_开放_自制_开发_一体的单片机实践教学创新研究

1、2009年第8期上(总第79期)“开放自制开发”一体的单片机*实践教学创新研究陈淑洁温州大学 浙江温州 325035摘 要：本论文是根据高校单片机实践教学的现状和单片机实验与开放系统的流程与功能，以“开放-自制-开发”为核心实现资源整合和流程再造，把学生实践能力与实践教学流程相融合，试图获得一个流程完整、成本低廉、效果良好的单片机实践教学模式。关键词：开放 单片机 实践教学随着信息技术的飞速发展，在过去几年里，无论是国内还是国外对具有创新能力的实践应用型人才的需求量越来越大，要求也越来越高，促使大家更关注实验实践环节，特别是电子类专业更需要突显实验实践的特点。电子类实验室的设备和实验内容也在快

2、速的更新，对学生的理论知识体系和实践操作技能的培养提出了更高的要求。学生能力培养和学校实验实践环境建设的矛盾也越发凸显。如何保持实验教学的可持续发展和先进性，这是电子类实验室所面临的一个巨大挑战。现有国内高校主要采取实验室的开放，综合设计性实验的开设为主来解决学生实践能力的培养。大家逐步认同实验室的开放，综合设计性实验比例的提高成为一种趋势，近年自制仪器开发的提出也为提高学生创新能力，激发实验教学的活力提供新的途径，同时高校的社会服务功能也要求实践教学能面向市场为社会服务。如何针对单片机实验实践的特点构建一个完整的实践教学模式就是本论文讨论的重点。多数局限在实验和管理层面的探讨，要完成学生能力

3、的培养和实验实践体系的建设还存在很多困难。比如经费的投入，包括硬件投入和实验建设，由于单片机实验系统价格较高，同时设备的更新较快使硬件投入较大，实验建设包括设计、综合性实验的开设往往通过实验教改和开放实验项目来进行投入，也因为各项目比较孤立无法形成有效能力培养体系。作者通过多年单片机实验建设、实验教改项目与实验开放项目的实施，以及单片机应用系统的开发，根据温州大学单片机实践教学的实际情况，提出了“开放自制开发”一体的单片机实践教学的模式。我们把单片机实践教学分为三个阶段，同时这三个阶段也是教师对单片机实验实践系统建设和改进的不同阶段。这三个阶段针对培养不同年级不同水平学生的不同实验实践能力。具

4、体如表1所示：表1 “开放自制开发”一体的单片机实践教学改革模式一、“开放自制开发”一体的单片机实践教学模式的实现目前对于单片机实验实践的研究往往比较孤立，大1.“开放”阶段收稿日期：2009-05-31作者简介：陈淑洁,硕士,实验师。*本文系温州大学校级实践教改：实验室开放模式与管理机制的探索与研究（项目编号：08SJ02A）。依托实验开放项目的“开放”阶段是“开放自制开发”一体的单片机实践教学改革模式的第一个阶段，它为单片机实验和实践准备基础实验实践环境,同时也是一个重要实践环节,温州大学的实验开放项目的E-1012009年第8期上(总第79期)设立是为了充分发挥实验室的资源优势,促进实验

5、教学改革，改善和改革高素质创新人才培养的新机制而实施的工作。通过教师立项,学生参与并获得实践学分。实验开放项目贯彻“面向全体、因材施教、形式多样、讲究实效”的原则,重点培养学生的创新意识和动手能力1。在2006年以前，我校现有单片机实验室选用的是厂家提供的实验系统，该系统虽然功能完善，但是一个纯教学的系统，系统封闭，与市场单片机的开发模式相脱节，而且数量有限，而电子信息学生人数众多，即使在实验期间也只能一周实验一次，大大限制了学生的实践机会，影响了其学习的自主性。基于学生实验实践的需求，和设备投入经费的不足等原因，作者借助2006年学校实验室开放基金的资助，获得了“基于C51的学生课外单片机学

6、习实验系统开发”的实验室开发项目，10多位学生在指导老师的指引下，开始自己动手设计制作自己的单片机实验系统。设计的系统硬件电路包括单片机及其I/O接口，RS-232-C接口，存储器，显示，键盘，A/D转换，D/A转换硬件功能基本满足了学生实验的需求，又采用开放式电路设计，所有的资源都是开放的，有助于学生真正理解其内部结构及原理，方便学生在原有的电路基础上，设计自己的应用系统。可以通过仿真器进行在线调试，支持Keil C51编译。加上其制作成本低，完全可以在校园中推广使用，使每一个电子信息专业的学生都可以拥有一个自己的单片机学习实验系统。单片机基础实验系统的学生开放项目已经形成一个良好的循环与发

7、展，学生的单片机基础实验所用的实验板，已经解决了自给自足，节省了实验经费，除了600多学生在实验、实践中使用，还有效提高了学生动手能力，使学生在电子竞赛、毕业设计中获得很多提升。2.“自制”阶段为了进一步完善单片机综合平台的性能，能够提供更多的实验功能，使它升级为一个应用开发平台，成为一个功能更齐全的单片机实验系统，为学生提供更多的功能实验，向自制实验仪器方向发展，单片机系统平台获得了学校自制仪器专项认可。利用项目资助和学生的参与，从设计实验项目，到系统设计，从硬件实现到软件实现，使学生对实验和实验系统有了更深的了解。系统设计以MCS51系列CPU进行系统扩展，将8x8点阵、RAM、PWM、L

8、CD、FLASH、温度传感器、数字时钟、看门狗、电机驱动、串行显示键盘等模块集成于一体。但是各个模块之间是独立设计的，采用统一编址的方式，不同的功能模块间有不同的地址。这样就避免了模图1 系统的硬件结构框图自制的单片机实验系统平台既是一个功能完整的实验系统平台，又是一个开发应用平台，它具有以下特色：(1)外围芯片丰富，功能完善，保留原C51实验板的一些必要模块外，硬件电路还包括8x8点阵、RAM、PWM、LCD、FLASH、温度传感器、数字时钟、看门狗、电机驱动、串行显示键盘等。(2)采用开放式电路设计，所有的资源都是开放的，有助于学生真正理解其内部结构及原理，方便学生在原有的电路基础上，设计

9、自己的应用系统。(3)可以通过仿真器进行在线调试，支持Keil C51编译。(4)大部分模块采用统一编址，减少了连线。使用跳线，简化了连线。与单片机基础实验板相比，同样采用完全开放式的设计，弥补了学生在后序课程电子器件所学到的一些外围器件，如LCD、DS18B20、FLASH等的实验环境。摒弃了使用焊接的电路并完成实验的弊病3。本实验系统平台的自制也从设计、生产、制作等方面提高学生实际动手能力。学生完全可以根据提供的完整的PCB图，按实际的需求量制作电路板，根据提供的技术资料，学生完全可以自己收集器件、焊接、调试，亲自体验制作的过程。3.“开发”阶段单片机因其价格便宜，性能稳定被广泛地应用在工

10、业以及民用产品中。单片机应用具有广阔的市场空间，单片机系统成为高校教师特别是电子类学科教师社会服务的一个途径，而伴随教师的科研，参与教师科研也是培养学生连接社会，积累经验的一个很好的途径。所以高校学生通过毕业论文和教师课题项目的锻炼，能使创新能力，独立思考和动手能力得到培养。而单片机实验系统平台正是为单片机的应用开发提供平台支持，同时单片机实验系统平台的开发过程也为单片机应用开发提供人员的能力储备，这不仅是针对学生还包括教师。块之间的干扰，同时，模块之间可以协同使用2。系统硬件结构布局如图1所示：102et2009年第8期上(总第79期)从整体上看，一般单片机应用系统的开发基本上可以分为上下位

11、机两部分，上位机是单片机或嵌入式处理器构建的平台，下位机数据采集模块主要由单片机实现。上位机主要负责数据处理、显示、记录、存储、追忆、数据转存等功能。下位机则主要负责信号采集，调理，并发送数据给上位机。两者通过RS-232通讯，当每个通道模块与上位机通讯时必须先验证通讯协议后，才能进行。结构如图2。径。2.充分利用学校各种项目的支持，把项目支持与单片机实验实践系统开发相结合，有效利用资源。3.系统开发和利用与实验设备自制相联系，即有利于形成实验设备和实验项目更新机制，又有利于实验设备经费投入的节省。4.提供学生实践机会与实验设备系统开发相结合，开辟一条新的实践途径，把学生的能力培养与实验建设相

12、结合，人力资源与设备资源充分利用。该实践教学模式的研究能够解决现有单片机实验室实验内容与教学重点的相脱节，实践教学与学生技能培养相脱节的问题，能够寻找一条缓解电子类实验室由于设备更新频繁所造成的资金负担，能够缓解学生实验实践操作能力滞后于市场对电子类学生技能需求的问题，图2 单片机应用系统结构图同时为教师提供研究开发的广阔空间。使学生通过校内的实验实践环节就能够体验类似于企业的研发制作环节，积累开发经验，真正经历“学会掌握研发应用”这个电子类知识技能培养的完整过程。有效的支持了教师的实验教学改革，使实验内容的不断更新和创新成为可能。二、“开放自制开发”一体实践教学模式的特色与创新其实在实践教学

13、模式的探讨中，大家所关注的点都是我们实验实践所经历或将要经历的，这几年实验教学的改革和实验室出台的新政策也都是围绕这几个方面。“开放自制开发”一体实践教学模式，是根据单片机系统特点，结合实践教学的各项措施，以一个整体方案来解决单片机实验实践问题及其学生能力的培养，如图3所示：三、结束语单片机的实验实践教学是所有电子类专业所面临的一个共性问题，本论文就是希望可以把综合设计性实验的开设，实验室的开放，实验室开放项目的实施以及教师的实验教学改革等部分通过自制仪器的研发联系起来形成一个整体。以“开放-自制-开发”一体作为特点尝试单片机实验实践教学的改革，希望用一个具有开放性的实验开发台替换原来封闭结构的实验台，支持教师实验教学改革中实验项目的更新，同时又成为下一届学生继续综合设计的基础平台，下一届学生又可以根据现有电子技术的发展开发出更多的功能满足新的实验需求，图3“开放自制开发”一体的单片机实践教学模式示意图我们的实验室也经历了实验室开放，实验室开放项目的基金资助，综合性设计性实验的开设和发展，自制仪器的开发和应用，经历过一个循环的实践和