基于自主学习的单片机实践教学平台设计与应用

引 言

单片机是高等教育工科电类专业学生必修的一门专业基础课，它既有自身的理论体系，又有很强的实践性 [1-2]。在讲授该门课程时，往往采用理论教学与实践教学相结合的教学方式，其中前者为后者提供必要的单片机理论支撑，后者通过系列实验验证单片机理论的正确性，两者相辅相成，使学生深刻理解单片机基础知识及熟练掌握单片机应用系统开发技能。

1 单片机实验开展方式及问题分析

受高校办学理念、人才培养计划与硬件设备条件等因素的影响，目前国内高校在单片机实践教学方面一般采用实验箱 / 实验板、虚拟仿真或自制设备等教学方法 [3]，其中具体情况及优缺点分析如下 ：

(1) 实验箱 /实验板。采用专业仪器设备公司提供的单片机实验箱 / 开发板，具有软硬件平台稳定、课程资料齐全、售后技术支持等优势，教师备课及上课较轻松，学生上实验课时往往只需把例程调用出来运行一遍即可，是目前单片机实践教学采用最广泛的一种教学方式 [4]。但因其硬件资源的有限性及固定性，该教学方法更适用于单片机验证性实验， 实验创新性、综合性与扩展性不强。

（2）虚拟仿真。采用专业的单片机系统仿真软件（如proteus）能实现单片机及其外围电路的共同仿真 [5]，具有成本低、易于维护、不受硬件资源限制、扩展性强等优点，适用于实验场地有限或实验经费缺乏的学校。但因仿真只是单片机系统理想状态下达到的效果，而在实际应用中单片机系统会受到外界的各种干扰，该方法较容易导致学生仍停留在单片机理论层面上，动手能力仍缺乏，往往达不到单片机实践教学预期教学效果。

(3) 自制设备。由学生把单片机和其他外围元器件焊接在万能板上，学生以焊接完成的单片机电路板为实验平台， 完成课程要求的系列实验内容 [6]。该方法能充分发挥学生自主学习的积极性，最大化发挥学生的实验技能，对培养学生的实际动手与创新创造能力起积极作用。但因每个班级学生的整体水平参差不齐，往往导致学生所焊接的单片机电路板质量差别较大，部分焊接技术及硬件功底差的学生，他们焊接完成的电路板往往存在较多硬件问题，有些甚至无法正常下载或正常运行程序，这无疑直接增加任课老师的工作量， 同时也是对任课老师专业水平和动手能力的新考验。

2 单片机自主学习平台构建

通过以上内容分析，发现目前常用单片机实践教学方法主要存在以下问题，进而影响整体教学效果 ：采用平台稳定的实验箱 / 实验板进行实践教学，学生往往只是把厂家提供的实验程序在实验系统上验证一遍即可，极大限制了学生进行创新实验和自主学习，特别对综合设计性实验，该方法存在的弊端更加凸显 ；采用虚拟仿真软件进行实践教学，学生只是实现了对单片机电路原理图的程序仿真，而缺乏对单片机实际硬件电路的认识与调试经验，不利于提高学生的动手能力 ；采用由学生焊接的自制设备进行实践教学，由于学生专业技能与动手能力差异性较大，容易导致教学效果两极分化，即好的更好，差的更差。

为了充分发挥学生主观学习能动性，提高学生实践动手与创新创造能力，本文充分借鉴目前常用单片机实践教学方法的优缺点，拟在自制设备实践教学方法的基础上，引入自主学习理念 [7]，通过对现有单片机自主设备进行优化，搭建单片机自主学习平台，以降低学生制作单片机实验板的难度。学生在该平台上能根据个人兴趣和能力，自主设计和开展常规性及创新性单片机实验 [8]，既保证了单片机实践教学的先进性与创造性，又使大部分学生能够顺利完成学习任务，从而达到良好的教学效果。

单片机自主学习平台由单片机核心模块及若干个相互独立的功能模块组成 [9-11]，如图 1 所示。

图 1 自主学习平台组成结构图

单片机核心模块 ：主要包括 AVRAtmega48型号单片机、时钟电路、复位电路、下载电路等，从单片机两侧分别引出 2 排扩展接口，用于课内基础性实验连接其他功能模块或课外创新性实验连接扩展模块。

供电模块 ：主要包括 DC 接口、自锁开关、稳压芯片与滤波电路及必要的扩展接口，为整个自主学习平台提供工作电源，同时也为创新性实验外扩模块提供电源。

键盘输入模块 ：包括独立键盘与矩阵键盘 2 种键盘模式，独立键盘包括相互独立的 8个按键，矩阵键盘包括 4行 ×4 列共 16 个按键，分别引出键盘的行、列线，用于与单片机相连，学生在开展自主实验时，可根据自身情况选择其中一种键盘输入方式开展实验。

LED 显示模块 ：主要包括 8 个 LED 及必要外围电路， 将 8 位 LED 输入端统一引出来，用于与单片机相连，能完成单片机基本 I/O、流水灯、外部中断、定时器 / 计数器等实验内容。

数码管显示模块 ：主要包括共阴或共阳的 4 位数码管模块及必要外围电路，将数码管的 4 位位选引脚及 8 位段选引脚分别引出来，用于与单片机相连，能完成数码管显示、数字钟、定时器 / 计数器等实验内容。

LCD 显示模块 ：主要包括 LCD1602 字符型液晶显示屏及必要外围电路，能同时显示 16 列 2 行共 32 个字符，将LCD1602 的 16 个引脚引出来，用于与单片机相连，能完成字母、数字、符号等实验内容的显示。

串行通信模块 ：主要包括串行通信芯片 MAX232 及必要外围电路，用于单片机 5 V TTL 电平到 12 V 电平的转换， 将 MAX232 的 RX（接收端 ）、TX（发送端）与 GND用9 针串口器件引出，并与电脑串口相连，从而实现单片机与电脑的上下位机通信。

音频输出模块 ：主要包括有源蜂鸣器、三极管放大器及必要外围电路，将蜂鸣器正极引出来，用于与单片机相连， 单片机通过置位高电平实现音频输出。

A/D 采样模块 ：主要包括可调电位器及必要外围电路， 将电位器的滑动端引出来，用于与单片机的 A/D 引脚相连， 能完成 A/D 采集实验，如与 LED、数码管或 LCD 等模块结合使用，还能输出 A/D 采集结果。

温度采集模块 ：主要包括数字温度传感器 DS12B20 和模拟温度传感器 LM35D 及必要的外围电路 [12]，将温度传感器输出引脚分别引出来，用于与单片机相连，能实现 2 种不同温度传感量的数据采集与分析处理，如与数码管或 LCD 等模块结合使用，还能输出温度值。

该单片机自主学习平台由 PCB 基板及焊接在板上的元器件组成。平台的 PCB 由笔者设计与绘制，再交付专业 PCB 生产厂家加工完成。PCB 设计图如图 2 所示。参加单片机实验的学生，根据任课老师的要求及自身学习进度，循序渐进， 焊接所需模块，同时完成模块间的连线，然后在搭建完成的平台上开展单片机实验项目。

图 2 自主学习平台 PCB 设计图

3 单片机自主学习开展与效果分析

3.1 实验教学实施

单片机自主学习平台以单片机模块为核心，配以常用接口模块及扩展模块，参加实验的学生按照层次化实验内容教学方法开展单片机自主学习任务。

（1）搭建单片机核心系统，并开展相关实验项目。单片机核心系统主要包括单片机核心模块、供电模块、键盘输入模块、LED 与数码管显示模块、A/D 采样模块等，可完成单片机内部操作、I/O 输入输出、流水灯、定时器 / 计数器、外部中断、键盘显示、A/D 采样、自收发串行通信等基础性实验。

首先，把单片机核心系统包括的所有元器件，按照自上到下， 先低后高的原则焊接在 PCB 基板上 ；其次，根据电路实现原理，将相关元器件的引脚用杜邦线连接起来，并进行电气连接正确性检查 ；最后，编写相关功能程序，编译、下载程序到单片机后，观察程序运行现象，并记录、分析实验结果， 同时根据实验要求修改程序代码，以实现不同的实验效果。

（2）循序渐进逐步完成平台搭建，开展课内拓展性实验。在单片机核心系统的基础上，根据学生自主学习进度及效果， 以功能模块为单位，循序渐进，逐步把蜂鸣器、串行通信、LCD 显示、温度控制等模块搭建完成，并在已有基础实验的基础上开展课内扩展性实验，能分别完成单片机声频输出与控制、上下位机串行通信、液晶显示控制、温度采集与控制等扩展性实验内容。

（3）学有余力，开展课外创新性实验。部分基础扎实与动手能力强的学生，在完成课内规定的实验内容外，还可以通过单片机核心模块外扩部分常用模块，如温湿度传感器、红外热释传感器、超声波传感器、蓝牙、WiFi、GPS定位、ZigBee或 GPRS无线通信等模块，完成相应传感器的采集传输与分析处理，真正做到因材施教，极大地调动学生参与实践教学的积极性，为培养创新创造性人才创造条件。

3.2 实验效果

单片机自主学习平台实物如图 3 所示。

图 3 自主学习平台实物

笔者将该平台及方法应用在本校电气专业的单片机实践教学中，2016—2018 年期间，约 540 位学生使用该单片机自主学习平台进行验证性、综合性与创新性实验。每位学生能根据自身能力与知识构造，自主搭建及完成单片机实验项目， 学有余力的少数同学除了完成任课老师布置的实验任务外， 还能在该平台上开展系列拓展性实验及创新创造性项目。该

单片机能很好地满足不同层次学生的实践学习需求，达到了预期教学效果。

学生应用本文单片机平台开展自主学习后，学习积极性与动手能力明显提高，2018 年间，学生课后申请单片机实验开放人数比往年增加了约 600 人次 ；学生参加创新创业项目及课外科技竞赛（如挑战杯、电子设计大赛等）的人数比往年增加了约 20% ；此外，学生毕业后从事单片机开发工作的比例比往年上升了约 15%。

4 结 语

本文通过在单片机实践教学中引入自主学习，采用层次化内容教学方法，由学生独立地对单片机实验内容进行分析、探索、实践、质疑和创造等方法来实现学习目标，不仅实现了以学生作为学习主体，满足了不同层次学生的学习需求， 真正做到因材施教，还使学生由被动学习变为主动学习，显著提高了学生整体的动手能力及单片机整体实践教学效果。