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基于开发板的单片机实验教学改革与实践

点击:     发布时间: 2021-01-14 15:06

单片机技术是现代控制领域基本技术之一,广泛应用于生活生产中[1,2],单片机课程是高校中电子信息、自动化以及计算机等专业的核心课程之一[3,4,5]。单片机实验是学生掌握单片机理论知识和提升实践技能的重要途径[6]。合理利用优质单片机实验平台是提高单片机实验教学质量的重要手段[7]

1 单片机实验的特点及其教学中存在的问题

1.1 单片机实验的特点

(1)涉及知识面广[8]。单片机实验涉及多种专业知识,如电子线路、C语言以及计算机技术等。

(2)与实际应用联系密切。基于单片机的控制系统广泛应用于工程实践中,如智能家居、智慧交通和环境监测等。大量的应用实例为单片机实验提供了丰富的素材。

(3)与软硬件结合紧密[9]。基于单片机的电子系统是由单片机与其他外围电路及相应的驱动程序共同组成的应用系统。熟练掌握相关软硬件知识是完成单片机实验的重要前提。

(4)需要充足的时间。单片机实验实施过程复杂,难度大。学生需要充足的时间去实践才能达到实验目的。充足的时间是顺利完成单片机实验的保证。

1.2 现阶段单片机实验教学存在的若干问题

目前,单片机实验教学主要存在如下3方面问题。

表1 高校常见单片机课程设置方案     下载原表

表1 高校常见单片机课程设置方案

注:完成一个实验项目需2~3课时,每课时为45~50分钟。

1)实验时间不足[10,11]

(1)现有课程设置方案中单片机实验时间不足。目前,高校中常见的单片机课程设置方案有6种,见表1。其中,方案1、2、4、5被采用较多,但其实验课时占总课时之比不超过1/3,一个教学周期内可完成的实验项目数一般不超过10个,课程量较少;若实验项目难度稍大一点,则可完成的实验项目数将更少。方案3与方案6,实验课时占比较高,一个教学周期内可完成的实验项目也较多,但这两种方案被采用较少。

(2)实验开展方式减少了单片机实验时间。目前,高校主要依托实验室开展单片机实验。由于实验场地和实验设备的限制,高校多采用分组方式开展实验,每个实验至少由两位同学共同完成;另外,每节实验课教师都要花费一定时间讲解和演示实验。因此,学生真正用于实验的时间少于培养方案所设定的实验时间。

实验时间不足,学生不能够将所学知识有效用于实验项目中,不利于学生实践技能的培养与提高。

2)实验平台自身不足

目前,单片机实验箱被大部分高校用作开展单片机实验的主要平台。单片机实验箱的不足制约着单片机实验教学质量的提高,主要体现在以下3方面。

(1)便携性弱。单片机实验箱体积大,质量重,不便于学生带出实验室开展实验。

(2)学习资源偏少且开放性弱。以单片机实验箱为实验平台,学生主要是在实验指导书或者老师的指导下开展验证性实验,很少进行综合性实验和创新性实验[12],无法与实际应用相结合,不利于学生综合实践技能的培养和提高。此外,单片机实验箱生产厂家一般不提供与实验箱相匹配的开放性学习资源,如视频教程、完整的例程代码以及完整的电路原理图等,这给学生课下自主学习单片机知识带来了不便。

(3)硬件资源陈旧且灵活性不足。一方面,为节约成本,厂家生产单片机实验箱时一般选用体积较大、功能单一、直插式的传统电子元器件,如传统的LCD1602、LCD12864和温湿度传感器等。而单片机实验的过程,也是学生学习应用新器件的过程。单片机实验箱的使用,限制了学生学习应用新器件。另一方面,硬件电路高度集成化和模块化,且各模块之间已经连接好,学生无需自主设计电路便可完成相关实验,不足以满足开展创新性实验的需求[13];另外,由于学生不清楚电路板的设计及布线情况,只能根据实验指导书和老师的讲解开展简单的验证性实验[14,15],而对系统的设计过程并不理解。这些不足,限制了对学生单片机应用能力的培养与提高[16]

3)学生知识应用能力不足。

单片机实验需要综合运用前期所学知识。对于大多数高校,单片机实验课一般安排在大学三年级。在此之前,学生一般都学习了电子线路、C语言等知识,但是将这些知识应用到单片机实验中还存在困难。

这3方面问题逐渐削弱了学生学习单片机的积极性,不利于培养与提高学生实践技能,制约着单片机实验教学质量的提升。

2 单片机开发板的特点与优势

随着科技发展,单片机开发板的性价比越来越高,单片机开发板具有如下优良特性。

1)体积小,便携性好。

当今市场上销售的单片机开发板的面积一般在15cm×15cm以内,少数开发板在10cm×10cm,加上包装盒,实验平台的总体体积一般约15cm×15cm×5cm,方便学生将其带出实验室开展单片机实验。

2)课程资源丰富且开放性好。

当今市场上销售的单片机开发板,一般都配有丰富的开放性课程资源,包括电路原理图、视频教程、例程源代码及其他相关文档资料。这些课程资源方便学生随时学习和应用,而不受单片机实验课时间和地点的限制。这些课程资源能很好地辅助实验教学,提高实验的成功率,增强学生的学习积极性,提高单片机实验的教学质量。

3)硬件资源新颖且灵活性好。

单片机开发板的优良特性得益于其采用了较为先进的电子元器件。当今,市面上销售的单片机开发板所采用的电子元器件大都是贴片式的,比如贴片式的电阻、电容、集成电路等;即使是外接元器件也采用了比较新颖的产品,例如用OLED液晶显示屏替代传统的LCD12864;与上位机通信接口采用了普通USB接口或者Micro USB接口。此外,单片机开发板留出了大量外接电路接口,供使用者搭建新的电路系统使用。并且,所有电路接口均采用了标准接口,以方便其他电路模块的接入,使得单片机开发板具有很好的兼容性。学生采用单片机开发板开展实验的同时,学习了较为先进的电子元器件和电路知识,且可以按需搭建新的电路系统。这一优点对培养和提高学生的实践技能及创新能力具有积极作用。

3 基于开发板的单片机实验教学改革

针对单片机实验教学中的问题,选用性能优良的单片机开发板开展单片机实验。

3.1 创新教学内容

优秀的实验内容为学生提供丰富的专业知识,是提高单片机实验质量的根本保证。主要从以下3方面创新实验内容。

首先,与实际应用相结合,体现单片机技术的实用性,激发学生开展单片机实验的兴趣。单片机技术在生产生活中应用广泛,单片机实验易与实际应用相结合,例如在开展多机通信实验时,将单片机在Wi-Fi和4G等通信领域的应用引入教学中。

其次,与电子设计竞赛相结合,体现单片机技术在电子信息类专业中的重要性,提高学生开展单片机实验的积极性。单片机技术在各级各类电子设计竞赛中占有重要的地位,可将电子设计竞赛中与单片机相关的题目引入到单片机实验中。

最后,与科技前沿相结合,让学生更好地接触新技术,拓宽知识面,更深入地理解所学知识,提升学习和应用新知识的能力。主要包括两方面(1)选用较先进的电子元器件开展实验,如贴片单片机、NST101数字温度传感器以及OLED显示屏等;(2)结合授课老师的科研项目和工程实践经历进行教学,将单片机在科研中的应用实例引入到实验教学中。

3.2 改革授课方式

良好的实验授课方式为培养和提高学生的实践技能提供有效途径,是提高单片机实验质量的有力支撑,主要从以下途径对授课方式进行改革。

(1)学生是实验平台的使用者和管理者,为学生自主开展实验奠定基础。为培养学生的团队合作精神,每个实验小组一般由两名或三名同学组成。学期开始,每个实验小组将会领到一套单片机实验开发板,该小组成员将在这一学期使用、保管和维护这套单片机开发板。

(2)设定基本实验项目和绩效实验项目,充分调动学生开展实验的主动性和积极性。由授课教师设定基本实验项目和绩效实验项目。基本实验项目主要是基础性试验,注重对所学基础知识的运用,旨在培养学生对基础知识的运用能力和基本实践技能,每位学生平均每两个课时能够完成一个基本实验项目。修读单片机实验的每位学生在课程结束前必须完成所有的基本实验项目才能够及格。学生若想取得更好的成绩,则需要完成一定量的绩效实验项目。绩效实验项目主要是综合性实验,注重对所学知识的综合运用,旨在提升学生的理论知识水平和综合实践能力。学生可以根据自己的学习情况选做绩效实验题目,没有完成基本实验项目的同学不得选做绩效实验题目。老师对学生完成的每个实验项目的实验报告和实际操作情况给出相应的成绩,供课程考核使用。

(3)学生自主安排实验项目进度,增强学生学习的自主性和灵活性。每学期开始,授课教师将所有实验项目告知学生,由学生根据自己的实际情况安排实验进度,学期末将自己所完成的实验项目提交给老师即可。为防止作弊,授课教师要对学生所完成的实验项目进行相关知识的考查,考查合格,该实验项目才算完成。

(4)实验课堂是师生交流的平台,培养学生发现问题和解决问题的能力。在实验课堂中,授课教师只占用较少的时间对相关实验项目进行简单的说明或演示,并对学生在课堂和课下实验中遇到的问题进行解答,其余的时间由学生自主进行实验,并就实验中遇到的问题进行探讨。

(5)充分利用课后时间开展实验,提升学生自主学习能力。学生需充分利用课后时间开展绩效实验,以取得更好的成绩。课后时间,学生除了向老师和同学请教之外,更多的是自主学习单片机开发板配套资料以获取所需知识。

3.3 优化实验考核方式

合理的实验考核方式能反映单片机实验教学质量并对实验教学起到正反馈作用,是提高单片机实验质量的重要手段。基于开发板的单片机实验教学注重对学生实践操作能力的培养的同时,重视对学生撰写相关文档能力的培养。主要从考核对象、考核内容、成绩构成3方面优化单片机实验考核方式,见表2。

从表2中可以看出,优化后的实验考核包含了对基本实验项目和绩效实验项目的考核,每种考核对象均对实验报告和实践操作均进行考核,其中,实验报告成绩和实操成绩分别占40%和60%;实验课程总成绩由基本实验项目成绩和绩效实验项目成绩构成,分别占60%和40%。优化后的单片机实验考核方式,既注重对学生基础知识和基本专业技能的考核,又能体现对学生综合应用知识能力和综合实践技能的考核,较客观地反映了学生的学习情况,对提高单片机实验教学质量具有积极作用。

4 实践改革成效

截至目前,已将单片机开发板用于青海师范大学2013—2016级电子信息工程专业单片机实验教学中,并取得了较好的成效。其中,在本科毕业论文和大学生电子设计竞赛两方面表现较为突出,分别见表3和表4。表3中G0、G1分别表示2006级电子信息工程专业和2007级电子信息工程专业,G2—G6分别表示2012级电子信息工程专业。

从表3可知,未采用单片机开发板开展实验的专业的本科毕业论文中与单片机相关的所占比例均低于30%,而采用单片机开发板开展实验的专业的这一比例均高于40%。采用单片机开发板开展实验后,学生完成与单片机相关的毕业论文的数量和所占毕业论文总数的比例均有了大幅度提高。学生扎实的单片机知识和实践技能是出现这一成效的重要原因,体现出以单片机开发板为平台开展实验能够有效地促进学生掌握单片机相关知识和实践技能。

单片机技术在电子设计竞赛中应用广泛,表4中所示成绩正是在单片机技术支持下取得的。良好的单片机理论知识和应用能力为学生在电子设计竞赛中取得好成绩提供了重要保障。在电子设计竞赛中取得好成绩,充分体现了以单片机开发板为平台开展单片机实验能够有效提高学生综合运用知识能力和单片机实践技能。

表4 电子信息工程专业学生近3年在大学生电子设计竞赛中的获奖情况     下载原表

表4 电子信息工程专业学生近3年在大学生电子设计竞赛中的获奖情况

5 结语

基于开发板的单片机实验教学从实验内容、授课方式、考核方式3方面对现有单片机实验教学模式进行了改革和创新,使得实验内容更具新颖性和实用性,授课方式更具灵活性和有效性,考核方式更具合理性和适用性。积极引导学生自主学习,充分调动学生学习积极性,在毕业论文和电子设计竞赛方面取得了较好的成效。既注重对学生基本技能的培养,又注重对学生综合实践技能的提高,对提高单片机实验教学质量具有积极作用。

表2 基于开发板的单片机实验考核说明     下载原表

表2 基于开发板的单片机实验考核说明

表3 电子信息工程专业完成毕业论文情况     下载原表

表3 电子信息工程专业完成毕业论文情况

参考文献