基于口袋实验室的单片机实验教学改革研究

苗曙光 李峥 方振国

摘 要：实验教学是单片机原理课程教学中理论联系实际的重要环节.通过实验，可以使学生对单片机的基本结构、原理、编程方法、系统设计等知识有较全面的了解和掌握.但是传统的单片机实验教学依赖于体积笨重的实验箱，功能繁琐，价格昂贵，实验项目与实验大纲匹配度不好，而且不便于做扩展实验和实验室开放.因此本文总结和分析以往实验教学的不足，从实验大纲的编排、实验平台的设计等方面入手，进行实验教学改革与探索.实践表明，基于新的教学大纲和自制口袋式实验平台能够照顾到不同层次学生的需求，对于培养学生的动手能力和创新能力，具有较好的教学效果.

关键词：实验教学;单片机;实验平台;教学改革

中图分类号：G642.423  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）08-0101-04

当前，随着信息技术迅猛发展，学科交叉融合加速，新学科不断涌现，前沿领域不断延伸.以机器人、大数据、3D打印，5G技术为代表的新一轮信息技术革命已成为全球关注的焦点.在新工科背景下，对于以培养应用型人才为主的电子信息工程、自动化、机电一体化等本科类专业，单片机原理是相当重要的专业核心课程，是培养学生软硬件设计能力、应用能力、工程意识与素养、综合开发与创新能力的重要课程，是学生学习和从事信息技术相关工作的基础[1].作为理论联系实际和提高学生动手实践能力重要环节，单片机实验教学的重要性不言而喻.传统的实验教学主要依托体积较大而且笨重的实验箱，实验箱虽然集成了较多外设资源，但是大部分外设资源都是形同虚设，超出实验大纲要求，实用性不强.另外，很多试验箱配套实验项目还是基于汇编语言开发的，汇编语言相对C51来说枯涩难懂，导致很多学生上完实验课，还是无法掌握单片机开发的基本技能[2，3].针对现有单片机实验教学存在的问题，本文分析现有实验教学存在的不足，根据该课程的实验教学要求，对实验项目进行了重新优化，对实验平台进行了重新设计，在保留实验大纲要求的基础上，独立开发出了一款口袋式USB口可编程的单片机实验平台，达到更好地服务于单片机实验教学的目的.

1 传统的实验教学方法存在的问题

1.1 实验室封闭，实验箱不便携带

考虑到实验室管理和实验室安全问题，很多高校单片机实验室都是不开放的.只有在上实验课时间段，学生才能按部就班地进入实验室做实验，导致实验设备在大部分时间都处于闲置状态，因此造成实验室资源浪费.另外，很多高校的试验箱都是一些大公司开发的，为了满足市场竞争需求，很多公司的实验箱体积相对较大，资源较多，不便于携带，导致实验室很难做成开放性实验室.传统的单片机实验箱一般是价格昂贵、操作繁琐、结构复杂，且易出故障，不便维修.特别是实验箱的一些常用插拔接口，多次插拔后特别容易损坏，造成无法编程.同时，由于实验设备昂贵，无法保证一人一台实验箱，如果实验箱损坏，没有及时维修，甚至出现三人用一台实验箱的情形，实验效果大打折扣[4，5].在实验设备不便携带和设备有限的情况下，开放实验室更是无从谈起.因此，如何建设性价比高，功能齐全、高效优质便携型的实验平台是我们亟待进行解决的问题.

1.2 实验教学方法机械

单片机实验一般包括实验目的、设备介绍、原理、实验内容及步骤等几部分构成，传统的教学模式是教师照本宣科讲一遍，然后給学生演示一遍，学生自己独立思考的部分太少，导致对实验缺少兴趣，严重影响实验教学效果.

1.3 实验教学内容缺少创新性

传统的单片机实验项目多为验证性实验，而扩展性和综合设计性实验几乎没有.缺少扩展性实验部分，导致很多学生做完教材要求实验内容就感觉无所事事，甚至出现课上写实验报告的现象，因此无法达到把实验课学时充分利用起来的目的.缺少综合性实验，导致实验创新性不强，难以调动学生的积极性和主动参与性[6].

1.4 考核方式不灵活

传统的考核方式主要包括考勤情况，实验过程成绩（包括实验态度和操作），实验报告成绩（包括预习与实验报告成绩），这导致很多学生为了完成实验而实验，缺少思考和创新性，甚至实验报告有抄袭现象.

2 “口袋式”实验平台的实验教学改革与实践

针对当前单片机实验课程存在的问题，结合近年来单片机教学改革的一些创新实践做法，我们主要采取以下改革和实践方法，一是优化实验大纲，重新编排实验项目，出版实验教材;二是根据新教材大纲要求，自主设计实验教学平台，达到满足实验平台的开放性和便携性的需求.

2.1 出版实验教材，增加扩展实验

考虑到我院学科结构和单片机教学的实际情况，综合了单片机原理、微机原理、自动控制原理和DSP技术等实验课程，作者参与编写了《电子信息类专业实验教程》计算机控制分册教材，并于 2018年2月在中国科技大学出版社出版.每个实验项目除了有基本实验验证部分，还包括了思考题扩展部分，针对不同层次的学生而设计，体现差异性.

考虑到学生动手能力的差异化，在原有的实验讲义基础上，增加了实验扩展部分，对于动手能力强的同学可以选做扩展实验，满足不同学生的实验学习需要，因此新的实验项目进行了合理化改进，改进后的实验项目基本信息，如表1所示.

根据改进后的教学大纲和实验项目要求，设计实验平台需要预留流水灯模块、交通灯资源、中断相关外设，定时器演示资源和AD模数转换资源等，另外考虑到开发板的可扩展性需求，又对所有IO口以及电源接口进行了扩展，这样学生可以方便进行各种相关开发模块扩展，比如传感器模块，显示模块等等，方便学生进行创新设计，课外微项目实践，甚至学生参加学科竞赛可以直接使用该开发实验平台进行[7].综合以上要求，设计电路原理如下图2所示：

考虑到学生实验和开发方便，板子设计了USB口ISP自动编程电路，只需要通过一条USB线就可以完成实验板供电、程序下载和串口通信等相关实验功能.USB口程序下载电路原理图，如图3所示.

根据实验平台设计原理图，利用电路CAD软件，生成PCB文件.考虑到实验平台的便携性，板子尺寸不宜太大，因此设计时对PCB布局进行了优化.考虑到学生焊接实训的需要，电路设计的时候电阻电容以及主要芯片主要选用直插元件.通过PCB厂家批量生产返回PCB板之后，然后采购相关元器件准备焊接，经过学生实训焊接，下图4为我院自主设计的便携式单片机实验板成品.该实验平台尺寸为10CM*13.5CM，板上包括单片机最小系统电路，扩展所有IO口，预留2排流水灯，预留交通灯资源，预留四个独立按键，预留ADC0809模块，并丝印有我校LOGO，主要优点是支持USB口供电下载一体化设计，真正做到一根USB线搞定开发的目的.

为了配合硬件平台使用，本套实验板采用Keil C51作为软件开发平台，该软件集编辑、编译、仿真等功能于一体，它具有强大的软件调试功能，生成程序代码速度快，所需要的存储空间小，是目前51单片机开发中最常用的软件之一.Keil C51集成了文件编辑处理、项目（Project）管理窗口、工具引用、仿真软件模拟器及Monitor51硬件目标调试器等多种功能.Keil C51软件开发环境界面，如图5所示.

3 “口袋式”单片机实验平台的优势

3.1 资源设置合理，方便扩展

考虑到实验大纲要求，自制实验平台可以精炼主要实验硬件资源，使得实验大纲和实验平台匹配度较好.自制实验平台在完成基本的实验大纲要求基础上，还把相关接口做了扩展，方便扩展其他相关电子模块，如传感器模块、时钟芯片模块、存储模块和液晶显示模块等.

3.2 便携口袋式，方便开放式实验教学

2012年，美国德州仪器公司（TI）提出了“口袋实验室”理念.所谓口袋实验室，是指不受时间、空间限制的，并且实验功能丰富的小型开发板，方便学生学习和二次开发[8，9].本文所开发的实验平台，尺寸合理，方便携带，支持USB口供电，编程和串口通信，方便开发学习，另外，由于自制实验平台成本较低，方便实验室开放，学生办理相关手续可以外借，配合学生自己的笔记本电脑，在宿舍，图书馆或者教室也可以继续做实验和开发，可随身携带，学生有想法随时可以做实验验证，真正做到实验室开放性.

3.3 强化了学生的实训焊接能力

基于自制口袋式的单片的实验教学方式不仅仅是传统实验箱的精简，而是结合课程实际情况做的大胆改革.通过自制实验设备，贯通了电子信息工程专业的相关教学活动的展开，从电路CAD设计教学，到焊接实训，不仅满足了学生的动手实训要求，又为实验教学提供了足够的教学平台，一举多得.

3.4 实验平台充足，学生可以独立完成

针对传统实验箱式实验设备，价格昂贵，功能繁琐，通过自主设计的自制便携式实验平台可以保证学生和实验设备1：2配套，能够做到每个学生都能独立完成实验项目，大大提供实验教学效果，而且自制实验设备，方便维修.

4 课程教改实施效果

较传统的实验教学方式，采用自制口袋式的实验平台，教学效果较好，具体表现在以下几个方面：

（1）学习方式灵活.通过自制单片机实验开发平台，结合开放式教学，学生对单片机的学习兴趣得到了极大的提高，总体效果教好.实验室平台对学生开放，使实验室资源的利用率得到极大提高.教师设计好题目，学生可以外借口袋式实验平台，在宿舍或图书馆进行自主开发学习.

（2）考核方式灵活.传统的实验教学主要看学生的预习报告、实验报告、实验操作情况，考核方式单一，采用口袋式實验平台老师可以增加扩展部分内容，不在局限于课上教学，还可以把平时训练成果做为考核内容.

（3）学生的实践能力得到了提高.这种方式的实验教学容易实现为项目教学的目的，以项目实践为基础，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.

通过发布课程问卷调查，调查结果如图6所示.从调查结果可以看出，90.54%同学认为能够完全符合实验能力的掌握要求，9.46%同学认为基本符合，总体上达到预期教学效果目标.

5 结束语

单片机原理作为是电子信息工程专业的核心课程，实验课是理论联系实际的重要环节，实验课的教学效果好坏，直接关系到学生对硬件设计和软件编程的掌握水平，因此实验教学在单片机原理课程教学中显得尤为重要.针对我院电子信息工程相关专业单片机实验教学过程中存在的实际问题，提出了相应的改革措施，包括自制实验平台、改革实验教学大纲和实验项目，增加微项目驱动教学等实验教学方法等.实践表明，上述措施有效地激发了学生的学习兴趣，增强了学习单片机的信心，提高了教学效果.

参考文献：

〔1〕杨威，崔彬，韩亮，方小平，李平舟.新工科背景下自制计算机类实验设备的探索与实践[J].高校实验室科学技术，2019，11（03）：125-128.

〔2〕王洪丽.单片机普通IO脚测量电阻与电压[J].牡丹江师范学院学报（自然科学版），2015，9（04）：33-34.

〔3〕姚静，李璋，陈广.基于Proteus和Keil的单片机实验教学探究[J].信息通信，2019（09）：250-252.

〔4〕王中明.“口袋实验”教学方式探索——基于《单片机原理》课程[J].江汉大学学报（自然科学版），2019，47（03）：265-269.

〔5〕石飞，陈娟，王建英，赵彩芸，李金欣，房俊杰.口袋式单片机实验系统研制与应用[J].实验技术与管理，2019，36（04）：92-95.

〔6〕李波.《单片机原理与应用》实验教学改革与实践[J].电子世界，2018，35（23）：101-111.

〔7〕李峥，陈得宝，苗曙光等.CDIO模式：单片机课程教学改革初探[J].牡丹江师范学院学报（自然科学版），2014，10（04）：75-76.

〔8〕滕召胜，高云鹏，唐求，温和，郭斯羽.基于口袋实验室的单片机实践教学改革[J].电气电子教学学报，2018，40（04）：117-120.

〔9〕苗曙光，李淮江，李峥，等.基于PIC18F4580的CAN总线多点温度采集系统设计[J].牡丹江师范学院学报（自然科学版），2013，31（04）：19-20.