基于“口袋机”的“单片机原理与接口技术”课程开放式教学探索

马春燕，郑剑海，王淑红，郑丽君

（1. 太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024；2. 北京杰创永恒科技有限公司，北京 102200）

1 “单片机原理与接口技术”实验教学现状

“单片机原理与接口技术”课程在电气工程及其自动化、能源与动力工程、自动化、过程装备与控制工程、机械设计制造及其自动化、测控技术与仪器等大多数工科专业中是最具有实践性和实用性的一门课程，可以培养学生的创新思维和实践能力[1-3]。

目前，全国各高校“单片机原理与接口技术”课程教学时数大多为48～64学时，实验为6～10学时，课程设计为1～2周，多数学校的实验设备按1～2个班配置，即 35～70台（套）。由于该课程的实验通常在实验室进行，学生需在规定的时间、地点，利用指定的单片机实验箱完成指定的实验项目，以演示性、验证性为主，因此学生的主动性受到一定的限制。同时，实验教学通常滞后于课堂教学，很难保证学生在有实验激情、创作灵感的时候进行实验与探索。此外，传统的单片机实验箱体积大、携带不便、更新周期长、成本高，不可能做到人手一台设备[4]。

以太原理工大学电气与动力工程学院为例，对电气工程及其自动化、能源与动力工程、自动化三个专业开设“单片机原理与接口技术”课程，课堂理论教学48学时，实验8学时，课程设计2周，在校人数平均为一本 18 个班/年（560 人/年），三本 10 个班/年（320人/年）。通常情况下，实验和课程设计要在10周内完成，而实验室设备只有65台（套），空间和时间相对固定，造成实验设备与实验课时数、学生人数的矛盾，也给实验室的工作和管理带来较大压力。为此，在“单片机原理与接口技术”课程的教学过程中，引进“口袋实验室”概念，开发并推广应用“口袋机”这一便携式的实验设备，基于借阅式图书管理理念，建立信息化管理平台，实现了“口袋机”的借用、归还、预约、续借等管理功能，打破传统固定实验室空间和时间的限制，调动学生的学习热情，充分发挥学生的想象力和创造力，让学生动起来、忙起来，培养学生的综合运用能力和工程实践能力。

2 “口袋实验室”

“口袋实验室”是指将实验设备微型化、便于携带，允许实验者自选场合、自选时间进行实验的一种实验教学模式，是一种全新的自主教学理念。2014年，“口袋实验室”这一概念由斯坦福大学克利夫顿（Pocket Lab创始人兼首席执行官）首次提出，旨在设计一款能够满足教师和学生在课堂上方便学习和使用的实验装置，这一概念一经提出就得到了耶鲁大学、斯坦福大学和TI公司的大力支持和响应，完成了多款产品的设计、研发并开始推广应用[5-6]。

目前，我国已有少数高校的课程开始引进“口袋实验室”教学和管理理念，建立了“口袋实验室”，如清华大学“单片机原理及应用”课程、西安交通大学“数字电子技术”课程[7]、大连大学“物联网技术”课程[8]、哈尔滨工程大学—美国德州仪器“口袋实验室”协同创新基地等[9]。2018年3月，太原理工大学电气与动力工程学院与北京杰创永恒科技有限公司共建教育部产学合作协同育人项目示范基地，实施“基于借阅式实验硬件（口袋机）的单片机教学内容改革”项目，旨在调动学生的实践兴趣，培养学生的动手能力与研发意识，提高学习效率，增强学生的工程应用、实际动手和创新实践能力。

3 “口袋机”教学实验系统

为解决目前传统式单片机原理与接口技术实验室存在的空间和时间相对固定、不能满足学生“随学、随做”需求的问题，设计开发了基于“口袋机”的单片机原理与接口技术开放式教学实验系统。该系统由“口袋机”主机、接口模块、虚拟终端显示微信小程序及借用管理系统组成。学生可以像借阅图书一样，用学生证便可借用“口袋机”和接口模块，在寝室、图书馆、食堂、自习室等任何一个可以学习的地方，随时进行学习和实验，完成课程实验、创新项目和课程设计。“口袋机”开放式教学实验系统是一个全开放、全共享、课内外一体化的自主学习实践平台[10]，是让学生动起来、忙起来的有效措施和手段。

3.1 “口袋机”主机

“口袋机”主机采用核心板+底板+功能扩展板+虚拟外设的设计理念，使开发可配置、功能可搭配，便于学生开展实验、课程设计及项目开发。“口袋机”尺寸为135 mm×90 mm×20 mm，体积小、便于携带、功耗低，可以随时随地边学、边练、边实验。“口袋机”主机外形及核心板如图1、图2所示。

图1 “口袋机”主机外形

图2 “口袋机”核心板

“口袋机”主芯片采用STCmicro宏晶科技公司的IAP15W4K58S4单片机，工作电压为2.6～5.5 V，Flash为58 KB，SRAM为4 KB，4个串行口，5个定时器（T0～T4），6路15位带死区的PWM，8路10位A/D转换器，E2PROM在线可编程IAP，2个DPTR数据指针，支持USB直接下载程序。“口袋机”主机可以完成的实验包括：

（1）发光二极管流水灯控制实验；

（2）I/O控制实验；

（3）红外传感器测距实验；

（4）独立按键控制流水灯实验；

（5）OLED显示控制实验；

（6）定时器中断控制实验；

（7）SD卡读取实验；

（8）串行异步通信实验；

（9）USB串行通信实验；

（10）网口通信实验。

3.2 “口袋机”接口模块

系统共有13个接口模块，尺寸为100 mm×55 mm，通过GPIO的 A口和B口（2×34 pin）与“口袋机”主机相连。接口模块如图3所示，“口袋机”接口模块名称及可完成的实验见表1。

图3 “口袋机”接口模块

表1 “口袋机”接口模块名称及可完成的实验

3.3 “口袋机”虚拟终端显示微信小程序

“口袋机”底板上设计有Wi-Fi、蓝牙、NRF24L01无线射频单元电路，可以通过对应的虚拟终端程序发送信息，在智能手机上显示程序运行结果，即虚拟终端显示功能。使用Wi-Fi功能，可以实现“一点对多点”的信息传输，便于教师演示性教学，不受时间、空间和设备限制，可以随时发布教学信息，便于学生实时观察实验结果。

智能手机关注微信公众号，进入杰创 POK虚拟终端（见图4），打开手机蓝牙或接入Wi-Fi局域网，“口袋机”上网，搜索附近的“口袋机”设备，链接成功后，进入实验列表界面，如图 4(a)所示。以交通灯实验为例，点击交通灯实验，“口袋机”开始运行控制程序，数据通过蓝牙或Wi-Fi实时传输到智能手机，全景展示“十字路口”交通灯的控制场景，如图4(b)所示。

图4 杰创POK虚拟终端

3.4 “口袋机”借用管理系统

“口袋机”借用管理系统，基于“借阅式图书”管理理念，建立信息化管理平台，学生使用学生证即可完成借用和归还，实现“口袋机”的借用、归还、预约、续借等管理功能，共享“口袋机”实验设备，随借随用，打破传统固定实验室空间和时间的限制，调动学生的学习热情，不仅在课堂上积极动脑学习，课后有灵感、有想法也可以拿出“口袋机”做实验，巩固和拓展知识面，充分发挥学生的想象力和创造力，培养学生对知识的综合运用能力和工程实践能力。“口袋机”及接口模块借用界面如图5所示。

图5 “口袋机”及接口借用界面

4 开放式教学与实践

开放式教育的主旨是鼓励学生积极参与教学活动，其开放性体现在：开放的空间、开放的环境、开放的教学实验内容、开放的态度和开放的资源运用[11-12]。

4.1 “一点对多点”演示教学

在课堂教学过程中，应用“口袋机”虚拟终端显示微信小程序，使用Wi-Fi功能，实现“一点对多点”的信息传输，进行实时演示教学。教师在课堂授课过程中，可以随时运行“口袋机”中的程序，将有关内容实时传输到学生的智能手机上，便于学生边听、边看、边观察。在开放的环境下，学生秉持开放的态度，随时提出疑义，与教师互动，即学即懂，提高学习的兴趣。相比PPT课件、运行仿真软件（Proteus+Keil）、执行程序等传统的教学模式，开放式教学更能够提高教学的实时性和趣味性，激发学生的学习愿望。

4.2 借用“口袋机”自主实验

在理论学习基础上，学生通过“口袋机”主机和接口模块，把实验过程从固定时间、固定地点的实验室搬移到自习室、图书馆、寝室等其他场合，在开放的空间和环境下，随时随地进行实验，巩固课堂学习内容，主动学习和实验，边学边练，提高发现问题、思考问题、解决问题的能力。

在这一环节，教师只提供基本功能程序，学生可以首先运行程序，实现基本功能，而后根据教师提出的要求，进一步修改、完善程序，扩展功能，图6所示为LED发光二极管控制实验过程。

图6 LED发光二极管控制实验过程

在实验过程中，学生不再是简单地运行已有的实验程序、验证实验结果、提交实验报告，而是在实验过程中，由浅入深、由表及里，观察结果、修正程序，再实验再修正，将所学知识前后贯通，自主地融入到实验过程，提升了阅读、修改、调试和优化程序的能力。

4.3 团队合作，创新设计

为了培养学生的团队合作精神和创新设计能力，在两周课程设计环节中，教师给出设计题目，提出设计要求，下达设计任务，指导学生自主完成一个单片机控制系统设计项目。学生2～3人为一个设计小组，借用“口袋机”主机和接口模块，自主选择设计题目，按照教师提出的设计要求和任务，制定设施方案，拟定设计路线，选择接口模块，进行软件编程及调试，发现问题、集体讨论，修改优化程序，直至实现全部功能。在这一设计过程中，鼓励学生创新设计，不限于教师提出的设计要求，可以增加新功能，扩展知识面，培养学生由被动地接受知识，转变为结合自己的兴趣和研究方向，发现问题，并带着问题有目的地寻找解决路径，从而获得新知识，积累新的学习经验。

在直流电机和交流异步电机控制系统设计项目中，教师只要求实现直流电机和交流异步电机调速和控制功能，而学生各自拓展了按键控制和LED速度显示等功能，具体实现的功能如下：

（1）使用按键K0、K1和K2控制步进电机启动、停止、正转和反转；

（2）在电机运行时，使用按键 K3和 K4调节步进电机的转速（增速、减速）；

（3）采用按键K5和K6控制直流电机的PWM占空比（13%～85%），实现调速功能；

（4）采用 LED数码管显示步进电机正反转、运行状态以及电机的周期，显示直流电机的PWM占空比，实现速度检测及实时显示等功能。

由“口袋机”主机、JC-PM5电机模块和JC-PM3七段数码管显示模块组成的电机控制系统如图7所示。

图7 电机控制系统

在项目实施过程中，学生经历了课题小组研究选题，广泛收集资料，与合作公司技术人员沟通交流，自主学习、构思、策划、调试等全过程，指导教师只在制定实施方案、设计路线、优化程序等方面给予一定指导，学生自行确定设计过程、采用方法，并得出最后的结果。这种开放式的设计过程，培养了学生自主学习、知识融合、团队合作的能力，同时增强了自信心。

5 结语

“口袋机”体积小、功耗低，可以随身携带，使用方便，已渐渐为高校学生所熟知，正逐渐成为其日常学习和生活的一部分。“口袋机”不仅可以帮助学生更快地熟悉 51内核单片机的结构、工作原理、接口电路实验、汇编语言编程，展开项目实践，而且与其他相关专业课程内容相结合，将枯燥的专业课程学习和学生兴趣有机地结合在一起，将实践和兴趣融为一体。“口袋实验室”是一种新的自主教学理念，创新性地解决了教学资源共享和管理难题。