新形勢下車用單片機課程的教學與就業間的銜接

摘要本文從車輛工程專業的角度，結合專業特點探討了單片機課程的教學與實驗平臺建設，深入研究與總結了已經取得一定教育教學成果的就業導向型教學、試驗方法和考核方式。

關鍵詞 車輛工程 單片機 教學

中圖分類號：G718.5文獻標識碼：A

The Join About Education and Employment of Singlechip Course

Based on Vehicle Engineering Under New Circumstances

WU Gang

(Department of Vehicle Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu 211167)

AbstractThis paper from the angle of vehicle engineering， combine with its professional characteristics to discuss the course teaching and experimental platform construction of singlechip course， in-depth research and summarize employment orientated teaching， experiment method and examining ways of education teaching that have been received certain achievements.

Key wordsvehicle engineering; singlechip; teaching

前言

安全、環保、節能、智能化與信息化是汽車的總體發展趨勢。與這些要求相適應，汽車電子化的趨勢越來越明顯，電子半導體在汽車成本中所占的比例也越來越高。由于我國自身是能源緊缺性國家，近年來國家大力推進新能源汽車的研發與市場普及，其中尤以電動汽車為主要的發展方向。國內自主品牌比亞迪汽車研發出擁有自主產權的雙模電動汽車，日本豐田汽車公司宣稱在2011年全面向中國市場推進電動汽車①戰略。無論是傳統汽油機車、還是新型電動汽車，扮演電控模塊的核心元件都與單片機緊密相關。尤其在車輛工程專業教學環節中，各高校均將單片機作為一門核心專業基礎課引入教學體系中。為適應汽車電子化與電動汽車發展的新潮流，研究如何進一步地提升車用單片機課程的教育成效、增強教學對就業的促進作用已經成為當前一項緊迫的時代任務。

1 車用單片機課程教學應突出的專業領域知識

我國各重點大學、普通高校和高職高專院校均開設有單片機原理課程，且該課程的教學涉及到多門學科，諸如：計算機、通訊、自動化、機械和電力等。做為一門專業基礎課，單片機擁有一些跨學科的共性特征，例如：匯編語言的編程特點、CPU及中斷、定時/計數器、典型接口芯片與存儲器擴展等；但是不同學科自身的教學重點相差很大，因而各學科單片機教學的目標與方向有所側重。除了傳統單片機基礎知識部分應講授的典型環節，車輛工程專業中單片機應用部分應結合本專業知識特點穿插進行實例講解，盡可能地利用單片機這個橋梁銜接本專業較為前沿與實用的業務知識，讓學生的視野由計算機基礎知識向專業縱深進一步地延伸，為學生在將來的工作中奠定良好的技術基礎。為此，車用單片機實例教學中可以進一步地突出以下主要內容：

1.1 車輛自動變速智能控制單元

車輛傳動系統的自動化及智能化是工程車輛的發展方向，自動變速電子控制系統的設計和開發是工程車輛實現機電液一體化控制的重要前提。車輛機電控制系統是在不改變變速器內部結構的基礎上，以液壓系統為換擋執行機構，以單片機為控制核心實現車輛擋位智能控制的自動變速系統。為理解工程車輛自動變速智能控制系統，需要學習傳動系統的自動換擋規律和自動變速智能控制的系統模型，并掌握與控制要求相匹配的單片機調度控制算法。

1.2 混合動力/電動汽車蓄電池電控單元

電動汽車和混合動力汽車具有排放低、節約能源等特點，它們的技術成熟度與市場推廣與微電子、計算機、機械、材料等技術的發展緊密相關，而蓄電池的性能及成本控制成為其中關鍵性的技術。目前電動汽車中應用的蓄電池主要由多個單體電池串聯組成，單體電池間的充放電性能差異較大，為了防止電池出現過充、過放及溫度過高等問題，實施對各單體電池的均衡充電和放電以延長電池的使用壽命和降低成本，特別是可以提高蓄電池的可靠性。單片機以其體積小、功能全、價格低等特點在汽車的各種電子控制單元的開發中一直是開發者的首選控制元器件，因此理解并掌握基于單片機的電動汽車蓄電池電控技術成為一項重要的教學內容。

1.3 電動車智能儀表

電動汽車的運行參數與傳統的內燃機汽車有很大的區別，電動汽車行駛中需要增加對車載電機及蓄電池性能參數的實時檢測。傳統的車輛儀表系統對車輛行駛參數僅具有顯示的功能，無法進行自動記錄、存儲、分析，而且原始參數的保存困難﹑后期的數據處理工作繁瑣。學習利用單片機對實時采集數據進行二次處理，獲得傳感器不能直接采集的車輛運行參數，通過單片機這個控制核心系統地學習車載液晶或數碼管動態顯示技術。

1.4 發動機油門控制系統

油門執行器與發動機油門相連來控制其油門位置，發動機在不同的油門位置時發出的功率不同，直接影響著發動機扭矩和轉速輸出，這對于發動機的轉速調節是一個重要的環節。油門執行器恒定位置控制需要有很好的穩態和動態調節特性，基于單片機的汽車發動機油門閉環控制系統不僅驅動與保護效果良好，而且控制精度高﹑實用性強，該類型的電控系統只需改變主回路供電電源的電壓和功率，就可以推廣應用到需要較大功率的油門控制系統中。該部分內容的教學集成了汽車構造﹑單片機和控制理論等幾門主干課程的綜合要素。

1.5 車輛性能參數智能檢測

車輛性能參數檢測需要對左右前后軸重、制動力、側滑量、燈光照明度、煙塵和廢氣排放量等參數進行動態測量。現在常見的機動車輛性能檢測使用獨立的參數測試儀，需要用多人操作使用側滑儀、燈光測試儀、軸重制動儀、廢氣測試儀等儀器進行車輛性能檢測，從而導致檢測人員工作勞動強度大，檢測結果準確度差、效率低。隨著半導體技術的高速發展，各種工程車輛檢測設備都朝著數字式、智能化和多功能方向發展，理解并掌握以單片機為核心的車輛檢測系統顯得尤為重要。

2 車用單片機實驗平臺的建設

專用的車用單片機實驗平臺與通用型單片機實驗室的建設之間有明顯區別。由于教學目的的針對性不同，因而實驗設備的配置也各自有所側重，下面介紹幾個典型的車用單片機實驗平臺。為了適應全球汽車市場的高速發展以及汽車電子化比例的不斷提高，于2004年開始車用電子半導體器件供應商飛思卡爾公司持續地為汽車電子系統提供全范圍應用的單片機、模擬器件和傳感器等器件產品系列，其系列產品適用于車輛動力傳動系統、安全系統、底盤控制系統、駕駛員輔助駕駛系統、車身控制系統和信息娛樂等汽車電子應用系統。日本NEC電子也于2004年開始推出汽車專用單片機系列平臺。2004年7月，國內的北京理工大學摩托羅拉單片機及汽車電子開放實驗室(BMTC)正式成立。該實驗中心②以車用單片機和電子技術教學為基礎，面向高速發展的國內汽車電子市場，盡可能發揮傳播汽車電子知識與培養新型汽車人才的開放基地作用。

就目前國內高校的實驗教學來說，車用單片機教學的實驗平臺不應繼續共用或延用通用型單片機實驗室的設備，各高校可以結合自身培養方案選購到合適廠家品牌與功能的基礎試驗平臺，有條件的高校也可以在購進的基礎試驗平臺上進一步地開發出各自的仿真或分支實驗裝置，以滿足正常教學與科研的用途。

3 新形勢下以就業為導向的車用單片機教學思路探討

單片機作為一門應用性極強的課程，應當拋棄填鴨式的教學方式，在教學過程中重點在于引導與調動學生的自主能動性，首先要讓學生充分地認識到單片機的作用，只用這樣才能最大限度地激發學生的學習興趣；其次，教師須結合車輛工程專業的知識要點與單片機的相應章節來進行復合式教學，這樣才能有的放矢，避免空洞與泛泛之談，既讓學生學習到單片機的基礎知識又進一步地加深了對專業知識的理解。我校車輛工程系組織師生連續三年參加“飛思卡爾杯”全國大學生智能車競賽并取得好成績。在學生找工作就業過程中，參賽的學生尤其受到用人單位的面試加分更是說明了單片機教學與實踐的重要性。下面結合自身的教學實踐，談談車輛工程單片機教學中的一些體會。

3.1 示范教學法

在實際教學過程中，示范教學法并不排斥傳統的講授式教學，應按照實現教學目標的實際需要選擇適當的教學方法。在課程學習的難點階段，教師可以應用示范教學法進行講解，通過教師的講授與示范操作，讓學生獲取基礎知識與基本技能，例如在車輛自動變速器的教學方面可以采用示范教學法。目前廣泛使用的汽車自動變速器主要為液力行星傳動變速器，行星傳動機構不同于普通的定軸式變速器，定軸式變速器可以將變速器殼體剖開觀看其結構和傳動路線，而液力行星傳動變速器在運轉時無法查看其結構和傳動路線，拆剖箱體時又無法觀看其傳動路線和工作原理。目前相關資料也僅有一些廠家的內部維修材料介紹，一般學生很難理解其結構與工作原理。而對于課堂教學來講，由于沒有合適的教具和教學資料，學生對于自動變速器的理解與感知只能停留在書本層面。而通過示范教學法在實驗教學板上用單片機控制發光二極管和數碼管，將汽車自動變速器結構及換擋油路動作原理展示出來，將復雜的結構形象化和直觀化，使得在講授自動變速器過程中，能詳細演示各元件的動作過程。通過演示換擋原理，讓學生能夠更清楚地理解自動變速器的換擋過程及工作原理，為日后學生在這一部分的工作儲備良好的技術基礎知識。

3.2 任務教學法

任務教學法強調以學生為中心，而不是傳統的以教師為中心，重視學生的主動性和積極性在學習過程中的作用，重視學習情境的設計，以任務為核心驅動學習，設計自主學習策略。學生在了解單片機控制系統的設計流程后，就可以采用任務教學法。例如在進行數碼管顯示﹑實時數據采集與串行通信等內容教學的時候，可以結合車用智能儀表的開發與設計來完成教學。教師可以給出車用智能儀表要求的各項輸入及輸出參數，讓學生參與硬件設計與仿真程序的編制，以車用智能儀表的開發為任務驅動與調動學生的自主積極性。通常該方法可以在課堂教學或實驗教學中進行，以避免空洞的教學內容講解，充分地激發學生的學習興趣與探知欲望，進一步地培養學生對本專業的技術熱情以達到事半功倍的教學效果。

3.3 項目教學法

經過近一個學期的課堂與實驗教學，在課程學習的末期或課程設計階段可以采用項目教學法進一步地激發學生的學習潛能與創造力。教師通常應給出每一個項目要求達到的基本功能，而留出項目功能完善和功能擴展的空間，讓學生可以自由發揮與創新。對于車輛平臺下的項目選取應當注意以下幾點：（1）緊密結合車輛專業知識平臺，項目的選題最好貼合學科前沿，例如新能源汽車或智能車輛工程檢測。（2）為了綜合實訓的成效應避免單純的軟件仿真，最好選取軟硬件結合的項目。（3）保證項目小組成員的工作量合適。整個項目流程最好包括以下圖表：項目實施時間表﹑系統的硬件原理結構圖﹑元器件清單﹑軟件框圖與流程圖﹑綜合調試報告和項目評測報告等。教師在布置項目任務時首先應進行項目的任務分工，并且介紹項目實施過程中所涉及到的技術要點，指導學生們制定具體的項目規劃。在項目實施過程中，可以由學生確定各自任務間的銜接方式，并按照確立的工作流程進行具體工作。在項目的實踐過程中，教師首先要讓項目小組成員理解項目的目標任務，再指導學生進行單片機的選型、存儲空間配置、傳感和驅動元器件的選取與定型﹑硬件原理圖與印制板圖的繪制、焊接調試電路板、代碼的測試和軟硬件系統的綜合集成調試等環節。建立在具體項目實施基礎上的教學任務過程既是學生學習實踐的過程，也是培養興趣與獲取具體技能的過程。在學生設計電路、焊接元器件、編寫代碼、系統調試及故障排除的過程中，通過項目教學法得以培養起學生的操作技能、學習與創新能力、項目執行能力和團體分工合作能力。學生成功地完成課題項目既是單片機課程學習的階段性終點，又是今后畢業設計與工程應用的起點。

通過示范教學法﹑任務教學法和項目教學法的綜合教學實訓，使得學生具備獨立分析問題﹑解決實際工程課題與開發單片機應用系統的能力，同時在課程的考核方面要加強實驗與課程實訓成績所占的比重，建議占總成績的比重可以由傳統的20~30%提高到40~50%，從而促使學生的學習思維由被動的接受知識向主動的學習實踐轉變。另外值得注意的是電子技術與車輛工程發展迅速，教師自身需要不斷加強業務學習與科研能力的提高，只有通過教師參與科研來反哺課堂教學，才能真正地為教學源源不斷地帶來活力與前沿業務知識。

4 結論

單片機技術課程是一門應用性很強的專業課程，隨著數字電子技術的快速發展以及新能源汽車的大力推進，這為單片機課程內容本身添加了許多新元素。這就要求教師需要不斷更新課程內容，提高與改進傳統教學與實驗方法，緊扣專業特點與工程前沿深入淺出地進行教學。在課程教學中始終圍繞學以致用的教學目標，以時代發展的眼光培養新型設計與應用型人才，注重學生實際軟硬件設計與動手能力的培養，利用單片機等一切可用資源在教學與科研﹑就業之間，為學生們搭建起一座有效的橋梁。

基金項目：江蘇省高校自然科學研究項目-采用非線性時序分析的軌道車輛轉向架運行狀態辨識，項目編號09KJB580002

注釋

①廣義的電動汽車包括純電動汽車(EV)、混合電動汽車(HEV)和燃料電池汽車(FCV)三種形式。

②該實驗室是摩托羅拉亞太區半導體部與北京理工大學聯合組建的單片機及汽車電子教學中心。

參考文獻

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