资源池建设模式的单片机实验教学系统构建

周汝雁，冯国富，易丛琴，何世钧，谢圣东，马　磊

(上海海洋大学　信息学院，上海　201306)



资源池建设模式的单片机实验教学系统构建

周汝雁，冯国富，易丛琴，何世钧，谢圣东，马磊

(上海海洋大学信息学院，上海201306)

摘要针对单片机课程实验教学实践性强的特点以及普遍存在的问题，提出了资源池建设的单片机课程实验教学系统的构建模式，给出了基于基础资源、资源池、开发项目空间的系统构建框架，并介绍了教学实施方法和具体实践过程。对提高学生的动手能力和自学能力，起到了很好的作用，在学生创新能力培养和团队协作能力培养等方面均取得了较好的效果。

关键词单片机；实验教学；资源池；系统构建

单片机课程是一门实践性很强的专业基础课程，目的是让学生掌握单片机及接口的工作原理、接口电路设计、软硬件调试方法[1]。通过单片机实验教学，可使学生加深对所学理论知识的理解，提高分析和解决问题的能力[2-3]。但目前的实验教学方法多数是基于实验箱和固定例程，再配合综合实验项目或实践项目的方法，加之高校普遍存在学生多、实验指导教师少的现状，不利于学生实验课程的学习，不利于学生创造力和自主学习能力的培养。

通过对单片机实验课程教学方式及存在问题的分析和思考，结合实验课程的教学实践经验，提出了资源池建设的单片机实验课程教学系统的构建模式，并给出了系统构建框架和实施方法。

1单片机实验课程教学方式及存在的主要问题

1.1实验教学方式方法单一，教学内容和方法相对固定

目前单片机教学以课堂讲授理论知识后进行一定学时的实验教学为主，并且以固定的理论教学内容和实验教学内容为主。采用课内实验的方式，利用统一的实验箱和系统开发软件Keil进行的模拟仿真实验。由于实验箱是结构固定、集成度较高的实验设备，因此在实验教学过程中学生只需按实验指导书上的要求来进行简单的线路连接，然后通过Keil软件调试既有程序，就可以进行实验仿真，观察实验结果。由于实验箱的结构固定，无法进行硬件结构更改，因此程序软件也相对固定，只能进行较小的变动和修改，只适合进行比较简单的演示性和验证性的实验，学生在实验中难以通过单片机实验箱进行新的实验项目的开发与设计。

随着网络课堂的开展，虚拟实验项目的开发[4]，Proteus软件的仿真应用，实验教学内容更加丰富，在理论教学中有利于增强学生的感性认识[5]。但无论网络课程还是虚拟实验项目都是单向学习的，实验者无法亲身体会实验过程，大量的教学实例及实验是在软件环境中实现，实验的最根本目的——培养学生的动手能力和解决实际工程问题的能力成为纸上谈兵[6]。

1.2实验项目内容较为固定和统一，不利于培养学生的创造力和自主学习的能力

单片机实验项目多以验证型实验为主，综合型、设计型实验偏少。内容主要包括I/O口输入输出实验、外部中断实验、定时/计数器实验、串行通信实验、A/D转换实验、键盘实验、数据存储器扩展实验、波形发生器设计、点阵和LCD显示实验、电机控制实验和硬件仿真实验等。这些实验内容项目存在综合设计型实验开设不足、涉及的知识面偏窄等问题[2]，仅能使学生掌握比较简单的单项实验操作技能，无法学习课本外的知识和获得更多的实验技能。

1.3实验课程系统不完善，不利于培养学生综合实践能力和团队合作开发能力

在高等教育教学过程中人们已越来越认识到实践教学的重要性，但由于目前高校普遍存在实验指导教师偏少的现状，因此仍存在重理论、轻实践的观念和授课模式。有些学校安排有课程设计环节，但时间周期也很短[7]。单片机是一门实践性很强的课程，由于课内实验教学的学时数有限，所以仅通过几次较简单的实验教学和短期实践环节达不到培养学生具有较强的综合实践能力的目的，更不能达到培养学生团队合作开发能力的要求。

2单片机实验课程系统架构

2.1系统构架的目标

单片机实验课程包含软件和硬件两部分内容，仿真也广泛应用于单片机实验课程中[8]。由于学生学习的兴趣各不相同，对软件和硬件的擅长与偏好也各不相同， 因此学生参与实验过程中所学习和使用的技术，以及未来可能的发展方向也不相同。教学工作希望学生能够掌握3个方面的知识，如图1所示。但是由于单片机技术应用广泛且发展迅速，不可能在较短时间内掌握各个方面的技术，因此提倡学生根据自己的所长，在对各方面有一定了解的基础上，偏向于1～2个方向发展对学生专业能力培养和长远发展更加有益。

图1　学生的学习兴趣及发展方向

本着充分发挥学生特长和兴趣，并且能够有所精通的目标，所建立的单片机实验课程系统应能够提供方便操作和组织的实验项目和教学辅助资源，以便让学生自主灵活方便地进行实验课程的学习。

2.2单片机实验课程系统架构

单片机实验课程系统架构如图2所示。

图2　单片机实验课程教学系统架构

根据以上框架，单片机实验课程系统由3部分组成。

2.2.1基础资源

包括软件资源和硬件资源。硬件资源包括实验室实验箱及电脑、单片机学习板、面包板、常用电子元器件和传感器、万能板和ISP下载线等， 由于实验室一般配置的实验箱都是规格较大、型号比较单一、结构固定的设备，只适合在实验室进行固定课时实验课中操作使用，而单片机学习板一般体积规格较小、便于携带，并且兼容AVR/51/ARM芯片的学习，学生可在课后借出实验室，利用自己的电脑进行学习或进行系统开发时调试程序及硬件设计时使用。软件资源包括Keil开发系统、仿真工具Proteus、STC-ISP、LabView等软件，以及这些软件的安装和使用说明文档，还包括与硬件资源配套的实验手册、实验例程及相应的程序代码，并配有相应的接线图及电路图。教师的实验课程的开展和学生课堂学习及课后都是在这些软件和硬件资源的基础上开展，由于当前网络的广泛使用，学生也可以充分利用网络的软件资源。

2.2.2资源池

在多年教学过程中，学生在章节学习和阶段学习过程中参与设计与制作，汇集了很多奇妙思想和小小改进或创新的小模块，教师不断将典型的和比较有特色的案例模块汇集到资源池中，形成了由教师和学生共同参与开发的软件模块群和硬件模块群、软硬件组建模块群。以温度检测与控制相关的单片机设计为例，有温度数码管显示模块、温度液晶屏显示模块、温度超限报警模块、A/D转换模块、继电器控制模块、滤波放大模块和数据传输模块等，每个模块包括电路图及相应的程序代码。有面包板搭建的电路系统、洞洞板焊接的电路系统或Proteus仿真。资源池中的内容随着师生的参与，不断地增加与丰富，不同的学生对软件、硬件及仿真兴趣的不同，制作出不同的模块。教师需要对学生的小制作进行整理收集，再供其他学生共享，成为学习资源，也可以作为后续设计性实验的插件或组件，或成为项目开发的资源。资源池可按软硬件分成不同的群组，不同群组中再按照单片机型号分为子群。

2.2.3项目开发空间

项目开发空间中包含典型的单片机应用系统项目，学生进行大学生创新、毕业设计以及项目实训、课程实践中涉及的有创新性的单片机应用项目或参与教师科研项目、实习企业需求的单片机开发项目。如单片机作息时间提醒系统、多控源自动照明系统、小车语音控制系统、智能小车自动蔽障系统、温室培养环境手机APP监控系统、自行车社团成员车辆联络系统等等。这些项目大多数是设计性项目，每个项目有明确的项目要求，项目内容不仅涉及多种系列和型号的单片机系统，也涉及高端嵌入式系统、DSP系统、无线传感器网络系统、物联网系统等相关项目。学生通过项目开发中项目的任务要求可以了解单片机后续进一步学习的知识领域和应用。

这种资源池建设模式不仅在实验课程教学中起到非常重要的作用，对理论课教学也有较好的辅助作用。虽然资料池中的小模块都不是太大，但有不少都涉及单片机多个方面或多个章节的理论知识，学生在模块的制作和学习的过程如果遇到未讲到的相关知识，便会主动去学习课本或查阅资料，学习有关的理论知识，在理论课学习中会更有重点性和目的性。

学生通过设计性实验能获得更多动手操作的机会，可提高学生的实践能力、创新能力和独立研究的能力[9]。有了资料池内容的辅助，学生可以比较高效地完成设计性实验项目，教师可以根据学生自主设计内容的多少给予相应的成绩。

2.3系统的实施

2.3.1单片机课程教学的开始阶段

理论教学中采用资源池中的小模块演示配合理论知识的讲解，能让学生对单片机的功能和应用效果有直观的认识；实验课程以实验箱实验项目为主进行教学，主要为配合理论教学进行典型的验证型实验项目，使学生对单片机的工作原理加深认识和理解，同时掌握单片机实验的基本操作方法和实验过程，掌握相关软件和硬件的使用。

2.3.2进入中期阶段

学生掌握了基础资源中的软件资源和硬件资源的使用方法后，利用自己的电脑和学习板及其例程进行简单系统的设计，并利用面包板搭建相应电路进行系统的实现，学习可以在课后学生自主进行，地点不再局限于实验室。学会使用软件进行系统的搭建，与面包板搭建的系统进行对照比较，了解掌握仿真实验的作用。在此阶段由于学生接触到的例程及简单系统中不仅包含已经讲过的知识，还会涉及未讲到的知识，学生可通过资源池自主学习或向教师求教。教师也可以让曾经参与资源池建设或创新大赛及其他项目的在校学生参与学习交流，带动对单片机应用系统设计感兴趣的学生参与项目及创新大赛，并鼓励学生参与资源池建设。对被选中放入资源池中的模块及组建在程序和电路模块上都标注有该学生的学号和姓名，增加了学生的学习兴趣、积极性和成就感。

2.3.3课程学习的后期

要求学生在教师指导下完成一个独立开发的小型单片机应用系统，并通过自由组团方式在团队协同配合下完成一个较为复杂的应用系统的开发。系统项目的选择可由学生自行在项目开发空间中选择或自行设置，教师需根据学生的知识掌握情况和开发能力进行调控，确保学生能够独立或协同完成项目。其中包括电路的设计与制作、软件程序的编写和系统调试，或者包括软件的仿真及系统的辅助显示，使学生掌握单片机应用系统设计开发的过程和方法。

在课程讲授过程中带动一部分学生参与资源池建设或创新大赛及项目开发，并将新内容充实到项目开发空间，同时选择动手能力强的学生承担下一年级课程学习的实验助教。另外学生在毕业设计时也可以利用资源池进行其毕业设计，参与实习企业项目的学生可将新的项目添加到项目开发空间中，进行系统的扩充。

3单片机实验课程系统的教学效果

1)软件与硬件相结合，仿真与实体相结合，并可自主选择学习重点和发展方向，激发了学生的兴趣，发挥了学生的特长。

这种单片机实验课程系统架构利于学生发挥自己的特长，根据自己的兴趣和目标进行相关知识的学习，并朝自己擅长的方向发展。对硬件感兴趣的学生可以在掌握了单片机知识的基础上，向监测技术或高端嵌入式系统、无线传感器网络、物联网等方向发展。而对软件仿真感兴趣的学生就可以在简单模块或组件的基础上，向数据传输及信息进一步处理的方向发展，通过串口数据通信和LabView软件进行数字示波器设计开发，或进行传感器数据滤波及融合等更进一步的数据处理研究。

2)验证与开发相结合，自主开发与学习借鉴相结合，遵循渐进的学习原则，提高了学生自主学习的积极性和学习效果。

由于单片机课程是控制类、电气类及计算机硬件方向专业教学中的基础，也是非常重要的硬件课程[9]。在课程学习过程中获得的不仅是单片机的知识，更重要的是学习的方法、策略和经验。

3)整体式开发与组件式开发相结合，多方案开发与方案优化相结合，在学习过程中培养学生进行系统设计的思想和方法。

随着SoC技术的发展，组件式开发思想的培养变得非常重要。SoC是一种硬件组合、软件复用的设计理念，可有效降低电子及信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力，是未来主要的产品开发方式[10]。目前，嵌入式高端配置系统、无线传感器网络系统、物联网系统以及第三方软件构件库都是以组件配置的方式进行系统开发的，资源池建设模式的单片机实验课程系统符合嵌入式系统的开发模式和方法，避免了学生在校培养与社会需求脱节的矛盾。

4)独立开发与团队开发相结合，培养了学生的团队精神和协作意识。

资源池的利用和参与建设使学生在有效掌握单片机知识的同时，懂得团队合作的重要性，在得到其他同学帮助后的学生更愿意将自己的设计和作品与其他同学分享。团队合作以及资源池再利用不仅可以避免重复制作，还可以让学生感受协作的重要性。

4结束语

本文结合单片机实验课程的特点，融入嵌入式系统开发设计理念，在实验教学过程中提出了资源池建设的单片机实验课程系统的构建模式，给出了构建框架和实施方法。该实验课程模式的教学既尊重学生偏好，又可充分发挥学生特长，并能有效激励和协助学生自主学习，还能培养学生的创新性和协作精神，并学会高效利用和组合资源。在单片机实验和理论教学工作中，取得了很好的教学效果，得到了学生好评和学校认可，被学校评为优秀实验项目。

参 考 文 献

[1]黄伟军，肖金球，张兄武，等.单片机原理与应用课程教学改革的研究[J].电气电子教学学报，2010，32(6):29-30.

[2]邓鹏.单片机课程实验教学改革的探索与实践[J].工业控制计算机，2012，25(11):108-109.

[3]张江印.高校单片机教学模式的研究[J].实验室研究与探索， 2011，30(9):103-106.

[4]张小琴.基于LabVIEW的网络化虚拟实验设计[J].仪表技术，2011(9):11-13.

[5]袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007，26(12):75-78.

[6]姜海燕，宋庆军，谢统颜.传感器与检测技术的网络实验室构建[J].实验室研究与探索，2014，33(1):17-19.

[7]胡瑞强，张毅刚，李成伟.单片机课程设计教学改革探讨[J].实验科学与技术，2010，8(6):46-48.

[8]任肖丽，王骥 基于单片机课程的实验教学思考[J].中国电力教育，2010，167(16):127-128.

[9]郭兆正，于鹏.浅谈单片机课程在电类专业教学中的重要地位[J].渤海大学学报(自然科学版)，2012，33(6):179-181.

[10]马国俊.SOC技术及设计方法研究[J].自动化与仪器仪表，2012 ，159(1):5-8.

System Construction of Single-Chip Microcontroller Experiment Teaching on Resources Poor Construction

ZHOU Ruyan，FENG Guofu ，YI Congqin，HE Shijun，XIE Shengdong，MA Lei

(CollegeofInformationTechnology，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China)

AbstractFor the experiment teaching feature of microcontroller unit (MCU)，a system architecture of single-chip microcontroller experiment teaching on resources poor construction is provided in this paper.Construct framework based on basic resources，resources poor and development projects space is given.The practical works are introduced.As a result，it is suitable for improving students’ practical ability and self-study ability.More satisfactory results have been achieved on the cultivation of innovation ability and the spirit of cooperation.

Key wordsmicrocontroller unit；experiment teaching；resources poor；system construction

收稿日期:2015-01-19；修改日期:

基金项目：上海海洋大学课程群建设项目(A102091403029);上海海洋大学重点课程建设项目(A10201001059)。

作者简介：周汝雁(1970-)，女，博士，副教授，主要从事信息处理方面的研究。

中图分类号TN 47；G482.0

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.031