張婧婧 李勇偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

單片機原理分層實驗教學(xué)的探索

張婧婧 李勇偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

結(jié)合傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的問題，探索單片機原理分層實驗教學(xué)的新模式。以I/O接口實驗為例，闡述了分層教學(xué)模式的架構(gòu)，剖析分層教學(xué)中如何因材施教，有效提升學(xué)生的實踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能。同時，將分層模式持續(xù)推廣到各類電子設(shè)計活動中，實現(xiàn)單片機實踐教學(xué)體系的完整與統(tǒng)一。

單片機原理；分層教學(xué)模式；實驗教學(xué)；I/O接口

單片機原理作為一門實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，被廣泛開設(shè)于自動化、電子信息工程、機電一體化等專業(yè)。為了優(yōu)選適于學(xué)生使用、由淺入深、由易到難的課程實踐模式，各高校都著力制定或已經(jīng)形成了一系列教學(xué)改革措施[1-2]。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院電子系的單片機實踐教學(xué)同樣進行了深入改革，由單一的驗證型實驗變?yōu)椤胺抡?電子制作”的綜合型實驗，分層教學(xué)模式的雛形已經(jīng)建立并初見成效。文中通過I/O口分層實驗的介紹和剖析，探討了單片機實驗教學(xué)改革產(chǎn)生的深遠影響。

1 分層實驗構(gòu)想

傳統(tǒng)單片機實驗教學(xué)中，實驗內(nèi)容均依據(jù)模塊展開，如基本輸入/輸出實驗、中斷實驗、定時器/計數(shù)器實驗、串口通信實驗、存儲器實驗、I/O口擴展實驗、鍵盤/顯示器實驗、AD/DA轉(zhuǎn)換實驗等[3]。上述內(nèi)容雖貫穿全書，但彼此獨立，不易形成綜合型項目，在進入課程設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生往往不知所措、難以下手。由此推斷，傳統(tǒng)實驗?zāi)K之間既需彼此關(guān)聯(lián)，更需加強深度。只有分類并細化各模塊的實驗內(nèi)容，在不同層次中拓展其深度和廣度，才有助于建立模塊間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，自然地形成綜合型、設(shè)計型的實驗項目。

2 分層實驗實例

分層實驗教學(xué)旨在將某類實驗項目由淺入深地按層次劃分，并循序漸進地展開[4]。本文以AT89C51單片機實踐內(nèi)容為例，將I/O口的多層次實驗教學(xué)內(nèi)容展示如下。

2.1 基礎(chǔ)層

在單片機學(xué)習(xí)的入門階段，基礎(chǔ)的電路和簡易的程序無疑可以幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)信心，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。在基礎(chǔ)電路中，實驗內(nèi)容應(yīng)以基本輸入/輸出電路為主，如多路按鍵的輸入、單只數(shù)碼管的顯示輸出等實驗，如圖1所示。開設(shè)此類實驗旨在通過簡單的交互式電路吸引初學(xué)者的興趣，避免其對大規(guī)模程序設(shè)計望而卻步，也將為后續(xù)綜合型實驗儲備基本的外設(shè)模塊，提高設(shè)計效率。

實驗中，學(xué)生不僅需要建立簡單的輸出電路，還要掌握單片機最小系統(tǒng)及軟件譯碼、硬件顯示等基本概念，初步形成I/O口實驗的基礎(chǔ)層次。

此外，單片機原理作為專業(yè)基礎(chǔ)課，其先修課程為模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路原理等。對學(xué)生來說，如何盡快地建立軟、硬件結(jié)合的設(shè)計思想，順利完成硬件電路向“硬件+程序設(shè)計”電路的過渡，也成為單片機基礎(chǔ)實驗層中亟待解決的問題。

2.2 設(shè)計層

當單片機原理課程進入基本技能培訓(xùn)階段時，用于輸入、控制及顯示的設(shè)計型實驗就應(yīng)該提上學(xué)習(xí)日程。如4×4鍵盤將成為常見的輸入電路，1602液晶、16×16點陣、多只數(shù)碼管的動態(tài)掃描則會成為常見的輸出電路。上述的輸入、輸出電路加上單片機的查詢、中斷、定時器及串口控制，就構(gòu)成了難度適中、具有一定技巧性的設(shè)計型實驗，如圖2所示。對此類實驗的研究不僅可以鞏固單片機原理課程的控制理論，還能夠幫助學(xué)生有效解決交互電路中常見的程序設(shè)計問題，使其在基礎(chǔ)實驗層之上邁進一大步。

圖2 16×16的點陣設(shè)計

如圖2所示，16×16點陣顯示實驗中，無論進行字模掃描還是循環(huán)顯示均涉及對單片機I/O口的有序控制，其掃描和顯示的內(nèi)在關(guān)聯(lián)很大程度依賴于程序的設(shè)計。因此，本實驗屬于I/O口的設(shè)計型實驗范疇。

2.3 擴展層

當單片機原理課程進入技能擴展階段時，對于硬件資源的擴充、接口芯片的運用就成為擴展型實驗考核的重點。常見的接口芯片中，8255主要用于鍵盤輸入或數(shù)碼管輸出電路的擴展；8251常用于串口通信收發(fā)模式的擴展；8253則用于定時器/計數(shù)器工作方式的擴展等。上述芯片加上DA/AD轉(zhuǎn)換模塊、常見輸入/輸出模塊的使用，能夠為單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計提供豐富的軟、硬件資源。相對于基礎(chǔ)層和設(shè)計層實驗的規(guī)模，擴展層中的實驗項目無論是硬件連接還是軟件編程，都將單片機的實踐內(nèi)容推至一個全新的高度。

如圖3所示，8255擴展實驗中包含著單片機I/O口的地址譯碼、硬件連接、讀寫控制等內(nèi)容，實現(xiàn)單片機硬件擴展、功能增強的設(shè)計目標，構(gòu)成單片機I/O口的擴展型實例。

圖3 8255的接口設(shè)計

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用型實驗項目是單片機原理課程實踐的最終環(huán)節(jié)。開發(fā)和設(shè)計具有一定應(yīng)用價值且基于單片機的實驗系統(tǒng)，其過程包含著對課程內(nèi)容的全面領(lǐng)悟，以及對應(yīng)用系統(tǒng)的初步體驗，兩者均屬于深刻的實踐經(jīng)歷，對課程理論的全面掌握具有非常積極的作用。在此類實驗的準備過程中，除了為學(xué)生提供相應(yīng)參考資料外，還需要根據(jù)其在前幾個實踐環(huán)節(jié)的表現(xiàn)和知識水平，為其匹配相應(yīng)的實驗項目。對于硬件制作困難、程序設(shè)計處于初級階段的開發(fā)者，應(yīng)為其分配秒表、簡易交通燈、簡易報警器等小項目制作，鼓勵其參與；對于硬件設(shè)計經(jīng)驗豐富，程序設(shè)計技巧性強的開發(fā)者，可為其分配智能小車、環(huán)境監(jiān)測儀、出租車計價器等項目，更能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)潛能；若對于硬件設(shè)計經(jīng)驗和軟件編程技巧均屬于中間水平的開發(fā)者，為其分配藥粒計數(shù)器、燃氣報警器、智能搶答器、人體紅外報警器等項目更為合適，可側(cè)重展示其所學(xué)成果。

如圖4所示的智能小車以考察單片機I/O口的綜合設(shè)計能力為目標，包含電機驅(qū)動模塊、電機調(diào)速模塊與按鍵控制模塊等設(shè)計內(nèi)容，實現(xiàn)小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本功能，如加上循跡、避障模塊的軟硬件設(shè)計，就能完成小車的智能控制，屬于I/O口的應(yīng)用模型。

圖4 智能小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 分層實驗效果

對單片機實踐內(nèi)容全面梳理并逐步細分后，學(xué)院將課程實踐內(nèi)容分為五部分，包括I/O口實驗、中斷實驗、定時器/計數(shù)器實驗、串口通信實驗、AD/DA轉(zhuǎn)換實驗，并將各部分內(nèi)容分為四層共計20個項目展開，自2012年起試行該分層實驗教學(xué)模式。圖5為本學(xué)院近三年單片機實踐教學(xué)的成績圖表，展示了分層實驗對單片機教學(xué)產(chǎn)生的積極影響。

圖5 單片機實踐教學(xué)的成績變化

如圖5所示，2012年至今，本院單片機實踐的硬件制作從無到有，人數(shù)逐年增多，充分說明分層實驗教學(xué)已經(jīng)引領(lǐng)和帶動更多學(xué)生步入單片機類電子設(shè)計的大門。

4 分層實驗推廣

眾所周知，基于單片機的電子制作周期較長，從功能分析、電路設(shè)計、仿真測試到實物制作需要約2周時間，所以,對所有項目均要求實物制作既不現(xiàn)實，也不必要。只有結(jié)合“仿真+開發(fā)板測試+實物制作”三種方式才能有效推廣分層實驗的模式?；A(chǔ)層、設(shè)計層實驗以Proteus仿真為主[5]，擴展層實驗建議在試驗儀或開發(fā)板中運行，應(yīng)用層實驗則用實物制作，有效提高其設(shè)計水平。

同樣，在應(yīng)用型實踐環(huán)節(jié)中，對各類應(yīng)用項目均提出實物制作要求，對大多數(shù)學(xué)生而言仍無法勝任。因此，在課程后續(xù)的單片機電子大賽、大學(xué)生創(chuàng)新項目、畢業(yè)設(shè)計中，持續(xù)開發(fā)和設(shè)計基于單片機的應(yīng)用系統(tǒng)，才能真正實現(xiàn)單片機實踐體系的完整與統(tǒng)一。

5 結(jié)束語

本學(xué)院單片機原理課程分層實踐模式僅進行了兩輪，課程大賽和創(chuàng)新項目也僅持續(xù)了兩屆，學(xué)生電子設(shè)計能力已經(jīng)有了明顯的改善。伴隨著實驗室開放問題[6-7]、實驗題庫建設(shè)與更新問題、學(xué)生實踐水平兩極化問題的逐步解決，相信單片機分層實驗教學(xué)模式會發(fā)揮出更大的作用，進而產(chǎn)生更深遠的影響。

[1] 賈玉瑛,陳波. 單片機實驗教學(xué)改革與探索[J]. 實驗室科學(xué)，2008，11(6)：32-34.

[2] 周向紅,李建軍. 單片機實踐教學(xué)的探討與研究[J]. 實驗技術(shù)與管理，2007，24(7)：126-128.

[3] 張毅剛，彭喜元.單片機原理與接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4] 馮剛. 單片機實驗教學(xué)平臺的改革[J]. 計算機教育，2010(2)：150-152.

[5] 陳龍,張亞君. Proteus仿真軟件在單片機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理，2009，26(8)：81-83.

[6] 宋蘊璞,周文泳,徐鳴謙,等. 高校單片機教學(xué)實驗設(shè)備與方式探討[J]. 實驗室研究與探索，2009，28(11)：11-14.

[7] 孫文彬. 開放性創(chuàng)新實驗教學(xué)改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2006，25(2)：17-20.

Exploration on the Hierarchical Experiment Teaching of SCM Principle

ZHANG Jingjing, LI Yongwei

(College of Computer and Information Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Combined with the problems existing in the traditional teaching, we have explored a new mode of hierarchical experimental for SCM principle teaching. Taking I/O interface experiments as examples, we have described the architecture of hierarchical teaching model, and told you how to teach students in accordance with their aptitude, how to promote their practice level orderly and stimulate their learning potential. At the same time, the hierarchical model will extend to all kinds of electronic design activity, and then the integrity and unity of SCM practice teaching system will be realized.

SCM principle; hierarchical teaching model; experiment teaching; I/O interface

2014-04-18；修改日期: 2014-09-09

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)授課形式改革基金資助項目(2014SKXS06)。

張婧婧(1981-)，女，碩士，講師，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)，嵌入式理論與應(yīng)用。

G712;TM

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.025