從大學生電子設計競賽探討單片機實踐教學改革*

邱思杰

（三明學院 福建 三明 365000）

電子競賽是國家教育部發起的全國普通高校四大大學生群眾性科技競賽活動之一，具有非常廣泛的影響力和號召力。大學生電子競賽不僅全面推動了創新型人才的培養，而且促進了全國普通高校電子類專業教育教學內容的改革和課外實踐教學改革。從2005年參加電子競賽以來，我校大力鼓勵和支持學生積極參與全國性和地方性的比賽，盡管取得了一定的成績，但仍反映出一些問題，最明顯的是理論教學與實踐環節脫節問題。

我校電子類理論教學和實踐教學現狀

在參加大學生電子設計競賽中，參賽學生暴露了高校在電子類專業教育中的存在的共性問題。如專業基礎知識不夠扎實；系統綜合運用開發能力不強；硬件偏弱而軟件編程能力較強；實踐動手設計電路能力不足；新技術新器件應用能力不高等，這就對傳統電子理論教學內容和方法提出了挑戰。同時，也反映了在實踐教學方面的兩個問題：一是設計性綜合性實驗偏少，在所開設的電子類實驗課程中,基本都是課程相對獨立，缺乏課程與課程之間的緊密聯系。我校應少開一些單科性實驗，多開一些綜合性實驗，使設計性綜合性實驗比例占實驗總數的20%。在選擇設計性綜合性實驗項目的同時，應多開設與工程實際問題相結合的實驗內容,這有利于增強學生專業學習應用能力的提高。二是在完成驗證性實驗的過程中，現有的實踐教學模式內容單一、枯燥，學生在有限的90分鐘里僅能完成實驗規定的內容，無法充分體現學生作為教學主體的作用,使學生無法思考理論教學與實踐教學的脫節，導致學生缺乏獨立思考的能力，抑制了學生動手能力的提高，違背了學生創新能力的培養。我們應該增加綜合性、設計性、創新型實驗,且實驗內容應及時更新,使得實驗項目與市場需求緊密接軌。這就要求教師積極參與各項教學改革和科研項目,不斷積累經驗，不斷將新內容、新技術、新方法充實于電子理論和實踐教學中。

提高電子類實踐課程的教學質量，在教學中探索理論與實踐的完美結合點

造成電子類專業理論與實踐教學脫節現狀的重要原因就是在教學中沒有引入實際項目教學，在實踐中忽視了理論的指導。幾年來,我校對學生的培養定位為應用型人才，專業團隊申請了福建省教育廳“卓越工程師”項目，采取與企業聯合辦學的模式，培養企業真正需要的實踐型、應用型、創新型人才。我校對電子專業培養方案采取一年一小修訂，兩年一大修訂的原則，對專業方向課程進行全面討論、審核、修改,加強新課程、新內容、新方法、新技術、新器件與實踐教學環節,同時以專業方向課程為體系,以培養學生能力和提高全面素質為目的，對所有課程的教學大綱進行審核、修改。另外，根據培養目標對教學內容的要求,在選用專業課程教材方面，優先選用高等教育出版社、電子工業出版社等高質量、權威且實用的教材,力求教學內容與電子發展方向緊密聯系。

加強理論與實踐的完美結合。第一，教師應充分利用大學生電子競賽為契機加強理論聯系實際,積極開展產學研科研項目，將項目中的新技術、新電路應用于教學,拓展學生的知識面。第二，加強設計性與綜合性實驗的比重,嚴格要求獨立完成實驗項目,強調對實驗數據分析、總結能力的培養,積極引導學生在“課程設計”、“學年設計”等綜合實踐環節中大膽采用新方法、新器件設計，突出表現創新、實用能力，力爭在教學中探索理論和實踐的完美結合。

加強實踐教學環節的軟硬件建設

首先，在實踐課程教學過程中，組織教師聽課、評課、研討，協助教師制定實踐課程教學計劃，定期召開各班“教”與“學”專題班務會、座談會，及時掌握學生學習動態、交流學習心得，聽取學生對實踐課程教學工作的意見和建議，對于學生的評教快速響應并及時通報，各任課教師及時落實整改，努力提高實踐教學質量。其次，建立電子創新實驗室。為了培養學生的創新設計能力，為學生提供一個良好的學習與研究環境，展現新思維、新設計的舞臺，在學院和物理系領導的支持、關心下，我系建立了電子創新實驗室。實驗室的設備配置均在完善中。創新實驗室面向提高班學生、課外活動骨干、參加電子設計競賽學生等優秀本科生開放。再次，我院開展了形式多樣的第二課堂活動。為了配合各類競賽的開展，學院還每年舉辦電腦節、科技文化周、創新大賽、院級電子設計競賽等，積極組織學生參與省部級和國家級的各類科技競賽，加強與兄弟院校的學習交流，培養學生的團隊精神和溝通協作能力。

單片機實踐教學改革實例

在《單片機應用技術》課程教學中講授外部總線串行擴展章節時，很容易出現以下問題：介紹知識過多,學生感覺學習內容枯燥；各部分內容相對獨立,缺乏整體概念；應用技術介紹較少，學生應用能力培養不足；軟件編程介紹過多,硬件設計強調不夠，這就使得學生碰到實際問題時，缺乏構建硬件系統的思路和能力。

在不改變教學內容的情況下，可以嘗試在課堂教學中引入大學生電子競賽題目，讓學生強化實踐，培養實際操作能力。下面以“LED點陣電子顯示屏制作”（2010年福建省電子競賽作品）項目為例，闡述如何完成從課堂教學到電子設計實踐的順利轉型。

LED點陣電子顯示屏實現了LED大屏幕顯示系統，以STC89C52單片機為核心，由鍵盤控制、顯示、溫度采集、LED大屏幕顯示等功能模塊組成。基于任務要求，本系統對漢字詞組顯示和大屏幕顯示進行了重點設計。此外，擴展了單片機外圍接口、溫度采集、滾動屏幕顯示、旋轉屏不變，掉電保護等功能。

競賽選題之初，參賽學生沒有學過LED電子屏的設計，面對這些性能指標茫然無措。指導教師則根據系統設計的要求和設計思路，首先確定該系統的設計框圖（見圖1），該系統主要由STC89C52控制器、角度傳感器電路、溫度傳感器電路、掉電保護存儲芯片、矩陣鍵盤控制電路、24×24 LED顯示模塊等組成。

根據系統框圖對角度傳感器及掉電保護存儲芯片進行選型。這時，可以聯系本書當前講授內容I2C總線。在掉電保護存儲芯片的選擇上采用AT24C04；在角度傳感器方面采用TILT-03-I2C-90雙軸傾角傳感器，重要原因是這兩款芯片都具有I2C總線，即使沒有使用過這兩款芯片，只要嚴格遵守總線的時序要求和通信協議，一樣可以快速實現芯片的數據存儲和角度測量功能。然后，根據系統方案的要求及芯片的選擇，設計掉電顯示和角度測量的流程圖，并利用Proteus 7.8完成電路軟件級仿真（見圖2），最終實現電路硬件級設計。本系統具備屏幕旋轉漢字顯示、AT24C04實現掉電保護、DS18B20溫度采集顯示等性能，其調試與測試過程如圖3、4、5所示。本作品獲得了福建省大學生電子競賽一等獎。

圖1 系統框圖

圖2 未加傳感器的系統電路圖

圖3 角度傳感器實現屏幕旋轉漢字顯示圖

通過以上理論聯系實踐的教學改革，使學生明白了即使競賽之前沒有設計過LED點陣，但是對于比賽采用的單片機理論包括單總線、I2C總線，以及74HC595串入并出芯片,74LS138譯碼器，4×4矩陣鍵盤等都是平時實驗必備的基礎。這些內容都是《單片機應用技術》實驗教學大綱必做的項目，如LED動態掃描顯示實驗、4×4矩陣鍵盤輸入實驗、AT24C04數據讀寫實驗、基于51單片機的DS18B20數字溫度計的設計等。我校教師在日常實踐教學中嚴格要求學生掌握單片機的基本性能、如何配置SFR實現單片機第二功能，以及時序圖、單總線、I2C串行總線、SPI串行總線、Microwire總線等，同時要求學生了解單片機整體系統開發思想，舉一反三，觸類旁通，使學生在枯燥的基礎學習中體會到理論與實踐的完美結合。

圖4 AT24C04實現掉電保護示意圖

圖5 DS18B20溫度采集顯示圖

綜上所述，電子設計競賽是一項理論競賽與實驗競賽相統一的活動，有助于學生培養工程實踐素質，提高學生針對實際問題進行電子設計制作的能力。它既強調理論設計，又強調系統實現；既考核學生綜合運用基礎知識的能力，又注重考察學生的創新意識。這與高校培養人才的初衷不謀而合，從而成為推動我校理論教學和實踐教學改革的最大動力。始終注重在理論教學中通過虛擬電子仿真實驗室來將項目教學法引入課堂，使電子專業理論學習更加生動活潑，而在實踐中各個環節都需找到相應的理論支撐。這是對傳統教學方法的挑戰，改革傳統教學方法，加強對電子類課程實踐教學質量的監控建設，才能培養出務實、創新的高素質應用型人才。

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