基于口袋实验室的单片机实践教学模式探索*

王向玲，石晓玲

(吕梁学院矿业工程系，山西 吕梁 033000)

0 引言

单片机因其电路设计简单、芯片资源丰富、功能强大而被广泛应用。单片机技术是电子技术领域中嵌入式系统、DSP技术、FPGA技术的基础技术，是机械电子工程专业一门很重要的专业课[1-2]。该门课的典型特征是理论知识点繁多且抽象，需要理论与实践环节极强的结合，但实际的实践教学效果受到时间、空间等因素的影响往往达不到学生的培养目标，教学质量不高，故对该门课程的实践教学进行改革尤为迫切[3]。

基于以上现状，本文提出基于口袋实验室的一种单片机实践教学模式。首先能够克服传统实践教学中的弊端，其次赋予了学生更大的创造性与想象力，能够让学生在动手过程中自行探索并验证自己的设计思路，同时亦能系统性地学习理论知识[4]。

1 传统的单片机课程实践教学模式

目前，全国大部分高校的单片机课程课堂上讲授理论知识，实验在实验箱上完成且实验内容与实施手段均相对固定[5]，这与培养创新型、应用型人才的目标相差甚远，存在的不足主要体现在以下三个方面：

1)“学”与“做”的时空脱离

课堂上的理论知识讲授环节与课后的实验环节不能同时进行，无法实现理论与实践的无缝衔接，学生做不到及时将听课内容应用于实验，对于理论知识理解不够扎实的地方不能及时地用实践来排除疑惑，无法实现“学”与“做”的高度融合[6]。

2)实验时间受限

实验箱的台套数不能满足人手一套，且需要满足开设该课程的不同专业与班级，实验箱使用时间有限，其次由于实验箱本身体积大不易携带，实验室一般规定实验箱不外借[7]。

3)实验内容与手段落后

通常传统实验箱集成度高，实验内容较固定，都是按照实验指导书的电路图和程序进行，学生自行设计的题目很少。其次，由于实验箱成本高，更换频率也非常低，不能满足学生的创新性实践开发[8]。

2 口袋实验室

口袋实验室最早由斯坦福大学克利夫顿博士提出，理念是设计一款方便学生在课堂、实验环节中都能够使用的实验装置，主要是由美国德州仪器、赛灵思集成芯片开发商开发的。口袋实验室体积小便于携带、不受时间空间限制、成本低、方便学生二次开发，满足单片机课程实践与理论同步进行的教学条件。国内较早引入口袋实验室的有清华大学、东南大学、哈尔滨工程大学等[9-10]。

2019年11月，我校引入深圳市普中科技技术有限公司的单片机口袋机，克服传统实验箱的缺点，旨在调动学生的学习积极性，充分发挥学生的主观能动性，加强学生的自学能力与创新实践能力。

口袋机的核心电路板如图1所示，主控模块采用双核单片机设计思想，可实现STC89C51单片机向STM32103C8T6单片机的升级，除了能够满足基础的STC89C51单片机实验教学外，STM32103C8T6单片机能满足部分学生深入学习ARM、参加学科竞赛等需求。

图1 口袋机核心板实物图

除主控模块外，该核心板的设计特点主要有以下4个方面：

1)设计多种标准接口，可搭载AD/DA、LCD1602、电机、温湿度、蓝牙、WIFI、触摸屏等模块，方便实验项目的拓展；

2)通信方式多样化，支持USB、232、485通信；

3)采用模块化分区独立的设计思想，每一模块都有对应的丝印标注，清晰整洁，方便学生快速了解电路板硬件布局；

4)各个独立模块不占用I/O口，核心板上设计有74HC165、74HC595模块可实现并转串、串转并，方便扩展其他外围模块。

3 口袋实验室的实践教学模式实施

该实践教学模式实施中，口袋机主要应用在理论课、实验课、课后自主提升环节，环节之间的关系如图2所示。1)理论教学环节是基础，主要为实验教学环节提供知识储备，同时实验教学环节是综合运用理论教学环节知识的体现；2)实验教学环节可启发引领学生进行自主提升，同时自主提升环节相对于实验教学环节是成果分享的好机会，提升学生的成就感；3)理论教学环节对于自主提升环节的能力培育奠定了基础，自主提升环节是理论教学环节的工程实践体现。

图2 口袋实验室的实践教学模式实施

我校单片机原理及应用课程理论课为40课时，实验课为8课时。改革后的实践教学模式引入过程考核评价，提高平时成绩比例为60%，具体体现在理论教学环节与实验教学环节中，两环节成绩各占总成绩30%，摒弃了传统的重考试、轻实践的考核模式。

3.1 口袋机在理论教学中的实施

课堂上主要讲授内容为I/O口、中断、定时/计数器、串口通信，涉及到的实验均为基础实验，可实现单个功能，比如：LED灯的闪烁、流水灯、继电器、蜂鸣器、静动态数码管、按键、定时器、电机、传感器、AD/DA转换等。口袋机在课堂理论教学中具体实施步骤如下：

1)以教学大纲和教学进度表的形式下发讲授任务，学生需提前对照课本或者课件敲代码以备课堂实验使用；

2)课前向每位学生发放口袋机一套，学生2人一组并携带笔记本电脑，讲解之后要求学生下载程序到口袋机并观察实验现象；

3)在理解代码的基础上，引导学生修改某些参数。比如流水灯实验中修改延时函数中的参数后再下载程序，学生观察到流水速度发生改变，更深一步地加深了理论知识点的巩固。

口袋实验室在理论教学中的引入，可以改变传统课堂上老师讲授、学生听着枯燥、空洞的被动局面，学生参与率可达到90%以上，提升学生学习该门课的成就感，大大激发了学生的学习兴趣。

3.2 口袋机在实验教学中的实施

实验教学中，需要将之前实现的单个功能叠加进行稍微复杂程序的编写与硬件调试，仅靠单个功能的简单整合往往达不到预期效果。

该环节主要进行拓展性实验，表1列出部分拓展性实验。例如：流水灯实验中采用定时器亦实现流水灯效果；定时器、定时器中断与动态数码管扫描实现秒表；按键控制数码管等。

表1 口袋机可进行的部分拓展性实验

由于该环节难度加大，部分不能在实验课堂完成任务的学生可以通过登记外借口袋机，只需一根USB转串口的数据线即可继续进行实验。该环节对学生的理解能力与解决实际工程问题的能力提出了更高的要求，学生需要提交录制的视频，视频中需要边讲解边操作。

3.3 口袋机在自主提升环节的实施

课后自主提升环节主要依托于开放实验室来进行，可供全校参加电子设计大赛、机械创新设计大赛、挑战杯等学科竞赛的学生使用。

具体实施手段如图3所示，首先由单片机课程教研组教师完成考核题目的命题，然后实验室管理员组织考核；参赛学生需先提交申请后参加考核，考核合格后在实验室管理员规定使用时间内办理口袋机的借用与归还事项。学生可以自行实践，如若遇到问题可向教研组教师请教。

图3 自主提升环节实施图

此环节的实践过程中，学生由易到难，根据实验现象修改程序以达到预期实验结果，可综合运用所学知识，并融会贯通到程序编写、硬件设计、综合调试中，为参加各类学科竞赛和毕业设计奠定基础。

4 教学效果

通过对我校18级、19级机械电子工程专业的157名学生进行该实践教学模式认可度的调查问卷，结果如图4所示。新型的基于口袋机的单片机实践教学模式受到91.8%的学生认可，8.2%的学生倾向于传统教学模式，通过回访得知该部分学生是因为该教学模式无偷懒、抄袭的机会。

图4 学生认可度调查结果图

对学生完成不同难度实验的情况进行统计如图5所示。学生参与度高，仅有1.2%的学生不会设计，5.3%的学生可通过自主提升环节考核，45.5%的学生能够模仿课本程序、讨论并设计简单程序，39%的学生能独立完成简单程序的设计，9%的学生能独立完成稍复杂程序的设计。

图5 学生完成不同难度实验情况统计图

5 结语

经过口袋实验室实践教学模式的实施，学生在理论教学、实验教学、自主提升三个环节均增加了实践的机会，做到了“学与做”的高度融合，更加符合单片机课程的教学目标。由以往学习抽象的理论知识转变为边实践边系统性地学习模式，提高了学生的专业技能，增强了学生的动手能力和团队合作精神，培养了学生的创新思维能力，对学生进行单片机开发具有重要的意义。