陳英杰 毛開宇 陳安 鄧曉燕 高煥麗

摘? 要? 針對單片機實驗教學(xué)綜合性強的特點，基于OBE理念進行實驗教學(xué)設(shè)計，在實驗課程中引入前序課程的理論知識，讓學(xué)生建立完善的知識體系和系統(tǒng)性思維，培養(yǎng)學(xué)生方案設(shè)計和工程調(diào)試的實踐能力。教學(xué)活動中需要確定具體的教學(xué)目標，分解目標并采用分層次教學(xué)方法。本教學(xué)設(shè)計綜合了單片機定時器、步進電機原理、數(shù)組或指針、狀態(tài)機設(shè)計等知識點，設(shè)計層層遞進的實驗要求，引導(dǎo)學(xué)生對課程知識融會貫通，顯著提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞? 單片機；實驗教學(xué)；OBE理念；定時器；步進電機

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0129-04

Instructional Design of Microcontroller Expe-riment Teaching Based on OBE Concept： Taking Experiment of Timer and Stepper Motor as Example//CHEN Yingjie1， MAO Kaiyu2， CHEN An1， DENG Xiaoyan1， GAO Huanli1

Abstract? An OBE （Outcome Based Education） based experimental teaching design focusing on the fea-tures of single-chip microcontroller experiments is?discussed in this article. In the experimental cour-se， the theoretical knowledge of the pre-order course is introduced， in order to establish a per-fect knowledge system and systematic thinking for students， cultivate students practical ability of?scheme design， engineering and debugging. It is nece-ssary to determine specific teaching objectives， decompose them and adopt hierarchical teaching methods in teaching activities. According to the?knowledge points of microcontroller timers， stepper?motor， array， pointer and state machine，design pro-gressive experimental requirements and guide stu-dents to master the knowledge through the experi-ment. Finally，the instructional design obtains a significant experimental outcome on practical operations for students and high-quality teaching.

Key words? single-chip microcomputer; experiment teaching; outcome-based education concept; timer; stepper motor

Authors address

1? School of Automation Science and Engineering， South?China University of Technology， Guangzhou， China，? ?510641

2? Public Basic Laboratory Center， Guangzhou Inter-??national Campus of South China University of?Technology， Guangzhou， China， 511400

0? 引言

成果導(dǎo)向教育（Outcome-based Education，簡稱“OBE”，亦稱能力導(dǎo)向教育、目標導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育）貫穿于工程教育認證標準的始終。在新經(jīng)濟和新工科[1]的背景下，以培養(yǎng)學(xué)生成為重理論、重實踐的“雙重”人才為目標，運用OBE理念對單片機原理及應(yīng)用實驗課程進行教學(xué)設(shè)計，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。單片機原理及應(yīng)用的課程體系包括理論課程和實踐課程。其中，實踐課程包含課程設(shè)計和實驗課程兩部分。理論課程的教學(xué)效果可以通過筆試、考試進行反饋；課程設(shè)計的考核形式是學(xué)生自主完成小項目或設(shè)計并提交設(shè)計報告，由于課程設(shè)計是課后完成，在實際教學(xué)中無法保證課程設(shè)計對每個學(xué)生都是真實的反饋。實驗課程要求學(xué)生現(xiàn)場進行設(shè)計、編程、調(diào)試、驗收，能真實反饋學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實踐能力，所以，實驗課程是單片機原理及應(yīng)用實踐課程中既傳統(tǒng)又重要的組成部分。

單片機原理及應(yīng)用實驗課程（以下簡稱“單片機實驗”）的實操性、設(shè)計性比較強。單片機實驗的教學(xué)目標是要求學(xué)生掌握51單片機的應(yīng)用、系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、軟硬件的調(diào)試方法。由于課堂上的時間是有限的，學(xué)生的動手能力千差萬別，因此，以往的教學(xué)方式中存在兩個主要問題。

1）教師直接用簡單的實驗例程進行教學(xué)。學(xué)生沒有參與到設(shè)計與調(diào)試活動中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興致不高，學(xué)習(xí)效果不佳，無法深度發(fā)掘?qū)W生的潛力。

2）教學(xué)采用單一的實驗要求而缺少具體引導(dǎo)。動手能力強的學(xué)生感覺實驗內(nèi)容簡單，“喂不飽”，動手能力一般的學(xué)生感覺實驗內(nèi)容困難，“吃不消”，畏難情緒重。這樣就往往導(dǎo)致動手能力一般的學(xué)生在課堂上難以完成實驗內(nèi)容，或是簡單復(fù)制其他學(xué)生的實驗設(shè)計和代碼，而不獨立進行實驗的設(shè)計與調(diào)試。

本文提出實驗教學(xué)設(shè)計，實驗課內(nèi)容結(jié)合前序課程的理論知識，采用分層次的實驗要求，減少學(xué)生的畏難心理，激發(fā)學(xué)生的自信心，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力，教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生獨立操作，將理論應(yīng)用于實踐，通過實驗實踐獲得成就感，能夠提高學(xué)生參與實驗的興趣，形成良好的教學(xué)循環(huán)。

1? 實驗設(shè)計原理及方案

步進電機是一種無刷直流電動機[2]，又稱為脈沖電機?；谧罨镜碾姶盆F原理，步進電機通常用于運動和位置都必須準確控制的場合，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進電機的脈沖與步進旋轉(zhuǎn)的角度成正比，脈沖的頻率與步進的轉(zhuǎn)速成正比；在不載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和數(shù)量。步進電機是一個可以把電脈沖轉(zhuǎn)換成機械運動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，單片機可以作為步進電機的理想驅(qū)動源。

單片機實驗教學(xué)中，步進電機作為定時器實驗良好載體，該實驗的主要內(nèi)容包括單片機IO口的操作、定時器的使用、認識步進電機、電機控制程序的編寫與調(diào)試。如圖1所示，實驗系統(tǒng)框圖主要包括輸入、單片機、驅(qū)動電路和步進電機，其中，輸入可以是撥碼開關(guān)或矩陣鍵盤等，單片機具體連線由學(xué)生按實驗設(shè)計和引腳分配進行連接。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，關(guān)注點比較單一。例如，通過學(xué)生是否能夠?qū)懘a驅(qū)動電機，判斷學(xué)生是否完成實驗任務(wù)。在缺少具體導(dǎo)向的情況下，大多數(shù)學(xué)生對實驗并沒有完整的設(shè)計過程，從硬件接線到代碼編寫，往往想一步做一步。實驗中常見的問題有學(xué)生淺嘗輒止、功能設(shè)計過于簡單。例如，僅僅實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動；代碼結(jié)構(gòu)混亂，變量命名不規(guī)范；沒有掌握調(diào)試的方法，設(shè)計豐富功能，調(diào)試出現(xiàn)問題卻無從下手。教師在驗收學(xué)生實驗結(jié)果時，學(xué)生做出的實驗功能不完整。例如，在主函數(shù)中采用死循環(huán)的語句，軟件燒寫后電機就運行，不能停下來；教師要求改變電機的轉(zhuǎn)向時，學(xué)生無法修改程序重新下載，讓電機由原來的順時針轉(zhuǎn)動變?yōu)槟鏁r針轉(zhuǎn)動或由原來的逆時針轉(zhuǎn)動變?yōu)轫槙r針轉(zhuǎn)動。

工程教育的理念是成果導(dǎo)向教育，以學(xué)生為中心，教學(xué)過程考慮學(xué)生學(xué)什么，怎么幫助學(xué)生學(xué)，學(xué)生學(xué)得如何[3]。在實驗教學(xué)中，明確具體的實驗任務(wù)要求，融合前序課程，幫助學(xué)生建立完善的知識體系和系統(tǒng)性思維[4]。單片機原理及技術(shù)的前序課程包括C語言程序設(shè)計、數(shù)字電路技術(shù)、模擬電子技術(shù)等，只有前序課程掌握好，才能高質(zhì)量地完成單片機原理及技術(shù)的實驗課程。本教學(xué)設(shè)計的目標是在實驗課堂有限的時間內(nèi)，能對學(xué)生進行較好的工程實踐訓(xùn)練。

在定時器與步進電機實驗教學(xué)中，教師需要講解四個方面的內(nèi)容：

1）講解單片機定時器與中斷的使用方法；

2）引用電機學(xué)中步進電機原理，講解步進電機的結(jié)構(gòu)與控制方法；

3）結(jié)合C語言程序設(shè)計課程，規(guī)范學(xué)生代碼結(jié)構(gòu)，程序變量的命名方式，同時，利用數(shù)組或指針，建立步進電機驅(qū)動脈沖序列；

4）結(jié)合數(shù)字電路技術(shù)中狀態(tài)機的設(shè)計方法，介紹單片機軟件程序的設(shè)計方法與步驟。

結(jié)合項目設(shè)計開發(fā)的流程，循序漸進，將整個實驗分解設(shè)定四個實驗要求，如表1所示，包括兩個基本要求和兩個進階要求。

2? 成果導(dǎo)向的實驗要求設(shè)計

2.1? 軟件延時與定時器對比分析

本實驗采用的單片機型號為89C58RD，步進電機型號為28BYJ48，在四相四拍的工作模式下，需要2 048個脈沖機械軸轉(zhuǎn)一周。步進電機的輸出有累積效應(yīng)，便于觀察小時間累積的結(jié)果。本實驗中，首先，學(xué)生先采用軟件延時的方法，延時時間作為單片機IO口脈沖輸出的間隔，從而實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)動；其次，學(xué)生需要獨立編寫定時器的代碼，使用定時器計數(shù)時間作為步進電機脈沖的時間間隔，但不限制定時器的工作方式，鼓勵學(xué)生使用不同的工作方式進行實驗。實驗過程中，學(xué)生需要比較軟件延時時間的計算方法與定時器時間的計算方法，并記錄于實驗報告。對比實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生加深印象，幫助學(xué)生掌握單片機定時器的使用方法。

2.2? 數(shù)組與指針的使用

實驗課堂上，教師通過圖片、視頻等方式講解步進電機的主要類型，介紹四相四拍與四相八拍的驅(qū)動方式、步進電機失步的情況。本實驗給出的例程，驅(qū)動脈沖是采用移位操作形成的，例程代碼“i=0xcc”，“i = _cror_（i， 1）”，這兩句代碼形成步進電機的驅(qū)動脈沖，對應(yīng)的驅(qū)動脈沖是“1100B，1001B，0011B，0110B”，屬于二相勵磁[5]的四相四拍驅(qū)動方式。實驗要求學(xué)生編程實現(xiàn)四相八拍驅(qū)動，具體要求學(xué)生通過數(shù)組或指針實現(xiàn)，而不是例程中移位操作或定義多個變量。四相八拍驅(qū)動方式下，建立數(shù)組或指針，例如定義數(shù)組“Pluse[8]={01H， 03H， 02H， 06H， 04H， 0CH， 08H， 09H }”。實驗過程中，為實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，有的學(xué)生代碼在中定義兩個數(shù)組，即正轉(zhuǎn)序列和反轉(zhuǎn)序列。教師對實驗設(shè)計進行檢查或驗收時，如果課堂還有時間，可以鼓勵該學(xué)生優(yōu)化代碼，改進為只用一個數(shù)組實現(xiàn)目標功能。鼓勵學(xué)生持續(xù)改進，達到“潤物細無聲”的效果，促使學(xué)生深入鉆研。

2.3? 狀態(tài)機的設(shè)計與實現(xiàn)

學(xué)生完成的實驗設(shè)計通常存在兩方面的問題，一個是代碼結(jié)構(gòu)混亂，代碼耦合程度高，能解耦的功能沒有進行解耦；另一個問題是實驗設(shè)計不完整，有些功能沒有實現(xiàn)。例如，用開關(guān)1對應(yīng)的功能是步進電機順時針高速旋轉(zhuǎn)；用開關(guān)2對應(yīng)的功能是步進電機逆時針低速旋轉(zhuǎn)。這種情況就是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向這兩個功能沒有解耦，實驗設(shè)計不完整，所以電機沒有順時針低速旋轉(zhuǎn)或逆時針高速旋轉(zhuǎn)的功能。主要原因是學(xué)生在進行實驗功能設(shè)計時，缺乏整體設(shè)計、頂層設(shè)計的步驟。實驗過程中，學(xué)生構(gòu)思功能A，先寫功能A代碼，后面想到要做功能B，然后再做功能B。

狀態(tài)機（即同步時序邏輯電路[6]）的概念來自數(shù)字電路技術(shù)理論課。在沒有采用嵌入式操作系統(tǒng)（例如ucos、FreeRTOS、RT-Thread等）的情況下，嵌入式軟件開發(fā)設(shè)計中，常常使用狀態(tài)機的思想。課堂上引入狀態(tài)機的設(shè)計方法，讓學(xué)生理解程序功能的分析與設(shè)計方法，然后對本次實驗進行整體的程序設(shè)計。同時，引導(dǎo)學(xué)生回顧前序課程知識點，將不同的課程融會貫通，完善知識體系。

在定時器與步進電機實驗中，可以設(shè)計電機的啟停功能、調(diào)速功能、正反轉(zhuǎn)功能。實驗課堂上，學(xué)生通過思考與設(shè)計，能夠發(fā)現(xiàn)調(diào)速功能與電機運行狀態(tài)是能夠解耦的關(guān)系，轉(zhuǎn)速設(shè)置通過定時器的計數(shù)值進行獨立設(shè)置，電機是否工作由控制狀態(tài)機控制。狀態(tài)機包括電機運行的三個狀態(tài)：停機、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，如圖2所示。學(xué)生最終確定實驗方案，設(shè)計程序功能的狀態(tài)機，然后編程實現(xiàn)。課堂上有部分學(xué)生設(shè)計為五個狀態(tài)：停機、高速正轉(zhuǎn)、高速反轉(zhuǎn)、低速正轉(zhuǎn)、低速反轉(zhuǎn)。教師檢查時可以給學(xué)生提相應(yīng)的設(shè)計需求，如實現(xiàn)轉(zhuǎn)速單獨控制，學(xué)生最終都能將實驗設(shè)計進一步優(yōu)化。

3? 實驗效果與反饋

實驗效果的評價包括主觀評價和客觀評價兩部分。主觀評價來自課堂氣氛和學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在實際教學(xué)活動中能夠感受到學(xué)生興趣濃厚，課堂討論熱烈，獨立動手進行實驗的意愿高，能夠高質(zhì)量完成實驗，程序代碼規(guī)范。大多數(shù)學(xué)生能夠獨立完成實驗，掌握單片機定時器使用與步進電機的控制。教師在驗收成果時，學(xué)生的實驗難度不同，代碼效率不同，但只要是學(xué)生獨立設(shè)計的，都應(yīng)該給予鼓勵。針對學(xué)生實驗具體情況提出改進意見，讓學(xué)生對自己的設(shè)計進行改進與完善，挖掘?qū)W生潛力。學(xué)生的思維活躍，可以設(shè)計出更加豐富的功能：有的學(xué)生設(shè)計了無級調(diào)速；有的學(xué)生利用掃描鍵盤作為輸入；有的學(xué)生用外部中斷引腳加微動開關(guān)作為觸發(fā)輸入；有的學(xué)生給電機控制加上狀態(tài)指示燈；有的學(xué)生模擬汽車實現(xiàn)加速與減速等。以學(xué)生完成實驗時間作為客觀評價。

定時器與步進電機實驗課是四個學(xué)時（180分鐘），以19級2班為例，對學(xué)生完成該實驗的時間進行統(tǒng)計。如圖3所示，54人在180分鐘內(nèi)能夠完成實驗，另外有六個學(xué)生需要時間大于180分鐘。大部分學(xué)生能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗，說明實驗內(nèi)容充實，實驗難度合理，能夠達到本實驗課程的目的。

4? 結(jié)論

基于OBE理念的單片機實驗教學(xué)改革與探索，闡述定時器與步進電機實驗的教學(xué)設(shè)計，圍繞學(xué)生需要取得哪些學(xué)習(xí)成果、如何幫助學(xué)生取得成果，由教師在實驗課程中導(dǎo)入前序基礎(chǔ)課程的知識點，將知識點的應(yīng)用分解在實驗要求中，用工程實踐方法步驟規(guī)范實驗；同時，留給學(xué)生設(shè)計空間、擴展空間，引導(dǎo)學(xué)生獨立動手、循序漸進完成實驗設(shè)計。實驗教學(xué)效果良好，實驗課堂氣氛活躍，實驗報告質(zhì)量顯著提高，有助于提高工程教育質(zhì)量，培養(yǎng)重理論、重實踐的“雙重”人才，對電子信息類專業(yè)實驗課程教學(xué)工作有一定借鑒意義。

5? 參考文獻

[1] 王瑋，高飛.電子信息類新工科人才培養(yǎng)體系構(gòu)建[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2022（7）：10-12.

[2] 威爾迪.電機、拖動及電力系統(tǒng)[M].6版.潘再平，楊莉，等，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2016：337-343.

[3] 李志義，朱泓，劉志軍，等.用成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)高等工程教育教學(xué)改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34，70.

[4] 廖勇，周世杰，湯羽，等.面向新工科的軟件工程專業(yè)核心課程體系建設(shè)[J].高等工程教育研究，2022（4）：10-18.

[5] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018：397-398.

[6] 閻石，王紅.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2016：261-263.