基于OBE理念的单片机实验教学设计

陈英杰 毛开宇 陈安 邓晓燕 高焕丽

摘  要  针对单片机实验教学综合性强的特点，基于OBE理念进行实验教学设计，在实验课程中引入前序课程的理论知识，让学生建立完善的知识体系和系统性思维，培养学生方案设计和工程调试的实践能力。教学活动中需要确定具体的教学目标，分解目标并采用分层次教学方法。本教学设计综合了单片机定时器、步进电机原理、数组或指针、状态机设计等知识点，设计层层遞进的实验要求，引导学生对课程知识融会贯通，显著提高实验教学的质量。

关键词  单片机；实验教学；OBE理念；定时器；步进电机

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）10-0129-04

Instructional Design of Microcontroller Expe-riment Teaching Based on OBE Concept： Taking Experiment of Timer and Stepper Motor as Example//CHEN Yingjie1， MAO Kaiyu2， CHEN An1， DENG Xiaoyan1， GAO Huanli1

Abstract  An OBE （Outcome Based Education） based experimental teaching design focusing on the fea-tures of single-chip microcontroller experiments is discussed in this article. In the experimental cour-se， the theoretical knowledge of the pre-order course is introduced， in order to establish a per-fect knowledge system and systematic thinking for students， cultivate students practical ability of scheme design， engineering and debugging. It is nece-ssary to determine specific teaching objectives， decompose them and adopt hierarchical teaching methods in teaching activities. According to the knowledge points of microcontroller timers， stepper motor， array， pointer and state machine，design pro-gressive experimental requirements and guide stu-dents to master the knowledge through the experi-ment. Finally，the instructional design obtains a significant experimental outcome on practical operations for students and high-quality teaching.

Key words  single-chip microcomputer; experiment teaching; outcome-based education concept; timer; stepper motor

Authors address

1  School of Automation Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， China，   510641

2  Public Basic Laboratory Center， Guangzhou Inter-  national Campus of South China University of Technology， Guangzhou， China， 511400

0  引言

成果导向教育（Outcome-based Education，简称“OBE”，亦称能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育）贯穿于工程教育认证标准的始终。在新经济和新工科[1]的背景下，以培养学生成为重理论、重实践的“双重”人才为目标，运用OBE理念对单片机原理及应用实验课程进行教学设计，提高实验教学质量。单片机原理及应用的课程体系包括理论课程和实践课程。其中，实践课程包含课程设计和实验课程两部分。理论课程的教学效果可以通过笔试、考试进行反馈；课程设计的考核形式是学生自主完成小项目或设计并提交设计报告，由于课程设计是课后完成，在实际教学中无法保证课程设计对每个学生都是真实的反馈。实验课程要求学生现场进行设计、编程、调试、验收，能真实反馈学生的理论学习和实践能力，所以，实验课程是单片机原理及应用实践课程中既传统又重要的组成部分。

单片机原理及应用实验课程（以下简称“单片机实验”）的实操性、设计性比较强。单片机实验的教学目标是要求学生掌握51单片机的应用、系统设计与开发、软硬件的调试方法。由于课堂上的时间是有限的，学生的动手能力千差万别，因此，以往的教学方式中存在两个主要问题。

1）教师直接用简单的实验例程进行教学。学生没有参与到设计与调试活动中，学生的学习兴致不高，学习效果不佳，无法深度发掘学生的潜力。

2）教学采用单一的实验要求而缺少具体引导。动手能力强的学生感觉实验内容简单，“喂不饱”，动手能力一般的学生感觉实验内容困难，“吃不消”，畏难情绪重。这样就往往导致动手能力一般的学生在课堂上难以完成实验内容，或是简单复制其他学生的实验设計和代码，而不独立进行实验的设计与调试。

本文提出实验教学设计，实验课内容结合前序课程的理论知识，采用分层次的实验要求，减少学生的畏难心理，激发学生的自信心，挖掘学生的学习潜力，教学中引导学生独立操作，将理论应用于实践，通过实验实践获得成就感，能够提高学生参与实验的兴趣，形成良好的教学循环。

1  实验设计原理及方案

步进电机是一种无刷直流电动机[2]，又称为脉冲电机。基于最基本的电磁铁原理，步进电机通常用于运动和位置都必须准确控制的场合，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。步进电机的脉冲与步进旋转的角度成正比，脉冲的频率与步进的转速成正比；在不载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和数量。步进电机是一个可以把电脉冲转换成机械运动的装置，具有很好的数据控制特性，单片机可以作为步进电机的理想驱动源。

单片机实验教学中，步进电机作为定时器实验良好载体，该实验的主要内容包括单片机IO口的操作、定时器的使用、认识步进电机、电机控制程序的编写与调试。如图1所示，实验系统框图主要包括输入、单片机、驱动电路和步进电机，其中，输入可以是拨码开关或矩阵键盘等，单片机具体连线由学生按实验设计和引脚分配进行连接。

传统的实验教学中，关注点比较单一。例如，通过学生是否能够写代码驱动电机，判断学生是否完成实验任务。在缺少具体导向的情况下，大多数学生对实验并没有完整的设计过程，从硬件接线到代码编写，往往想一步做一步。实验中常见的问题有学生浅尝辄止、功能设计过于简单。例如，仅仅实现电机转动；代码结构混乱，变量命名不规范；没有掌握调试的方法，设计丰富功能，调试出现问题却无从下手。教师在验收学生实验结果时，学生做出的实验功能不完整。例如，在主函数中采用死循环的语句，软件烧写后电机就运行，不能停下来；教师要求改变电机的转向时，学生无法修改程序重新下载，让电机由原来的顺时针转动变为逆时针转动或由原来的逆时针转动变为顺时针转动。

工程教育的理念是成果导向教育，以学生为中心，教学过程考虑学生学什么，怎么帮助学生学，学生学得如何[3]。在实验教学中，明确具体的实验任务要求，融合前序课程，帮助学生建立完善的知识体系和系统性思维[4]。单片机原理及技术的前序课程包括C语言程序设计、数字电路技术、模拟电子技术等，只有前序课程掌握好，才能高质量地完成单片机原理及技术的实验课程。本教学设计的目标是在实验课堂有限的时间内，能对学生进行较好的工程实践训练。

在定时器与步进电机实验教学中，教师需要讲解四个方面的内容：

1）讲解单片机定时器与中断的使用方法；

2）引用电机学中步进电机原理，讲解步进电机的结构与控制方法；

3）结合C语言程序设计课程，规范学生代码结构，程序变量的命名方式，同时，利用数组或指针，建立步进电机驱动脉冲序列；

4）结合数字电路技术中状态机的设计方法，介绍单片机软件程序的设计方法与步骤。

结合项目设计开发的流程，循序渐进，将整个实验分解设定四个实验要求，如表1所示，包括两个基本要求和两个进阶要求。

2  成果导向的实验要求设计

2.1  软件延时与定时器对比分析

本实验采用的单片机型号为89C58RD，步进电机型号为28BYJ48，在四相四拍的工作模式下，需要2 048个脉冲机械轴转一周。步进电机的输出有累积效应，便于观察小时间累积的结果。本实验中，首先，学生先采用软件延时的方法，延时时间作为单片机IO口脉冲输出的间隔，从而实现步进电机转动；其次，学生需要独立编写定时器的代码，使用定时器计数时间作为步进电机脉冲的时间间隔，但不限制定时器的工作方式，鼓励学生使用不同的工作方式进行实验。实验过程中，学生需要比较软件延时时间的计算方法与定时器时间的计算方法，并记录于实验报告。对比实验能够让学生加深印象，帮助学生掌握单片机定时器的使用方法。

2.2  数组与指针的使用

实验课堂上，教师通过图片、视频等方式讲解步进电机的主要类型，介绍四相四拍与四相八拍的驱动方式、步进电机失步的情况。本实验给出的例程，驱动脉冲是采用移位操作形成的，例程代码“i=0xcc”，“i = _cror_（i， 1）”，这两句代码形成步进电机的驱动脉冲，对应的驱动脉冲是“1100B，1001B，0011B，0110B”，属于二相励磁[5]的四相四拍驱动方式。实验要求学生编程实现四相八拍驱动，具体要求学生通过数组或指针实现，而不是例程中移位操作或定义多个变量。四相八拍驱动方式下，建立数组或指针，例如定义数组“Pluse[8]={01H， 03H， 02H， 06H， 04H， 0CH， 08H， 09H }”。实验过程中，为实现正转和反转，有的学生代码在中定义两个数组，即正转序列和反转序列。教师对实验设计进行检查或验收时，如果课堂还有时间，可以鼓励该学生优化代码，改进为只用一个数组实现目标功能。鼓励学生持续改进，达到“润物细无声”的效果，促使学生深入钻研。

2.3  状态机的设计与实现

学生完成的实验设计通常存在两方面的问题，一个是代码结构混乱，代码耦合程度高，能解耦的功能没有进行解耦；另一个问题是实验设计不完整，有些功能没有实现。例如，用开关1对应的功能是步进电机顺时针高速旋转；用开关2对应的功能是步进电机逆时针低速旋转。这种情况就是转速和转向这两个功能没有解耦，实验设计不完整，所以电机没有顺时针低速旋转或逆时针高速旋转的功能。主要原因是学生在进行实验功能设计时，缺乏整体设计、顶层设计的步骤。实验过程中，学生构思功能A，先写功能A代码，后面想到要做功能B，然后再做功能B。

状态机（即同步时序逻辑电路[6]）的概念来自数字电路技术理论课。在没有采用嵌入式操作系统（例如ucos、FreeRTOS、RT-Thread等）的情况下，嵌入式软件开发设计中，常常使用状态机的思想。课堂上引入状态机的设计方法，让学生理解程序功能的分析与设计方法，然后对本次实验进行整体的程序设计。同时，引导学生回顾前序课程知识点，将不同的课程融会贯通，完善知识体系。

在定时器与步进电机实验中，可以设计电机的启停功能、调速功能、正反转功能。实验课堂上，学生通过思考与设计，能够发现调速功能与电机运行状态是能够解耦的关系，转速设置通过定时器的计数值进行独立设置，电机是否工作由控制状态机控制。状态机包括电机运行的三个状态：停机、正转、反转，如图2所示。学生最终确定实验方案，设计程序功能的状态机，然后编程实现。课堂上有部分学生设计为五个状态：停机、高速正转、高速反转、低速正转、低速反转。教师检查时可以给学生提相应的设计需求，如实现转速单独控制，学生最终都能将实验设计进一步优化。

3  实验效果与反馈

实验效果的评价包括主观评价和客观评价两部分。主观评价来自课堂气氛和学生学习热情，在实际教学活动中能够感受到学生兴趣浓厚，课堂讨论热烈，独立动手进行实验的意愿高，能够高质量完成实验，程序代码规范。大多数学生能够独立完成实验，掌握单片机定时器使用与步进电机的控制。教师在验收成果时，学生的实验难度不同，代码效率不同，但只要是学生独立设计的，都应该给予鼓励。针对学生实验具体情况提出改进意见，让学生对自己的设计进行改进与完善，挖掘学生潜力。学生的思维活跃，可以设计出更加丰富的功能：有的學生设计了无级调速；有的学生利用扫描键盘作为输入；有的学生用外部中断引脚加微动开关作为触发输入；有的学生给电机控制加上状态指示灯；有的学生模拟汽车实现加速与减速等。以学生完成实验时间作为客观评价。

定时器与步进电机实验课是四个学时（180分钟），以19级2班为例，对学生完成该实验的时间进行统计。如图3所示，54人在180分钟内能够完成实验，另外有六个学生需要时间大于180分钟。大部分学生能够在规定时间内完成实验，说明实验内容充实，实验难度合理，能够达到本实验课程的目的。

4  结论

基于OBE理念的单片机实验教学改革与探索，阐述定时器与步进电机实验的教学设计，围绕学生需要取得哪些学习成果、如何帮助学生取得成果，由教师在实验课程中导入前序基础课程的知识点，将知识点的应用分解在实验要求中，用工程实践方法步骤规范实验；同时，留给学生设计空间、扩展空间，引导学生独立动手、循序渐进完成实验设计。实验教学效果良好，实验课堂气氛活跃，实验报告质量显著提高，有助于提高工程教育质量，培养重理论、重实践的“双重”人才，对电子信息类专业实验课程教学工作有一定借鉴意义。

5  参考文献

[1] 王玮，高飞.电子信息类新工科人才培养体系构建[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2022（7）：10-12.

[2] 威尔迪.电机、拖动及电力系统[M].6版.潘再平，杨莉，等，译.北京：机械工业出版社，2016：337-343.

[3] 李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34，70.

[4] 廖勇，周世杰，汤羽，等.面向新工科的软件工程专业核心课程体系建设[J].高等工程教育研究，2022（4）：10-18.

[5] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2018：397-398.

[6] 阎石，王红.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2016：261-263.