“分层次、项目式、虚实结合...的单片机实验教学改革与实践_王京港.pdf

*南京理工大学紫金学院2021年度教育教学改革与研究课题“基于应用型人才培养的单片机实验教学改革与实践”（20210101006）的研究成果“单片机原理及应用”是测控技术与仪器专业的学位专业课程，在测控专业的课程体系建设中起着非常重要的作用。作为将工业测控系统上的信号进行采集、处理、显示或发出控制信号的核心，单片机的学习和掌握情况起着承上启下的作用。通过单片机的学习可以把传感器原理、测控电路、自动控制、智能仪器等相关课程连接起来，从而建立起测控电子-智能仪器课程体系群。因此，学好单片机对于测控专业的学生来说具有重要的意义1。单片机课程不是一门纯理论性的课程，其实践性、操作性和工程性都很强，因此，单片机实验教学是学生掌握单片机基础理论知识，并有效提升实践动手能力的重要教学环节。通过实验教学能让学生比较直观地理解和感受单片机的工作原理和工作方式，是对于课堂教学一个很好的补充。但是目前大多数高校在单片机的实践教学过程中，仍存在着以下问题2-4：实践教学意识仍淡薄，单片机课程教学过程中“重理论，轻实践”，实验教学学时不足，实验只是点缀，是理论教学的补充，实践教学始终被教师和学生放在次要、从属的地位，从而造成学生的应用能力培养缺乏，对培养应用型人才目标十分不利。受实验课时限制，实验教学大多采用单片机实验箱，为验证性实验，实验功能要求固定，缺少和专业的密切结合的实验，不利于综合性、设计性实验的开展，使得学生感觉学习单片机没有意义，最终失去学习的兴趣。实践教学对单片机系统软硬件结合的设计方法介绍不足，学生工程思维缺失，导致学生在实际工作中缺少系统化、工程化的思路。实验室开放程度不够，缺少自主设计、自主研究的氛围，学生在规定的时间内往往不能完成实验而草草收场，实验教学质量不高。随着社会对单片机工程师的要求越来越高，学校陈旧的教学体系和落后的实验器材已经无法满足深层次高要求的学习任务。结合近年来的单片机实验教学及科研项目实践经验，进行总结、探索，本文提出了以学生为中心，分层次、项目式、虚实相结合的单片机实验教学模式，同时，利用信息技术、互联网技术、个人自媒体推动单片机实践课程资源的建设与共享。通过单片机的实验教学改革实践探索，表明该实验教学模式，提高了单片机实验教学效果和教学质量，能引起学生学习的兴趣，并能极大提高学生学习的自主性和实际项目动手开发能力，提高了学生综合运用知识解决工程实践问题的能力，提高了实践课程学习效果和效率。1单片机职业岗位，专业技能需求调研单片机的开发，涉及的岗位十分广泛，电子类、工业控制类、智能仪表类产品的开发过程中都有着单片机的应用。调研企业单片机相关职业岗位的设置情况，不同岗位对单片机专业知识、专业技能、实践能力的需求情况，从而根据需求、分析、思考、设计有针对性的实验项目内容，从而培养应用型人才。职业岗位需求-专业能力要求-实验内容需求分析的具体情况，如图1所示：图1单片机职业岗位-专业能力要求-实验内容需求图2单片机实验教学模式的设计在单片机的实验实践教学过程，根据学生的学情情况，开展了基于分层次、项目式、虚实结合、线下实践与线上指导相结合“分层次、项目式、虚实结合”的单片机实验教学改革与实践*王京港张翠平刘海艳（南京理工大学紫金学院智能制造学院，江苏 南京210023）Reform and Practice of Experimental Teaching of MCUof Hierarchical,Project-based and Virtuality and Reality摘要：针对单片机实验教学存在的问题，在分析了单片机应用型人才培养需求的基础上，提出以学生为中心、分层次、项目式、虚实相结合的单片机实验教学模式，并进行了实践探索。提高了单片机实验教学效果和教学质量，同时提高了学生综合运用知识解决工程实践问题的能力。关键词：单片机；实验教学；教学改革Abstract:In view of the problems existing in the experimental teaching of single chip microcomputer,this paper putsforward the experimental teaching mode of single chip microcomputer with student-centered,hierarchical,project-basedand combination of virtual and real,which based on the analysis of the training needs of applied talents of single chip mi-crocomputer.Through the exploration of teaching practice,the teaching effect and quality are improved,and the studentsability to comprehensively use knowledge to solve engineering practice problems is improved.Keywords:single chip microcomputer,experimental teaching,educational reform“分层次、项目式、虚实结合”的单片机实验教学改革与实践130工业控制计算机2023年第36卷第2期的单片机实验教学模式改革实践，形成以“学生为主体，教师为主导”的高效实验课堂。基于应用型人才培养的单片机实验教学模式设计如图2所示。将单片机实验教学过程分为课前，课中，课后，三个模块节，课内、课外两个方面，线上、线下两个环节。课前指导教师根据学生情况，设计开发单片机实验任务，实验项目内容，并制作虚拟仿真实验教学视频，通过线上平台发布给学生，学生自主课前预习和仿真练习，课前使用的虚拟仿真单片机开发板如图3所示。课中，学生在课前完成虚拟仿真实验项目的基础上，对实验项目有了充分的认知前提下，在实验室焊接完成单片机硬件开发板，如图4所示，并开展基础实验项目和绩效实验项目，同时提出在实验中遇到的问题一起交流讨论，提高了课堂实验教学效率，动手实践能力得到进一步的提高。课后扩展阶段，学有余力的学生根据自身的兴趣和能力开展课外拓展实验项目，教师课外提供线上技术指导，并收集学生的意见反馈，总结分析实验教学中存在的问题，进一步优化实验教学模式。通过课前实验预习、虚拟实验任务检查、线上实验预习及指导、线下实验实操、知识掌握程度反馈以及课后实验教学反馈等教学环节对传统单片机的实验教学模式进行改革，提高了实验教学效果。通过实验教学改革，将单片机实验教学分散化，不再局限于短短的受实验学时限制的课堂教学时间，充分利用课外时间及线上发布的单片机课程资源，给学生带来了一种全新的实验学习体验，改变了原有的课堂教学环境，活跃了课堂教学的氛围，调动了学生的积极性，提高了学生的兴趣和实践动手能力，提升了单片机综合应用及工程实践能力。图2基于应用型人才培养的单片机实验教学模式设计图3单片机Proteus仿真开发板图4单片机硬件开发板（基础版）3单片机实验教学内容设计根据不同层次学生的需求，从分层次培养的实验教学模式出发，在单片机实验教学实践过程中对实验教学内容按照项目进行了重新设计。单片机实验教学分为基本型实验项目（必做实验）、综合应用型项目（绩效实验）、创新设计型项目（课外自主实验）三个层次。具体的基于应用型人才培养的单片机实验教学内容设计如图5所示：图5单片机实验教学内容设计基础实验项目，主要引导学生单片机入门，学会搭建单片机的最小应用系统，掌握基本的IO输入/输出操作，能够设计简单的显示器件及按键输入人机电路接口，并完成驱动程序的编写；对单片机的通用外设资源，如外部中断、定时器、串行口等的应用有基本的认识和掌握，对应图1中单片机初级工程师组装、调试、采购等相关工作岗位的要求。在基础实验项目掌握的基础上，为了进一步提升单片机应用技能，学生利用剩余实验时间选做综合型实验项目，并完成相应的项目的设计与开发，从而对单片机的系统设计有进一步的体会。综合型实验项目主要锻炼学生从工程和产品的角度出发，设计系统的组成，并进行硬件电路的设计和软件程序的开发，提高学生综合利用单片机各外设资源完成具体设计任务的能力，对应图1中从事单片机的相关产品的技术支持、售后技术服务及产品升级等相关工作岗位的要求。单片机课外教学也是单片机实践教学中很重要的一个环节，将教学时间从课内向课外延伸，通过组织兴趣小组，参与学校的创新实践项目、大学生机器人比赛项目，参与产学研基地教师的科研等各种方式进行单片机实践教学的课外拓展训练。针对学有余力且对单片机有着浓厚兴趣，有志于从事嵌入式开发相关工作的学生，可以利用课余时间，在测控专业开放实践创新（下转第134页）131（上接第131页）基地实验室，开展创新设计型项目的制作和调试，从而进一步提高综合应用单片机知识解决实际工程项目的能力。为了更好地引起学生的兴趣，同时为了参加机器人比赛选拨人员，以智能小车为载体，设计创新设计型项目，搭建灵活的单片机实践应用项目，围绕着传感器信号采集、数据处理、人机接口、自动控制、通信接口等方面展开训练，从而进一步提升综合设计应用能力。对应图1中从事单片机的产品设计，研发和系统设计等相关工作岗位的要求。通过单片机课外实践教学的活动，一方面充分发挥测控创新实验室和产学研基地的作用，另一方面也有效激发学生学习的自觉性、能动性、创造性及学习热情。4结束语基于应用型人才培养的单片机实验教学模式改革，基本形成了以“学生为主体，教师为主导”的分层次、项目式，线下实践与线上指导相结合的单片机实验教学模式，确定了“教师引导，学生多练”的实践教学原则，强化了单片机实践教学的重要性；开发完成了单片机虚拟仿真开发板及单片机实验硬件实体开发板，包括单片机实验开发板（基础版）、单片机实验开发板（提高版）；设计了三层次、项目式的单片机实验教学项目，明确了实验项目任务要求；制作并发布了单片机学习实验视频，初步形成了单片机学习视频资源库。在实验教学模块及教学过程管理上探索实践了课前、课中、课后三个模块，课内、课外两个方面，线上、线下两个环节。同时以测控开放创新实践基地实验室为平台，开展了课外的实践探索及科技项目的制作，提高了动手实践能力和科学研究能力，有效地提高了单片机的教学效果和教学质量。参考文献1王京港，张翠平.基于项目驱动及Proteus仿真的单片机教学改革与实践J，教育教学论坛，2013（22）：138-139，1432刘承桥，马俊.基于开发板的单片机实验教学改革与实践J.计算机教育，2021（1）：172-1763苗曙光，李峥，方振国，等.基于口袋实验室的单片机实验教学改革研究J.赤峰学院学报（自然科学版），2020，36（8）：101-1044唐琳，刘星月，廖先莉，等.仿真与实验相结合的单片机实验教学研究J.实验技术与管理，2019，36（4）：213-2165林立，张俊亮.单片机原理及应用基于Proteus和Keil CM.4版.北京：电子工业出版社，2018收稿日期：2022-07-01图5采集灌溉模块与收集模块通信界面使用串口调试助手可发现灌溉模块与收集模块通信正常，当检测到收集模块下发更改预设土壤湿度指令时，灌溉模块能够及时响应并更改自身预设值。3.4收集模块功能调试收集模块开机后功能正常，通过模拟调节灌溉模块湿度发现灌溉模块数据上传正常。灌溉模块程序运行稳定无Bug，下发指令正常、灌溉信息显示正常，结果如图6所示：图6收集模块程序界面4结束语本系统通过发射端传递的湿度信息 通过接收端对农田湿度进行调节 以到达节水灌溉的自动控制为目的。然而在调试过程中发现本系统还是存在着或多或少的缺点，比如在编程时低估树莓派性能，没有完全发挥树莓派性能，导致收集模块的用户界面过于简陋，以及与服务器交互的远程控制App，没有设计出供