高职电气自动化技术专业单片机课程教学改革探讨

谢芳芳?郑剑

摘要：针对高职电气类专业学生的单片机程序设计能力薄弱这一问题，将前导课程的成熟项目改造成单片机课程项目，使单片机课程与前导课程联系起来，并且在单片机项目教学过程的每个环节都与前导课程对应项目的各环节进行比较教学，以提高学生的结构化程序设计能力。以“三相交流电机Y-△的单片机控制”项目为例进行实施说明。实践表明，重构项目教学内容、实施比较式项目教学是高职电气类专业单片机课程的有效教学措施。

关键词：电气自动化；单片机；项目教学；比较教学

作者简介：谢芳芳（1978-），女，湖南新田人，湖南工业职业技术学院电气工程系，讲师。（湖南 长沙 410208）郑剑（1976-），男，湖南東安人，湖南机电职业技术学院电气工程学院，讲师，工程师，湖南大学电气与信息工程学院博士研究生。（湖南 长沙 410151）

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0058-03

一、问题的提出

“单片机应用技术”是高职电气自动化技术专业的一门核心课程，旨在培养学生对电气控制装置的硬件电路设计与制作能力、程序设计与调试能力。[1]该课程的特点是综合性、实践性都很强，一般在大二下学期或大三上学期开设。目前高职各类专业的单片机课程大都在理实一体化教室进行教学，并采用基于工作过程的行动导向教学，譬如项目引领、任务驱动、范例教学等，[2]这样能较好地适应学生学情。

在教学实践中，笔者发现一个突出问题：电气类学生的结构化程序设计能力一直是薄弱环节。当面对一个具体任务或项目时，需要从硬件、软件两方面提出解决方案。对于硬件方案，学生基本上能提出大体构思，但是对于软件方案，即如何用结构化程序流程图来实现这个具体任务，学生往往无从下手。因此在理实一体化课堂中，常常出现这样的场景：学生动手做完硬件电路后，就认为完成了任务，不愿意再动脑、动手去编程，只等着老师或“高手”同学在最后时刻提供源程序，再将源程序抄过来，下载到自己的单片机中，演示出效果即可。这样一来，单片机课程就蜕变成电子电路硬件制作，单片机技术的精髓“软件编程”就好像一只拦路虎，学生有意无意地躲着它。

二、问题的分析

通过教学反思，笔者认为一个重要原因是，项目教学内容不太适合电气类专业学生。当前高职单片机课程的项目载体多是侧重电子类项目，如数字电子时钟、简易波形发生器、篮球比赛计时计分器、六位密码锁、校园打铃器等等。[3]这些项目产品成熟，内容循序渐进，且能较好地覆盖单片机的各知识点和能力点，堪称经典项目。经典项目对于电子类专业学生来说是比较合适的，但是对于电气类学生而言不太适合，需要改革。

电子类专业单片机课程的前导课程有模拟电子、数字电子、PCB版图绘制、电子产品组装与调试等，经典项目在前导课程中均有不同程度的涉及。譬如数字电子时钟项目，除了可以用单片机加外围电路实现外，完全可以用集成度比单片机低的各种数字芯片来实现，该项目在“数字电子技术”课程中就是一个综合性项目。[4]因此电子类学生经过前导课程的铺垫，除了具备较扎实的电子硬件电路基础外，也具备了初步的结构化、模块化程序思维能力。再加上与单片机同期开设的课程有“C语言编程”，这样，单片机课程侧重硬件接口与指令系统，C语言课程侧重算法思想与程序编制，两者相互促进，能取得较好的教学效果。

比较而言，电气类专业单片机课程的前导课程是电工电子技术、电机及拖动、工厂电气控制、PLC应用技术等，其中“电子技术”课程的课时与要求都比电子类专业低，经典项目在前导课程中基本上没有涉及。电气类学生经过前导课程的学习，结构化、模块化程序思维能力仍是薄弱环节。在接下来的单片机课程中，若简单移植电子类专业项目教学内容，对于本科生来说，通过自主学习和强化训练，问题不大，但是对于高职生而言，由于理论基础不够，前导课程铺垫不足，再加上自主学习能力欠缺，教学效果就会大打折扣。即便通过强化训练，学生较好地掌握了某个项目产品的硬件和软件，但要将电子产品的单片机技能迁移到电气产品中去，还需要一个知识迁移与能力迁移的过程，学生能自主完成这个迁移过程的很少。

三、问题的解决方案

基于上述分析，笔者提出的方案是：结合电气类专业校本人才培养方案，对项目教学内容进行改革，将项目载体由电子产品改为电气产品。具体做法就是将前导课程“工厂电气控制”、“PLC应用技术”中的成熟项目改造成“单片机应用技术”课程项目。

“工厂电气控制”与“PLC应用技术”是电气专业的两门核心课程，有比较完善的三相交流电机控制实训装置，教学设施齐全，教学课时充足。学生通过项目学习与训练，能制作继电器控制电路板，组装PLC控制硬件系统；面对一个不太复杂的电气控制任务，基本上能够绘制出顺序功能图，并用梯形图程序来实现。因此学生对电机的继电器控制、PLC控制具备了较好的基础，在此基础之上，将前导课程中的成熟项目改造成单片机课程项目是可行的、必要的。笔者设计并实施的项目如表1所示。

四、解决方案的实施

仍然在理实一体化教室进行教学，采用项目教学法，但是在项目教学过程的每个环节都引入比较教学法[5]──将该项目的每个模块或任务都与前导课程的对应项目进行比较。通过比较将单片机课程与前导课程联系起来，有利于形成“电气自动化系统”思想，并且可以更好地认识事物的本质与特征，使学生原有的知识与技能更加深刻、牢固，新获得的知识与技能更加鲜明、准确。尤其是教学难点“结构化程序流程图的设计”，通过比较式项目教学可以取得较好的效果，下面以“交流电机Y-△的单片机控制”项目为例进行简要说明。

学生之前对三相交流电机Y-△的继电器控制已经很熟悉，如图1所示，[1]只有硬件无需软件，实现的控制功能是：按下起动按钮SB2，KM1得电自锁，KT、KMY得电，KM△不得电；10秒后（时间可改变），KM1仍得电，KMY断电，KM△得电自锁，紧接着KT断电；任何时候按下停止按钮SB1，所有线圈断电。

Y-△的PLC控制硬件电路如图2所示，通过编程可以实现与图1完全一样的控制功能，为了工作可靠，控制功能改造为：按下起动按钮SB2，KM1得电，0.5秒后KMY得电，KM△不得电；10秒后（时间可改变），KM1仍得电，KMY断电，0.5秒后KM△得电；任何时候按下停止按钮SB1，所有线圈断电。顺序功能图如图3所示，根据顺序功能图可以很容易地写出梯形图程序。

比较图1和图2可知，主电路不变，可将PLC控制电路“转化”为单片机控制电路。[6]单片机输入端的按钮开关需要去抖动，起初可采用硬件去抖电路，以减少程序复杂性；在拓展训练中采用软件去抖，以降低硬件成本。由于单片机输出端口没有直接驱动高压负载的能力，所以采用固态继电器SSR驱动线圈，如图4所示。在图3的基础上，通过功能比较，可将PLC顺序功能图“转化”为单片机程序流程图，[7]如图5（a）所示。这里的程序设计技巧是，为了实现立停，在0.5秒和10秒延时子程序中必须随时检测停止按钮是否被按下，如图5（b）所示。有了流程图，汇编或C程序就比较容易编写出来。

由此可见，改造后的单片机教学项目，与前导课程项目比较起来，控制任务没有变。硬件方面，主电路没有变，控制电路有所改变，控制器由PLC改成单片机，外围接口电路随之改变。软件方面，PLC编程相对来说比较简单易学，从PLC编程过渡到单片机编程，具有循序渐进、一脉相承的特点。通过强化训练，学生能较好地完成知识与能力的迁移、内化，从而提高模块化、结构化程序设计能力。单片机结构化程序设计能力是一种较通用的工程能力，一般需要经过较长时间训练。通过项目比较教学，可以反复训练学生这方面的能力。当学生具备了设计程序解决问题的初步能力时，后续的学习与探索将充满乐趣。

五、结语

针对高职电气类专业学生的单片机程序设计能力薄弱这一问题，将前导课程中的成熟项目改造成单片机课程项目，在项目教学过程的每个环节都与前导课程的对应项目进行比较。通过比较式项目教学，将单片机课程与前导课程联系起来，以提高学生的程序设计能力。以“三相交流电机Y-△的单片机控制”项目为例进行简要说明，经过笔者对这门课程几轮的教学，将比较式项目教学引入到单片机理实一体化课堂教学中，取得了较好的教学效果。实践表明，重构项目教学内容、实施比较式项目教学是高职电气类专业单片机课程的有效教学措施。

参考文献：

[1]华满香，刘小春，唐亚平.电气自动化技术[M].长沙：湖南大学出版社，2012.

[2]曲卫冬，王亚青.单片机课程理实一体项目式教學的探讨[J].中国电力教育，2010，（10）：56-57.

[3]郭稳涛，肖利平.单片机应用技术项目式教程[M].长沙：中南大学出版社，2012.

[4]杨利军，李移伦，张文初.应用电子技术[M].长沙：湖南大学出版社，2011.

[5]李运模.比较教学法论略[J].中南民族学院学报（人文社会科学版），2000，20（3）：125-127.

[6]董艺.单片机与PLC的区别及其对控制系统设计方案选择的影响[J].巢湖学院学报，2007，9（3）：65-69.

[7]王树冲.PLC梯形图与单片机的联系[J].数字技术与应用，

2011，（3）：125.

（责任编辑：王意琴）