单片机应用技术课程教学设计

现代机电一体化产品或系统都包含测控部分，很多测控装置采用单片机作为控制器，因此在从事这些机电产品或系统的维修调试、日常维护、售后服务与升级改造等工作时，需要具备一定的单片机系统的硬件电路检修与制作、程序编写与调试能力[1]。高职机电类专业的单片机应用技术课程旨在为这些职业活动提供所必需的基本技能和知识，该课程属于职业能力课程，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[2]。在教学实践中，为了让学生掌握知识、形成技能、提高能力，笔者对课程教学内容进行了精细化设计与开发，在理实一体化教室采用任务驱动教学，综合运用各种教学硬件平台，取得较好的教学效果。

1课程教学内容的设计

单片机应用领域广泛，教学内容非常丰富，不同专业对单片机技术的侧重点不尽相同，在设计与开发教学内容时主要考虑以下三点因素[3]。一是结合校本专业人才培养方案。培养方案体现了“以就业为导向”的方针，因此应从机电类职业岗位需求分析入手，参照国家相关职业标准的要求，精细化选择教学内容。二是要适合学生学情。根据高职生的学习风格和认知特点，课程内容的编排以典型工作任务为学习单元，并贯彻“管用、够用、适用”的教学指导思想。三是要适应课堂教学。该课程一般是在理实一体化教室展开教学，教学内容要能较好地处理理论教学与技能训练的关系，体现“做中学、学中做”理念。对于机电类专业，单片机的主要作用是控制器件，并实现一定的通信和数据处理。因此，笔者以单片机的内部硬件资源、常用器件为出发点，将教学内容设计成九个模块：发光管、数码管、按键、定时/计数器、直流电机、步进电机、舵机、串口、模数转换和数模转换（以下简称A/D和D/A）。每个模块含有2～3项基本任务，每项基本任务都有一项拓展任务，设计拓展任务的目的是巩固与深化基本任务中的知、技、能。任务名称的叙写尽量具体到直观可操作的程度。

2任务驱动教学的实践

任务驱动教学模式的特点是“以任务为主线、教师为主导、学生为主体”[4]，笔者在教学实践中一般按任务提出、分析、实施、评价、拓展等五个基本环节展开教学。在任务提出环节，教师通过日常生活、工业生产中学生见过的一些实例，创设学习情境，引出基本任务，并展示出某个解决方案的结果，让学生对任务有直观清晰的认识。在这个环节，教师还应强调解决方案并不是唯一的，解决同一项任务可能会有好几个方案，鼓励学生从多个角度去探索解决方案。在任务分析环节，不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的任务，而是由教师向学生提供解决该任务的有关引例和线索，引导学生“独立思考、自主探索”；同时倡导学生分组进行讨论和交流，培养学生协作学习能力。学生经过反复分析后，会提出一个或几个解决方案。在任务实施环节，学生将解决方案付诸实施，从硬件、软件两方面实现，经过软硬联调，得到结果。教师要强调实施方案也不是唯一的。在任务评价环节，有教师点评、学生自评互评。既要对结果进行评价，也要对过程进行评价，还要对学生的专业素质进行评价，譬如7S管理（整理、整顿、清扫、清洁、素养、安全、节约）。在任务拓展环节，在基本任务的基础上，循序渐进、一脉相承地引出拓展任务，再对拓展任务进行分析、实施、评价。教学过程中笔者还有以下几点心得体会。

1）知识讲授。完成每个任务都需要一些相关的理论知识，知识讲授没有单独设置成一个教学环节，分散在五个基本环节中。实例和引例中涉及的知识一定要讲透彻，没有涉及的知识暂时不讲或稍微提一下。知识体系的深入与扩展把握一个“度”的原则，对于基础较好、学有余力的学生，教师可以在课堂巡回指导时与他单独交流或者课外与他单独交流。

2）水平思考法。水平思考法是英国学者爱德华•德•博诺提出的一种思维方法[5]，具体操作可采用“六顶思考帽”[6]。在任务分析环节，需要确定一个解决方案，笔者采用这种方法，取得良好效果。典型步骤是：客观陈述任务要求（白帽），提出解决任务的方案（绿帽），评估该方案的优点（黄帽），评估该方案的缺点（黑帽），对该方案进行主观情感判断（红帽），总结加权，做出决策（蓝帽）。下面以“用两个按键控制直流电机的加速、减速”的任务为例进行简要说明。白帽：转速有四种状态，最低速、次低速、次高速、最高速。单片机上电后电机为最低速，每按一下加速键，转速升一个档，直到最高速；每按一下减速键，转速降一个档，直到最低速。绿帽：硬件电路。黄帽：硬件系统中的电机驱动模块采用三极管分立元件，电路简单、成本低。程序框图结构清晰，使用的语句种类不多，大量使用简单的if语句。黑帽：分立元件的硬件制作麻烦，容易接触不良，工作可靠性低。程序的一个周期时间较长，快速性不好。采用延时子程序，定时不精确，转速精度不高。红帽：①我不喜欢这个方案，像个“小儿科”“菜鸟”，没有什么实用价值；②我挺喜欢这个方案，简单、清晰，有效果；③谈不上喜欢，好像也不讨厌，没什么特别感觉。蓝帽：这个方案总的来说，能够解决任务，可以采纳。当然还有很多其他的方案，不妨在深入理解、掌握了这个方案之后，再进一步探索其他方案。在任务实施、评价、拓展环节，亦可采用“水平思考法”，不赘述。教学实践表明，这种思维方法颇受学生欢迎，经过重复训练、刻意练习，学生基本上能够掌握这种方法。

3）比较教学法。在众多的教学法中，笔者对比较教学法情有独钟。在任务驱动教学过程中，可采用比较教学法，双键控制直流电机加减速的硬件电路将“单片机应用技术”课程中的基本任务与前导课程“PLC应用技术”中的基本任务进行比较，将拓展任务与基本任务、后面任务与前面任务进行比较。通过比较，找出异同，使学生对原有的知识与技能掌握得更加深刻、牢固，新获得的知识与技能更加鲜明、准确，并能体会和掌握其中的核心技能。譬如将任务“用两个按键控制步进电机的加速、减速”与任务“用两个按键控制直流电机的加速、减速”进行比较。键控四相六线制步进电机的硬件电，使学生体会到单片机电路设计与程序设计的核心技能。另外还可以利用示波器观测比较两种电机的供电电压波形，使学生对两种电机的PWM调速原理有更加直观深入的理解。

3教学硬件平台的运用

目前机电类专业单片机课程的教学硬件平台主要有三种：一是单片机实验板加器件；二是采用Proteus硬件仿真；三是采用面包板及套件[8]。这三种平台各有特点。单片机实验板的优点是硬件资源丰富、电路稳定可靠，学生对硬件平台充分信任，可以腾出时间更多地关注“软件编程”；缺点是电路都是厂家设计的，学生只能适应厂家电路，不能按自己的想法搭建电路，硬件电路制作与检修的机会较少。Proteus硬件仿真的优点是学生可以按自己的想法任意搭建电路，灵活性强、成本低；缺点是仿真电路和实物毕竟有区别，譬如有的仿真正常而实物不通过，有的实物正常而仿真不能通过。面包板及套件的优点是学生可以按自己的想法一步一步地搭建实物电路，能很好地训练和提高硬件电路制作与检修能力；缺点是电路容易接触不良，工作不可靠，有时一个简单的任务，初学者可能花了很多时间来搭建面包板电路，却调试不出效果，容易产生挫败感，失去耐心和兴趣。初学者是否应该使用Proteus仿真软件来学习单片机应用技术？目前有两种截然不同的观点。一种观点认为初学者不要使用Proteus软件，刚开始只有把硬件摆在你面前，亲自操作它，才会有深刻的体会，也才能掌握它[9]，因此刚开始宜使用面包板套件或实验板，待达到一定程度后才使用Proteus软件。另一种观点则认为刚开始最好是使用Proteus软件，因为面包板电路容易出问题，使初学者失去耐心和学习兴趣；实验板尤其是开发板，容易使初学者将“硬件系统”看成“黑箱子”，对电路失去探索兴趣；而Proteus软件容易使初学者产生“成就感”，有利于深入学习。笔者认为在教学实践中，宜具体情况具体分析。有的学生喜欢动手操作，使用面包板套件就比较合适；有的学生喜欢编程调试，使用Proteus软件比较容易上手；有的任务比较复杂，若一开始就制作面包板电路，既费时又费力，不如先做Proteus仿真；有的任务拓展性很强或视觉效果突出，不妨将面包板电路制作出来。另外，用不同的硬件平台来完成相同的任务，可使学生体会到应用电路设计与编程的核心方法。总之，只有综合运用这几种平台，才能取得较好的教学效果。

4结语

单片机应用能力是一种较通用的工程能力，也是机电领域从业人员的重要核心能力，笔者从课程教学内容、任务驱动教学、教学硬件平台三个方面对高职机电类专业“单片机应用技术”课程进行设计与实践。经过对这门课程几轮的教学实践，取得良好的教学效果，学生能够较好地理解并掌握单片机技术的基本知识和技能，并进一步提高专业综合应用能力。

作者：郑剑 张华 张澧生