（藍帽）。下面以“用兩個按鍵控制直流電機的加速、減速”的任務為例進行簡要說明。白帽：轉(zhuǎn)速有四種狀態(tài)，最低速、次低速、次高速、最高速。單片機上電后電機為最低速，每按一下加速鍵，轉(zhuǎn)速升一個檔，直到最高速；每按一下減速鍵，轉(zhuǎn)速降一個檔，直到最低速。綠帽：硬件電路。黃帽：硬件系統(tǒng)中的電機驅(qū)動模塊采用三極管分立元件，電路簡單、成本低。程序框圖結(jié)構(gòu)清晰，使用的語句種類不多，大量使用簡單的if語句。黑帽：分立元件的硬件制作麻煩，容易接觸不良，工作可靠性低。程序的一個周期時間較長，快速性不好。采用延時子程序，定時不精確，轉(zhuǎn)速精度不高。紅帽：①我不喜歡這個方案，像個“小兒科”“菜鳥”，沒有什么實用價值；②我挺喜歡這個方案，簡單、清晰，有效果；③談不上喜歡，好像也不討厭，沒什么特別感覺。藍帽：這個方案總的來說，能夠解決任務，可以采納。當然還有很多其他的方案，不妨在深入理解、掌握了這個方案之后，再進一步探索其他方案。在任務實施、評價、拓展環(huán)節(jié)，亦可采用“水平思考法”，不贅述。教學實踐表明，這種思維方法頗受學生歡迎，經(jīng)過重復訓練、刻意練習，學生基本上能夠掌握這種方法。

3）比較教學法。在眾多的教學法中，筆者對比較教學法情有獨鐘。在任務驅(qū)動教學過程中，可采用比較教學法，雙鍵控制直流電機加減速的硬件電路將“單片機應用技術”課程中的基本任務與前導課程“PLC應用技術”中的基本任務進行比較，將拓展任務與基本任務、后面任務與前面任務進行比較。通過比較，找出異同，使學生對原有的知識與技能掌握得更加深刻、牢固，新獲得的知識與技能更加鮮明、準確，并能體會和掌握其中的核心技能。譬如將任務“用兩個按鍵控制步進電機的加速、減速”與任務“用兩個按鍵控制直流電機的加速、減速”進行比較。鍵控四相六線制步進電機的硬件電，使學生體會到單片機電路設計與程序設計的核心技能。另外還可以利用示波器觀測比較兩種電機的供電電壓波形，使學生對兩種電機的PWM調(diào)速原理有更加直觀深入的理解。

3教學硬件平臺的運用

目前機電類專業(yè)單片機課程的教學硬件平臺主要有三種：一是單片機實驗板加外圍器件；二是采用Proteus硬件仿真；三是采用面包板及套件[8]。這三種平臺各有特點。單片機實驗板的優(yōu)點是硬件資源豐富、電路穩(wěn)定可靠，學生對硬件平臺充分信任，可以騰出時間更多地關注“軟件編程”；缺點是電路都是廠家設計的，學生只能適應廠家電路，不能按自己的想法搭建電路，硬件電路制作與檢修的機會較少。Proteus硬件仿真的優(yōu)點是學生可以按自己的想法任意搭建電路，靈活性強、成本低；缺點是仿真電路和實物畢竟有區(qū)別，譬如有的仿真正常而實物不通過，有的實物正常而仿真不能通過。面包板及套件的優(yōu)點是學生可以按自己的想法一步一步地搭建實物電路，能很好地訓練和提高硬件電路制作與檢修能力；缺點是電路容易接觸不良，工作不可靠，有時一個簡單的任務，初學者可能花了很多時間來搭建面包板電路，卻調(diào)試不出效果，容易產(chǎn)生挫敗感，失去耐心和興趣。初學者是否應該使用Proteus仿真軟件來學習單片機應用技術？目前有兩種截然不同的觀點。一種觀點認為初學者不要使用Proteus軟件，剛開始只有把硬件擺在你面前，親自操作它，才會有深刻的體會，也才能掌握它[9]，因此剛開始宜使用面包板套件或?qū)嶒灠澹_到一定程度后才使用Proteus軟件。另一種觀點則認為剛開始最好是使用Proteus軟件，因為面包板電路容易出問題，使初學者失去耐心和學習興趣；實驗板尤其是開發(fā)板，容易使初學者將“硬件系統(tǒng)”看成“黑箱子”，對電路失去探索興趣；而Proteus軟件容易使初學者產(chǎn)生“成就感”，有利于深入學習。筆者認為在教學實踐中，宜具體情況具體分析。有的學生喜歡動手操作，使用面包板套件就比較合適；有的學生喜歡編程調(diào)試，使用Proteus軟件比較容易上手；有的任務比較復雜，若一開始就制作面包板電路，既費時又費力，不如先做Proteus仿真；有的任務拓展性很強或視覺效果突出，不妨將面包板電路制作出來。另外，用不同的硬件平臺來完成相同的任務，可使學生體會到應用電路設計與編程的核心方法?？傊?，只有綜合運用這幾種平臺，才能取得較好的教學效果。

4結(jié)語

單片機應用能力是一種較通用的工程能力，也是機電領域從業(yè)人員的重要核心能力，筆者從課程教學內(nèi)容、任務驅(qū)動教學、教學硬件平臺三個方面對高職機電類專業(yè)“單片機應用技術”課程進行設計與實踐。經(jīng)過對這門課程幾輪的教學實踐，取得良好的教學效果，學生能夠較好地理解并掌握單片機技術的基本知識和技能，并進一步提高專業(yè)綜合應用能力。

作者：鄭劍 張華 張澧生