“口袋实验”教学方式探索——基于《单片机原理》课程

王中明

（江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

“口袋实验”（pocket labs）教学模式是指将实验设备微型化，方便携带，允许实验者自选场合自选时间进行实验的一种教学模式［1］。

目前，国内外很多高校已经开始在工科教学（尤其是电子、通信以及计算类、控制类专业）中实施“口袋实验”的探索，如英国德蒙福特大学为学生准备了一套基于微控制器或FPGA 的最小系统开发板作为“口袋实验室”平台，学生在课内实验以及毕业设计阶段，均可以此平台展开实验。清华大学、西安交通大学、西北工业大学、华中科技大学等知名高校正在探索将模拟电路、数字电路、开关电源、单片机等“口袋”实验板引入到教学中［2-4］。另一方面，国际知名公司也纷纷注意到“口袋实验室”在高校中的流行趋势，并积极推出相关产品支持这一实践教学模式。如美国德州仪器和赛灵思中国大学计划项目引入“口袋”实验理念，倡导一种不受时间、空间限制的全新实验教学模式。现有芯片制造技术可以生产出1元硬币大小的“口袋”实验设备。它们具有“小身材、大能量、开源性”的优点，方便学生二次开发［5-7］。

2016年，笔者获批湖北省教育厅项目《电信专业“口袋实验室”教学模式的探索》，在《单片机原理》课程教学过程中，引入了“口袋实验”教学方式，进行了为期3年的“口袋实验”教学方式探索。

1 《单片机原理》课程“口袋实验”教学前期准备

《单片机原理》是一门硬件技术和软件技术相结合的综合课程，涉及到微机原理、C 语言、软件工程、模拟电路、数字电路等基础知识，是大多数IT 企业人才必须精通的一门学科［8-10］。单片机体积小，所需辅助设备少，容易“口袋化”，且其教学过程中需要进行大量编程和调试实践训练，本次“口袋实验室”教学实施选择《单片机原理》课程。

江汉大学电信专业该课程在大二下学期进行，40 学时（理论28 学时，实验12 学时），还有16 学时的课程设计，相关先修课程有模拟电路、数字电路、微机原理、C 语言等。

1.1 教学要求

“口袋实验”教学方式以提高学生实践能力为目的，通过本课程的学习，要求学生能自主进行单片机开发。《单片机原理》课程的具体教学要求为：

1）熟练掌握单片机的开发环境和开发过程。

2）了解单片机的启动过程。

3）掌握定时、中断、I/O、AD、DA 的工作原理。

4）熟练掌握单片机C 语言开发方法。

5）掌握单片机接口寄存器设置过程。

6）掌握单片机定时、中断、I/O、AD、DA 等基本接口的开发。

1.2 实验设备

本次“口袋实验”的设备为正点原子miniSTM32F1 开发板（250 元/台，含仿真器），如图1 所示。该设备具有如下特点：

图1 实验设备Fig.1 Experimental equipment

1）“口袋化”。设备大小为8 cm × 10 cm，便于携带，且功耗低，可直接用笔记本USB 接口供电；同时可作为简单函数信号发生器、示波器使用。因此，传统实验室中“单片机实验室箱”+“信号源”+“示波器”+“电源插座”+“台式机”的实验室固定模式可转变为“口袋单片机”+“笔记本电脑”的移动模式，学生可以在课堂、实验室、宿舍等场合进行实践训练。

2）采用主流技术，接口丰富，实用性强。采用了主流的ST 公司COTEX-M3 系列芯片STM32F103RCT6，实用性强，且包含了串口、AD/DA、IIC、红外、USB、网卡、LCD、SD 卡等通用接口。

3）资料丰富。有丰富的芯片资料、开发工具、视频资源、源程序、交流平台等，便于学生自主学习。

1.3 教学资料准备

以ST 官网下载的芯片数据手册为教材。同时配备了相应知识点的PPT 及讲解视频。实验配备了标准例程源程序及实验指导书。同时在江汉大学慕课教学平台上建立了《单片机原理与技术——STM32》课程，访问地址为http：//jhun.fy.chaoxing.com/portal。

2 “口袋实验”教学实施

以笔者在2017年和2018年江汉大学物理与信息工程学院电信专业进行的两次授课为例，每次约35 人，学生自带笔记本电脑，配备开发板一套；两人一组。

2.1 教学方法

与传统的理论与实践分开教学的方式相比较，“口袋实验”是一种将理论与实践相结合，以实践教学为中心的教学方式，其主要特点如下：

1）理论教学中结合实践。理论教学基础知识讲解过程中，学生可直接在开发板上下载例程源程序进行验证，并应用基础知识对源程序进行针对性修改，这样可加深学生对知识点的理解，同时也可提高学生的实际操作能力。

2）理论教学后加强实践训练。在每个知识点教学完成后，布置一次与知识点相关的实践训练，学生可在教室、图书馆、寝室等场所完成。

3）实验课上以项目分析、调试、优化为主要教学内容。因学生在理论教学后完成了实验的程序编写工作，在此基础上，实验教学中，进行项目分析、调试，并找出项目中的错误和不足并优化，从而改善实验教学效果，提高学生的综合能力。

4）实践教学采用闭环方式。因学生随时都可以进行实践训练，每个实践训练项目都可以采用学生编写—老师批改—学生优化—老师再批改直至满意的闭环过程，在此过程中，学生可更好地掌握知识点。

5）以综合实践项目训练为最终目的。在实验教学的最后4 节课安排了一个综合实验，该项目主要训练学生组织项目、借鉴资料、发现问题、调试优化项目的综合能力。

6）借助慕课网络教学平台，提高教学效率。慕课平台上的教学视频可使学生有针对性地重复学习；试题库既让学生掌握了理论知识点，又让老师可以腾出时间检查学生的实践项目，指导学生实践；专题讨论充分发挥学生的积极性。

2.2 教学实施过程

《单片机原理》课程“口袋实验”教学内容如表1 所示。在理论教学的学时分配上，50%左右的时间为PPT 理论授课，25%左右的时间为源程序分析，25%的时间为实验验证，共进行了10 个知识点的实验验证。在课后进行了10 个知识点的实践训练，每次训练工作量为2 h 左右。在慕课网络教学平台网络视频有12 个，试题110 个，开展讨论话题12 个。实验教学完成教学知识点6 个，提交实验报告6 份，实验前准备1 h 左右，实验完成后书写报告1 h 左右。学生在该门课程上的总共学习时间约为80 h。

表1 《单片机原理》课程“口袋实验”教学内容Tab.1 Teaching content of ″pocket labs″ in the course of Fundamentals of Mono-chip Computers

3 教学效果及体会

3.1 教学效果

较传统的教学方式，这两次的“口袋实验”教学效果较好，具体表现在如下几个方面：

1）学生积极性明显提高。学生上课出勤率每次都在97%以上，上课无玩手机现象，上课时都能认真听讲，实验验证能积极配合；课后作业及课后实践训练能按时完成；实验课上，学生能认真讨论、编写、调试程序，学习气氛活跃。

2）学生基本掌握了本课程的教学知识点。课程考试以上机编程的方式进行，考试时间4 h，考试内容为在指定时间内完成一个综合项目的编写、调试工作，60%左右的学生能全部完成，30%左右的学生能完成大部分内容，10%左右的学生能基本完成。

3）学生的实践能力得到了明显提高。整个教学过程都是以实践为基础，学生在程序分析、单片机编程过程、C 语言编程方法、项目实施方法、程序调试等实践应用能力上都有明显提高。在《单片机原理》所对应的课程设计中，学生能自己收集资料、程序代码，并能分析这些代码、将其移植到现有平台上，并根据自己的需要修改、优化代码，完成课程设计任务。

3.2 教学体会

实施“口袋实验”教学方式，除了要选择好的实验平台，前期做好充足准备外，还应该做好如下几个方面工作：

1）实施课程项目应具有很强的实践应用。这样既可开展相应实验教学项目，同时也可吸引学生，调动学生积极性。

2）教师应对实施课程项目具有很强的动手能力。学生在动手过程中会遇到很多实际问题，教师需及时解决。

3）教学需因材施教。学生选课时，应说明该课程对学生能力要求；教学前，了解学生的基本情况，根据学生的情况安排教学内容和教学进度，教学中及时解决学生遇到的问题，同时及时掌握学生的学习情况，调整教学进度和教学内容。

4）教师需投入更多的时间和热情。做好一个实践项目需老师多次检查、同学多次修改；老师因此要付出更多的时间；同时因学生的个体差异，有些学生的进度相对较慢，老师应该鼓励、督促他们，增加他们的自信心，使其学习有所进步。

4 结语

“口袋实验”教学方式不是简单的实验设备小型化，而是理论与实践充分结合，以提高学生实践能力为核心的一种教学方式。在应用型学科，传统实验教学方式在技术更新速度、更新成本、管理方式等方面都难以与“口袋实验”抗衡。高校可根据实际需求，引进成本低、实用性强、更新快、管理简便的“口袋实验”项目，以提高学生的实践能力。