單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計

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現(xiàn)代機(jī)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(jī)作為控制器，因此在從事這些機(jī)電產(chǎn)品或系統(tǒng)的維修調(diào)試、日常維護(hù)、售后服務(wù)與升級改造等工作時，需要具備一定的單片機(jī)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(jī)電類專業(yè)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)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(qiáng)，一般在大二下學(xué)期或大三上學(xué)期開設(shè)[2]。在教學(xué)實踐中，為了讓學(xué)生掌握知識、形成技能、提高能力，筆者對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計與開發(fā)，在理實一體化教室采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，綜合運用各種教學(xué)硬件平臺，取得較好的教學(xué)效果。

1課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，教學(xué)內(nèi)容非常豐富，不同專業(yè)對單片機(jī)技術(shù)的側(cè)重點不盡相同，在設(shè)計與開發(fā)教學(xué)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(dǎo)向”的方針，因此應(yīng)從機(jī)電類職業(yè)崗位需求分析入手，參照國家相關(guān)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，精細(xì)化選擇教學(xué)內(nèi)容。二是要適合學(xué)生學(xué)情。根據(jù)高職生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和認(rèn)知特點，課程內(nèi)容的編排以典型工作任務(wù)為學(xué)習(xí)單元，并貫徹“管用、夠用、適用”的教學(xué)指導(dǎo)思想。三是要適應(yīng)課堂教學(xué)。該課程一般是在理實一體化教室展開教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容要能較好地處理理論教學(xué)與技能訓(xùn)練的關(guān)系，體現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做”理念。對于機(jī)電類專業(yè)，單片機(jī)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(jī)的內(nèi)部硬件資源、外圍常用器件為出發(fā)點，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)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(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、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(wù)，每項基本任務(wù)都有一項拓展任務(wù)，設(shè)計拓展任務(wù)的目的是鞏固與深化基本任務(wù)中的知、技、能。任務(wù)名稱的敘寫盡量具體到直觀可操作的程度。

2任務(wù)驅(qū)動教學(xué)的實踐

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式的特點是“以任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”[4]，筆者在教學(xué)實踐中一般按任務(wù)提出、分析、實施、評價、拓展等五個基本環(huán)節(jié)展開教學(xué)。在任務(wù)提出環(huán)節(jié)，教師通過日常生活、工業(yè)生產(chǎn)中學(xué)生見過的一些實例，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，引出基本任務(wù)，并展示出某個解決方案的結(jié)果，讓學(xué)生對任務(wù)有直觀清晰的認(rèn)識。在這個環(huán)節(jié)，教師還應(yīng)強(qiáng)調(diào)解決方案并不是唯一的，解決同一項任務(wù)可能會有好幾個方案，鼓勵學(xué)生從多個角度去探索解決方案。在任務(wù)分析環(huán)節(jié)，不是由教師直接告訴學(xué)生應(yīng)當(dāng)如何去解決面臨的任務(wù)，而是由教師向?qū)W生提供解決該任務(wù)的有關(guān)引例和線索，引導(dǎo)學(xué)生“獨立思考、自主探索”；同時倡導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)行討論和交流，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)能力。學(xué)生經(jīng)過反復(fù)分析后，會提出一個或幾個解決方案。在任務(wù)實施環(huán)節(jié)，學(xué)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(qiáng)調(diào)實施方案也不是唯一的。在任務(wù)評價環(huán)節(jié)，有教師點評、學(xué)生自評互評。既要對結(jié)果進(jìn)行評價，也要對過程進(jìn)行評價，還要對學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)進(jìn)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(wù)拓展環(huán)節(jié)，在基本任務(wù)的基礎(chǔ)上，循序漸進(jìn)、一脈相承地引出拓展任務(wù)，再對拓展任務(wù)進(jìn)行分析、實施、評價。教學(xué)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(wù)都需要一些相關(guān)的理論知識，知識講授沒有單獨設(shè)置成一個教學(xué)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(kuò)展把握一個“度”的原則，對于基礎(chǔ)較好、學(xué)有余力的學(xué)生，教師可以在課堂巡回指導(dǎo)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(xué)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(wù)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(wù)要求（白帽），提出解決任務(wù)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(jìn)行主觀情感判斷（紅帽），總結(jié)加權(quán)，做出決策（藍(lán)帽）。下面以“用兩個按鍵控制直流電機(jī)的加速、減速”的任務(wù)為例進(jìn)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(jī)上電后電機(jī)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(jī)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(lán)帽：這個方案總的來說，能夠解決任務(wù)，可以采納。當(dāng)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(jìn)一步探索其他方案。在任務(wù)實施、評價、拓展環(huán)節(jié)，亦可采用“水平思考法”，不贅述。教學(xué)實踐表明，這種思維方法頗受學(xué)生歡迎，經(jīng)過重復(fù)訓(xùn)練、刻意練習(xí)，學(xué)生基本上能夠掌握這種方法。

3）比較教學(xué)法。在眾多的教學(xué)法中，筆者對比較教學(xué)法情有獨鐘。在任務(wù)驅(qū)動教學(xué)過程中，可采用比較教學(xué)法，雙鍵控制直流電機(jī)加減速的硬件電路將“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程中的基本任務(wù)與前導(dǎo)課程“PLC應(yīng)用技術(shù)”中的基本任務(wù)進(jìn)行比較，將拓展任務(wù)與基本任務(wù)、后面任務(wù)與前面任務(wù)進(jìn)行比較。通過比較，找出異同，使學(xué)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(zhǔn)確，并能體會和掌握其中的核心技能。譬如將任務(wù)“用兩個按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的加速、減速”與任務(wù)“用兩個按鍵控制直流電機(jī)的加速、減速”進(jìn)行比較。鍵控四相六線制步進(jìn)電機(jī)的硬件電，使學(xué)生體會到單片機(jī)電路設(shè)計與程序設(shè)計的核心技能。另外還可以利用示波器觀測比較兩種電機(jī)的供電電壓波形，使學(xué)生對兩種電機(jī)的PWM調(diào)速原理有更加直觀深入的理解。

3教學(xué)硬件平臺的運用

目前機(jī)電類專業(yè)單片機(jī)課程的教學(xué)硬件平臺主要有三種：一是單片機(jī)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(jī)實驗板的優(yōu)點是硬件資源豐富、電路穩(wěn)定可靠，學(xué)生對硬件平臺充分信任，可以騰出時間更多地關(guān)注“軟件編程”；缺點是電路都是廠家設(shè)計的，學(xué)生只能適應(yīng)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(jī)會較少。Proteus硬件仿真的優(yōu)點是學(xué)生可以按自己的想法任意搭建電路，靈活性強(qiáng)、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(xué)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(xùn)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(wù)，初學(xué)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(xué)者是否應(yīng)該使用Proteus仿真軟件來學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)？目前有兩種截然不同的觀點。一種觀點認(rèn)為初學(xué)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?，待達(dá)到一定程度后才使用Proteus軟件。另一種觀點則認(rèn)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(xué)者失去耐心和學(xué)習(xí)興趣；實驗板尤其是開發(fā)板，容易使初學(xué)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(xué)者產(chǎn)生“成就感”，有利于深入學(xué)習(xí)。筆者認(rèn)為在教學(xué)實踐中，宜具體情況具體分析。有的學(xué)生喜歡動手操作，使用面包板套件就比較合適；有的學(xué)生喜歡編程調(diào)試，使用Proteus軟件比較容易上手；有的任務(wù)比較復(fù)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(wù)拓展性很強(qiáng)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(wù)，可使學(xué)生體會到應(yīng)用電路設(shè)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(xué)效果。

4結(jié)語

單片機(jī)應(yīng)用能力是一種較通用的工程能力，也是機(jī)電領(lǐng)域從業(yè)人員的重要核心能力，筆者從課程教學(xué)內(nèi)容、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)、教學(xué)硬件平臺三個方面對高職機(jī)電類專業(yè)“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程進(jìn)行設(shè)計與實踐。經(jīng)過對這門課程幾輪的教學(xué)實踐，取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生能夠較好地理解并掌握單片機(jī)技術(shù)的基本知識和技能，并進(jìn)一步提高專業(yè)綜合應(yīng)用能力。

作者：鄭劍 張華 張澧生