基于对分理念的单片机工程项目研究

王启明　丁亚飞　喻恒

摘要：为主动适应新和引领新型经济，加快和发展和建设“新工科”，以适应地方性应用型本科院校人才培养目标的要求。在单片机工程项目研究中，引入基于学习产出的工程教育模式，同时引进“对分”的理念，主要进行工程项目化研究、基于产出的考核方式以及灵活多变的“对分”理念，在长期的实践过程中，培养了大批具有创新精神的复合型人才，收到了良好的效果。

关键词：单片机；工程项目；新工科；对分理念

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）22-0218-02

单片机课程是物联网工程专业的专业技术基础课，该课程需要掌握单片机基本组成、工作原理、接口电路及硬件电路的连接，建立微机系统的基本概念、基本理论和计算方法，掌握MCS-51系列单片机的指令系统，运用汇编语言编制一些简单应用程序。使学生应达到分析程序、分析硬件电路、编制程序的能力、设计硬件电路、综合分析与调试、项目综合设计与制作的能力。众多的教学研究人员何如何提高单片机课程教学效果有很多的研究，比如哈尔滨工业大学的张毅刚提出将Proteus虚拟仿真平台应用在各教学环节中，进行了课程的教学模式以及实验教学的改革；江苏科技大学的唐炜提出了“项目驱动”的单片机实践教学改革，以学生为中心构建项目团队；北京石油化工学院的曹建树提出了“教、学、做”一体化任务驱动型的教学模式，营造有利于学生发挥主观能动性积极进取、充分施展和发展的宽松的实践教学环境。众多的教学方法只是教学环节中的一个，不能完全构建该课程的研究架构。

本人从事多年单片机和嵌入式工程研究和開发，把工程项目中的构思、设计、实现和运作引入到教学中，同时结合“对分”理念，在单片机学习和研究中，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习，把学生创新创业能力的培养与提高放在首位，综合应用多位专家的成功经验，实践了一系列的单片机工程教学模式。

1工程项目化教学研究

项目化教学是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动，将理论教学融入到实践项目当中，为学生安排特定工程项目，组织学生参加项目设计、实施，并开展项目验收，给出评定。对学生而言，激发学生的学习动机与兴趣，提高学生的学习积极性是至关重要的，采取灵活的导课方式，为学生创设学习情景。

项目教学法就是在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生自己处理，信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价，都由学生自己负责，学生通过该项目的进行，了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。“项目教学法”最显著的特点是“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”，理论学习以实践为目的，工程实践巩固理论学习效果，两者通过实际项目相辅相成，以学生的自主性和探索性为学习基础，大大增强学生学习的主动性和创造性，在整个过程中，不再把教师掌握的现成知识技能传递给学生作为追求的目标，或者说不是简单的让学生按照教师的安排和讲授去得到一个结果，而是在教师的指导下，学生去寻找得到这个结果的途径，最终得到这个结果，并进行展示和自我评价，学习的重点在学习过程而非学习结果，他们在这个过程中锻炼各种能力。教师已经不是教学中的主体地位，而是成为学生学习过程中的引导者、指导者和监督者。

2对分理念

2014年，复旦大学社会发展与公共政策学院张学新教授结合传统课堂与国外讨论式课堂提出了对分课堂的概念，其核心理念为隔堂对分，把一半时间分配给教师课堂讲授，另一半分配给学生以小组讨论的形式进行学习。对分课堂强调先教后学，教师讲授在先，学生学习在后。对分课堂的关键创新在于把讲授和讨论时间错开，让生在课后有一周时间自主安排学习，进行个性化的内化吸收。在考核方法上强调过程性评价，并关注不同的学习需求，让学生能够根据其个人的学习目标确定对课程的投入。教师在课堂上，只绍基本框架、基本概念，着重讲授重点、难点，并不穷尽教材内容。学生在完成课堂学习之后，基本学生通过掌握了要学习的基本内容，熟悉了了重点、难点，这样就降低了课后自己学习的难度。在课后学习中，学生根据自己的节奏完成知识吸收，完成资料查阅，要给学生充分的时间准备，回到课堂上，把学生分成小组，小组内讨论自己学过的内容，全班和教师进行深入的互动交流。这样“对分课堂”把教学分为三个过程，分别为讲授（Presentation）、内化吸收（Assimilation）和讨论（Discussion），因此对分课堂也可简称为PAD课堂。2013-2014第二学期，该方法实践于复旦大学心理学系大学二年级心理学研究方法与实验设计课程，收到了良好效果。针对于单片机课程特点、以及理工科学生学习特点，研究基于对分理念的单片机工程项目教学。

3单片机课程授课内容

单片机课程的教学顺序基本上都是单片机的基本概念、硬件结构、指令系统、汇编语言、C51程序设计、中断系统、定时器计数器、串行口、存储器的扩展、A/D和D/A接口、人机接口以及应用系统设计等几部分重要的内容。通过对单片机应用产品开发过程研究与分析，归纳出从事单片机研发工程的基本工作任务，按照产品研发的工作流程设计训练情景。每个实训情景都是从产品的技术要求出发，按照技术资料查阅、熟悉器件性能、确定硬件电路性能测试、性能指标等步骤实施。本课重点讲授单片机存储器体系结构、指令系统与编程技术、中断系统及应用、定时器及应用、外围设备与单片机的接口技术，单片机应用系统设计。

4基于学习产出的单片机工程研究

按照单片机课程的学习内容，选取五个项目，这五个项目非别为基于单片机的电话拨号系统的设计、竞赛抢答器的设计、双机实时通信系统的设计、基于单片机的温度检测控制系统的设计、智能小车的设计。这些项目除了涵盖单片机的基础知识外，还有传感器、电机、继电器、液晶显示等大量应用性知识。以温度检测控制项目为例，讲述如何进行基于学习产出的单片机工程项目研究。endprint

4.1工程项目化研究

选取工业化的产品汽车环境检测器，该器件可以用于车内环境的监测，具有监测车内温湿度、二氧化碳、一氧化碳、pm2.5、甲醛等空气质量检测的功能。利用温湿度传感器、甲醛传感器、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器、pm2.5传感器，通过单片机及采集系统，能够实时监测和控制车内当前空气质量情况，显示当前空气质量参数，当车内空气污染严重，能够启动防护措施，必要时系统将及时提示或语音报警，改善汽车室内空气质量，保障车内人员的生命健康和安全。

4.2总体结构设计

该系统中，为了简化设计步骤，我们在项目中选择温度控制部分作为教学项目。单片机上连接温度传感器，温度传感器检测当前的温度，并把所测得的温度发送到单片机上，同时温度在屏幕上，当温度高于设定温度（30℃）时，直流电机带动风扇开转动，起到降温的作用；当温度低于设定温度（30℃）时，直流电机停止转动，即风扇停止转动；当温度高于设定温度（37℃）时，启动报警装置。该系统的总体结构图1所示。

4.3主要模块设计

按照工程化设计要求，该系统要划分为6个主要模块，有单片机核心板模块、温度检测模块、温度控制模块、蜂鸣器报警模块、按键模块及LCD显示模块。

1）主控制器模块

采用单片机作为系统控制器，因为它的体积小、质量轻、价格便宜、性价比高、功耗低、可靠性强，该模块选用STC系列单片机STC12C5A60S2作为主控核心模块。该单片机自身带有中断、定时器、计数器、串口传送等功能，可以只是C51技术编程，方便開发设计。

2）温度检测模块

温度检测模块采用DSl8820数字温度传感器，该传感器是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点。独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0v至5.5v，无需备用电源，测量温度范围为-55℃至+125℃。范围内精度为±0.00625℃，温度传感器可编程的分辨率为9～12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒。应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。适合该系统的应用。

3）温度控制模块

温度控制主要采用直流电机带动风扇转动。直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。在该系统中，可以通过控制电机的正反转起到控制温度的作用，使用高低电平占空比控制电机的转速，从而达到温度控制和温度控制速度的作用。

4）显示模块

该系统采用四位一体八段数码管，由于正常的温度为一10℃至+100℃，整数部分采用三位即可，其中个位需要单独编码，让其适中显示H段的点，这样就可以作为整数和小数的分割部分，小数点始终显示，小数使用一位数码管，显示一位小数，四位二进制数有16个状态，转换为十进制数，共有十个状态，需要转换。

4.4对分理念的实施

按照对分课堂的原理，被分成8各小组，每小组自然地就坐在一起，以小组的形式进行讨论、学习、实践。“对分课堂”讲求课堂内容的改变，课堂上主要布置开发该项目的总体结构设计、模块的划分，课下学生自己查阅资料，利用实验室器材或者购置硬件配置，以小组为单位设计硬件电路，根据模块的划分，每个小组成员完成自己模块的内容，包括理论知识的查阅，硬件电路的原理和开发时序，程序的编写、调试等等。“对分课堂”要求隔堂讨论，中间给学生准备足够充足的实践进行研究、学习、开发、调试，讨论安排在隔堂，同学们安排在实训实验室，小组内部讨论在开发中遇到的问题、解决的办法，小组之间进行交流，老师对学生的设计进行评价，指出他们设计的优劣，但是这样的讨论和老师的总结要占用大概一般的实践课程时间，必定会造成实践时间的减少，我们采用的办法是开展第二课堂和开放实验室的形式进行弥补，更好的实验课程对分办法还在研究中，以期待用更好的措施办法组织实践教学。从中可以看出，利用理论提供的知识进行实践，实践加强理论知识的理解和掌握，理论实践相辅相成，加入“对分课堂”的新鲜形式，更加能够增强学生的学习兴趣，提高学习效率。

4.5基于产出的考核方式

传统的考试通常采用较为机械的形式，一般有实验成绩、平时成绩、期末试卷等部分组成，期末试卷往往占比较高的比重，比如70%，学生成绩的好坏基本直接取决于试卷的成绩，与学生的临场发挥有很大关系，偶然性比较高，这样的考核机制不能完全评价学生的综合素质，甚至有很大的差别。

在基于产出的考核方式中，围绕确保学生获得在未来生活中获得实质性成功的经验作为考核标准，围绕这个标准，一切有利于这个标准的行为和结果定义为正，一切有悖于这个标准的行为和结果定于为负。采用多元化的考核方法，增加项目考核方式，分为构思、设计、实现运作，通过这种基于学习产出的考核方式，更加注重过程，能够反映学习过程中对工程项目的投入和最终的学习质量，对学生的评价更加客观。

5结论

将实际项目开发应用于单片机教学，运用项目化的教学理念组织实践内容，对培养学生实践能力、创新能力和新产品设计开发能力的提高起到重要的作用，同时，采用“对分”理念，灵活的课堂组织形式，从授课内容、项目化教学方法、基于学习产出的评价机制，到学生学习兴趣和创新意识的提高，取得了明显的成绩。在创建适应“新工科”人才培养的背景下，地方型应用本科院校有大量类似理论结合时间的应用型课程，希望对这样的课程在教学过程中提供一点教学的思路，以培养出更多符合社会需求的复合型“新工科”人才。endprint