輪機工程專業“單片機原理及應用”課程教學改革

黃玉燕

(集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

隨著電子技術的發展，現代船舶日趨走向高度自動化，船舶動力系統及維持船舶運行的各種電氣設備系統的管理和參數檢測大多實現以計算機控制技術為基礎的自動化控制。計算機控制技術已成為輪機工程專業不可或缺的專業基礎課，是學生學好“輪機自動化”課程必要的前導課。目前相關院校的輪機工程專業的計算機控制技術多以“單片機原理及應用”作為課程講解，該課程屬于硬件基礎課，其本身的特性決定了課程內容之間相對獨立、知識點零散且內容枯燥。要真正理解計算機控制技術，需要在“單片機原理與應用”課程中學習較多的硬件基礎知識，在芯片級上理解電路間的工作原理。該專業雖然不需要學生掌握編程技術，但計算機控制技術中，硬件技術和軟件編程不是相互獨立的，為了講解芯片的應用技術又必須用到編程語言。作為專業基礎課該課程往往課時不多，集美大學輪機工程學院目前的課時是40學時，在這短短的課時內還要堅持理論與實踐并重，才能真正符合專業的需要。如果以傳統的教學方法，沒有對教學方法和教學內容進行必要的改革，這門課總是讓學生覺得很難，甚至不知所云，這會給學生后續專業課的學習帶來相當大的麻煩。為此本文從專業的角度出發提出該課程的教學改革方案。

一、制定合理的教學大綱，優化教學內容

教學大綱體現了教學目標要求，以綱領的形式規定了教學的計劃和任務，是教師教學的指導依據，在課程中起著極其重要的作用。集美大學輪機工程學院本著以專業要求為指導方針，征求了具有豐富船上實踐經驗的輪機員和專業課程教師的意見，了解輪機工程專業在實踐中對該課程的具體要求，從專業實際需要出發，對該課程教學內容進行優化并調整了教學方向，制定了新的教學大綱。與以往有很大不同的是，新的教學大綱大幅提高了實踐教學在課程中的比重，著重強調了該課程以實踐為基礎的教學模式。大綱基本體現了該專業的崗位性和應用性的特點，強調實用性、實踐性。因為該專業的學生學習這門課不是以研究和開發計算機技術為目標，重點是理解計算機技術在船舶機艙各個系統模塊自動控制中的作用，教學目標以夠用為度。新的教學大綱將重點放在專業實際應用中涉及的原理、通用性較強的接口電路上，根據實際應用情況簡化了芯片內部結構電路原理的教學，側重點放在芯片的外部特性和應用上，增加了實際訓練，強化應用，以實際操作理解芯片本身的工作原理及信號在芯片之間傳送和控制的原理。為學生理解船舶機艙參數自動控制系統的結構原理奠定必要的基礎。

二、加強課堂教學，改進教學方法

課堂教學是很重要的過程，是實現教學目標的主要途徑。課堂教學方法是否合理，在很大程度上決定了教學效果的好壞，決定了教學目的能否真正實現。

1.激發學習興趣

課程開始第一次課精彩的開場是非常重要的，需要向學生介紹該課程在所學專業領域上的應用情況。對于輪機專業可以舉一些船上的實例，如以燃油黏度或柴油機冷卻水溫度控制系統等為例，以專業項目為導向對單片機控制技術作與專業相關的介紹，說明本課程是專業的重要基礎。同時通過單片機在現實生活和工業控制中的廣泛應用進一步說明單片機應用的普遍性，如果能對該課程融會貫通，實際上是掌握了一門通用性技術。通過實際案例和精心準備的相應圖片資料引起學生的興趣，激發學生學習的積極性。

2.以應用為教學主線，以仿真演示促進課堂教學

單片機課程都是按照“結構”“指令”“編程”“擴展”及“接口”的體系來組織。只有在課程即將結束時才有涉及單片機應用系統，而此前的學習目標不明確。如果在教學中按照教材順序孤立地講授各個模塊知識，必然會讓學生覺得內容抽象、空洞，甚至學不下去。為了解決這個問題，教師需要改進教學方法，將單片機的應用作為主線貫穿始終，在講授每一硬件模塊知識時，與該模塊在專業上的實際應用相結合。同時為了使學生能夠在課堂上有直觀的感性認識，教學中采用Proteus軟件仿真演示是一種很有效的方法。

Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，它可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM7等常用的MCU，支持多種常用外圍器件，提供多種虛擬儀器儀表，能對匯編語言編寫的源程序代碼直接編譯并仿真調試［1］［2］。教學中可以利用該軟件對專業上的案例進行仿真，達到生動形象、直觀的效果，使教學內容不再枯燥。以船舶上鍋爐水位控制系統為例，船舶鍋爐水位通常要求控制在一個范圍內。

圖1 船舶鍋爐水位控制單片機仿真

如圖1在鍋爐中放置三個電極A、B、C，鍋爐運行時要求水位控制在電極B和C間，電極由導線引出，B和C電極有水時，則其相應的引線上電位為高，無水時其電位相應為低電位。水位信號的這種變送方法學生很容易理解，高低水位信號分別從單片機的P1.7和P1.0引入，Proteus仿真時，可以用右圖電路中的開關S1和S2合、斷模擬電極B和C處無水、有水兩種情況，P2.0輸出高低電平控制直流電動機的轉和停來模擬對水泵的控制，在Proteus應用軟件中編寫相應的匯編指令，然后直接編譯后加載到圖中的AT89C51單片機中，課堂演示時通過任意按動S1、S2，可以讓學生很直觀地看到［3］當水位在電極B和C間時，電動機工作狀態維持不變;水位低于電極B時，電動機啟動轉動，模擬了水泵開始打水的工作;水位高于電極C時，電動機則停止轉動;如果S1合、S2開(相當于低位電極處無水，高位電極處有水)仿真系統通過P3.3輸出報警且控制電機停轉，表示系統出錯了。這個仿真實驗可以很清楚地講解單片機的結構以及各個結構模塊的作用，又與其所學專業相結合，給課堂教學帶來很好的效果。

對于每個教學模塊都制作了幾個相應的仿真演示，演示的項目仿真輪機專業上的控制案例，還將仿真演示的圖和編程都提供給學生，讓學生可以自己在課后對仿真項目進行操作、調試，這往往會引發學生的興趣，同時對學生理解課程方面起到很好的作用。［4］

三、強化實踐教學

多數院校的單片機實驗室都配備了單片機實驗箱和相應的實驗說明書，說明書為單片機課程的每個章節配備了一些驗證性的實驗項目，并提供了相應的實驗電路圖和實驗程序清單，程序固化在實驗箱的ROM芯片中。這些程序多數比較長，因為該課程對于輪機專業的學生應以硬件特性為主要內容，編程內容很少，自然對長的程序難以看懂，所以學生在實驗室往往會直接將ROM中的程序調出，實驗結果馬上出來而且完全正確，但其實際效果很差，很多學生根本不知道實驗的原理和實驗說明了什么。為此，根據專業的需要，教學中調整了實驗內容，主要采取了以下措施。

1.將教學引入實驗室

有些教學環節直接在實驗室完成，教師將教學內容所需的仿真用Proteus做好后通過投影可以很好地講解，學生利用實驗箱用真實的硬件構成實驗項目，老師講解的同時學生動手，碰到問題學生很快就能理解是為什么，大大促進了學生對課程原理的理解。

2.開設適宜的實驗內容

不采用實驗箱原有的配套實驗，根據專業的需求，自編實驗教材，開設一些難易適當的實驗，如簡單的定時器、計數器、接口、中斷實驗，設計所需編程很少就能實現的實驗。實驗教材只是給學生提出問題，提供解決問題的思路，起到啟發作用，但不給出具體的電路和編程，讓學生自己設計，并且通過實驗調試中的單步運行和設斷點運行可以很好地理解具體的控制原理。通過兩屆學生的實踐，多數學生能在規定的實驗課時內獨立完成實驗，收到良好的教學效果。

四、結 語

根據課程在專業應用上的情況適時修訂教學大綱，修訂后的大綱體現了淡化原理、注重實用的特點，使課程教學內容符合專業的需求。同時利用多功能的計算機軟件作為平臺改善教學方法，使該課程體現了內容直觀、透徹的特點。課程設計上積極地引導學生學習“單片機原理及應用”的熱情，通過調查課程改革后的兩屆學生對課堂教學效果的反映，與以往的情況相比較，結果表明這種改革是卓有成效的，顯著改善了課堂的教學效果。教學改革是一項長期而系統的工程，需要不斷的探索與實踐，不斷改善教學方法，提高教學能力，這還需要我們不斷地付出艱苦的勞動。

［1］候玉寶，陳忠平.基于Proteus的51系列單片機設計與仿真人［M］.北京：電子工業出版社，2008：11-27.

［2］伍馮浩，謝 斌.基于Proteus與Keil的單片機實驗教學改革［J］.實驗室研究與探索.2009，28(7)：125-127.

［3］林志琦.基于Proteus的單片機可視化軟硬件仿真［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006：50-85.

［4］高 博，周 婷.“單片機原理及應用”課程實驗教學改革［J］.中國電力教育.2010(1)：153-154.