應順兩化融合，重構單片機課程框架

【摘要】兩化融合發展整體處于由覆蓋滲透向集成整合加速過渡，促使人們對自動化與信息化融合有了清晰的理解。在“兩化融合”環境中的職業崗位內涵發生了質的變化，需要重構單片機課程。重構課程框架，要在人類認識規律主線上進行。框架分單片機基礎技術和單片機應用及接口技術兩個層次。各以項目及情境作為教學形式，完成基礎知識的認知、基本技能的初步培訓，實現知識深化技能強化，為兩化融合培養新型人才。

【關鍵詞】兩化融合；單片機課程；項目及情境

一、“兩化融合”現狀簡述

隨著新技術的迅速發展，工業自動化與信息化的兩化融合成為了國家推進建立新型工業化國家的重要保障。在各級政府重視下的兩化融合給活躍在國內自動化市場中的各企業提供了無限的發展空間。兩化融合成為了企業由制造業向現代制造服務業轉型的重要手段。

（一）“兩化融合”的基本概念

什么是“兩化融合”？如何“兩化融合”，國家沒有一個明確的定義，簡單的說就是信息化與工業化融合（以下簡稱“兩化融合”）。如何理解這兩個問題，各行各業有不同的內涵和要求。主要分為技術融合、產品融合、業務融合、產業衍生四個方面。[1]

技術融合是指工業技術與信息技術的融合，產生新的技術，推動技術創新。例如，工業生產和計算機控制技術融合產生的工業控制技術。

產品融合是指信息技術融合到產品中，增加產品的技術含量，提高產品的附加值。例如，傳感器制造技術和嵌入式控制技術融合產生新型傳感器，普通變電設備增加嵌入式控制系統之后就變成了智能變電設備。

業務融合是指信息技術應用到人力資源管理、財務管理、原材料采購、產品研發設計、生產制造、市場營銷等各個環節，促進業務創新和管理創新。例如，生產現場的專用設備可以對從原材料上線到成品入庫的生產過程進行實時數據采集、控制和監控。

產業衍生是指信息化與工業化融合催生出新的產業。如電子信息產業以及新型服務業，如信息化與工業化融合下產生的物聯網軟件服務業等。

（二）“兩化融合”現狀與發展

目前兩化融合發展整體處于由覆蓋滲透向集成整合加速過渡。隨著技術的不斷發展與應用范圍的不斷擴大，國外自動化行業巨頭都進入中國市場，各行各業各區域兩化融合發展不均衡。但由于外資企業進入我國市場，帶來了最新的工業自動化與信息化產品、技術及全方位的解決方案，促使人們對自動化與信息化融合有了清晰的理解，行業企業在自動化與信息化領域逐步推出各種智能化的產品或系統，促使兩化融合的裝備及技術具備一定基礎，正向兩化深度和廣度融合推進。

就拿工業生產業務的兩化融合來看，有“85%以上的行業企業應用計算機輔助工藝設計、排產計劃、車間物料管理、車間設備管理等業務系統，”[2]在個性化業務上也有了人們期望的發展。面向用戶的產品全程追溯的需求日益強烈，成為兩化融合發展的重要方向。

目前，信息化與研發設計融合已經成為提升企業自主創新能力的重要手段。產品中“嵌入”了信息技術，使產品提高了兩化融合的附加值，促進了產品升級和更新換代。信息技術融入研發設計的各個環節，縮短了研發設計周期，降低了研發設計成本。部分機械制造企業已經實現了產品設計、工藝流程和ERP的集成應用。

（三）職校教育與“兩化融合”

產品的智能化、生產管理、設備管理等的智能化、供應鏈的信息化這一新型生產與管理模式，讓企業產生儲備具有兩化種專業知識技能類型的人才。在“兩化融合”環境中的職業崗位，已摒棄了很多單一性的傳統職業崗位，由此崗位的內涵也已發生了質的變化。如機修工，不再是只修機械不修電氣，而是機械電氣都要修理、甚至信息化機電產品部件也要修理；操作工，不再是單純撳撳按鈕、搬搬工件、對對刀具、裝裝夾具等等，而是要從計算機調出程序、核對程序、按規定要求從刀庫，通過計算機選取刀具，定位操作等信息步驟，實現操作工藝流程。

就業崗位的變更，迫使就業的人員，在知識與技能方面要適應智能生產和智慧管理的需求，否則就會“OUT”。

作為人力資源主要提供者——職技學校，不論屬于哪種層次職崗人力提供的學校，必須迅速作出應對。這不僅關于經濟社會和人類社會的發展，也決定了職技類學校自身的生存與發展。眼前最敏感的兩個點：一是畢業生的就業渠道和持崗能力；二是生源的多少和優劣。

職業院校面對兩化融合的大背景，要做大做強，既有搶眼的近景，又有清晰的遠景。筆者認為，其焦點在課程上。把每一門課與兩化融合去考量，再作出對現有課程應有的定位，加以修正，使學校整體教育教學轉型，實行軟著落。也就是要遵循：大處著眼，小處著手的實事求是和科學發展的改革原則。所以筆者用單片機課程的重構教學框架為重點，意在使課程與兩化融合能有機的結合。

二、重構單片機課程框架

（一）單片機課程發展歷史與現狀

職業學校的單片機課程早的是從二十世紀90年代開設，當時使用匯編語言，用286無硬盤電腦做實驗，后來改用實驗箱，進行理論實驗教學；到2005年有的學校開始邊做單片機實訓板、邊教學、邊編程、調試，當時還是使用匯編語言；2008年隨著嵌入式技術在企業的廣泛應用，好多學校開始改用C語言作為單片機應用技術課程的語言；到現在的用學生做的實訓板邊教邊學邊調試，教學效果在逐步提高。但是，由于理實一體化教學形式，重點放在了單片機的應用上，雖然單片機基礎知識在教學中有體現，但因教學時間有限，知識與技能的鞏固率，不盡如人意，這也就是為什么要重構的原因。

（二）單片機課程的地位與作用

國家信息化專家周宏仁形象地稱，“抓住了嵌入式系統（單片機屬于嵌入式系統中的一種類型）和工業軟件，也就抓住了信息化創新的‘牛鼻子’。在許多產品或系統中，有或者沒有嵌入式系統就成為兩化融合有無的標志，甚至是兩化是否深度融合的標志”[3]

當下兩化融合，主要在信息化一頭，因為兩化融合，要達到生產自動化、產品智能化、管理精細化、產業先進化，即時和互聯。依靠的是傳感器、微處理器和計算機，終端裝備。它們之間的協調互動，是要通過嵌入式系統和工業軟件，經過信息采集、信息處理和信息通信來完成的。當然也離不開會操作這些系統的技術人才。

由于單片機有許多優點，因此其應用領域之廣，幾乎到了無孔不入的地步，用一個實例來說明，可見一斑。筆者在社會調研中得知，兩化融合推進到了生產制造過程的各個環節，好多由手工和腦力工作的勞動，由單片機或微處理器控制的裝置來代替，機器人、PLC觸摸屏、數控機床、條碼采集器、傳感器、無線射頻識別等軟硬件的綜合智能化系統離不開單片機系統，操作、維修這些系統離不開懂點單片機的技術人員。

顯而易見，職技校里的單片機應用課程，它的地位和作用，是那么重要，用教育領域或科技領域里的說法來說，單片機應用課程是某些學科間的交叉學科。如單片機控制電動機的例子涉及到單片機、電子、電機調速、PID控制、傳感器與檢測技術等。其地位和作用是可想而知了。

（三）重構框架的論據

國家教育部在十二五規劃中，把單片機課程，明確地列入了專業基礎課，這充分表明了單片機課程是一切技術人員都必須具備的基礎知識與技能，是技術人員必具的素養。這也應順了兩化融合的需求。是國家經濟轉型對工程技術人才的起碼要求，是國家邁接第三次工業革命的決心。職業院校必須認識到這一點，并以此作為教改的依據。

重構單片機課程框架，要在人類認識規律主線上進行。人的認知規律，都無非就是，由簡到繁，由易到難，由淺入深，由此及彼，十六個字。除了這條規律線；還要知道人的認知是按螺旋形逐漸推進的，知識需要反復地被認知，才能內化為潛意識。即所謂被牢牢地記住，并成為呼之欲出的理性工具。特別是離生活較遠的那些知識，即使傳授時注意了加強感性認識，一旦長時期脫離，這些知識不會在大腦皮層中刻下印痕。所以，必須重視知識的重復率，和初始認知的可接受性。

單片機知識及技能，是兩化融合環境中的橋板。因此它具有廣泛的應用性，是工程技術人員和一線技術工人的一門實用學科。例如：千家萬戶家庭中的各種電表，水表，煤氣表內的單片機，通過各種網絡，和供電公司等與能源控制者保持著網絡實時聯系；都市林立的商業大樓內部，數以萬計的傳感器，包括安防、溫度、濕度、煙霧報警等等，全部采用單片機為核心的節點進行自動連接，由計算機中心控制，根據這些傳感器的獲取的大量信息，調節空調系統，監控大樓安全；智能化物流倉庫，大型貨車、鏟車，來來往往，每件貨物上，都安裝了具有定位功能的單片機芯片，通過倉庫內布設的網絡，每件貨物都可以精確的定位，也可以容易獲得貨物的詳細信息，實現產品跟蹤直到銷售等等。這種種都離不開單片機，所以說單片機是兩化融合環境中的橋板。因而，單片機應用課程又是一門專業核心課程。

以上是重構單片機課程的理論依據，同時也是單片機課程重構的頂層設計思想。

（四）重構的單片機課程框架

單片機課程，是一個兩層建筑。下層是基礎課程，上層是應用課程。

基礎課程是針對各技術專業所有一線技術操作工、檢測工，維修工等崗位給予的單片機基礎知識和基本技能訓練。只要知道兩化融合中嵌入式系統基本原理，信號采集、調試基本技能，記錄（電腦軟件記錄與手工書面記錄）下采集的數據，做好數據的匯總。所以基礎課程應包括單片機應用系統結構與原理、類型、應用場合，簡單的I/O口控制、定時器與中斷、串行口的簡單使用與調試。還要求內容要廣泛和淺顯。

通過項目來完成，深度和難度可以淺一點，把學習者帶入單片機領域。

基礎課程部分從生活中的例子引出講解單片機的概述部分，以引起學生的注意，以實物講單片機的最小系統和動手調試簡單燈亮程序提起學生的興趣，在加單片機并口知識，用調試信號燈程序提高學生的學習興趣，然后加內部存儲資源知識和C語言中的編程如循環語句、數組，用信號燈效果再次加深。接著定時中斷簡單使用、外部中斷與報警、定時控制與頻率脈沖、計數控制與顯示等等，一步步把知識與技能融合在一起，達到把單片機的基礎知識學完。

基礎課程部分為專業基礎課程。課程框架為：項目一單片機概述、項目二單片機并口及內部資源簡單使用、項目三定時與計數控制信號燈、項目四中斷控制與報警燈、項目五顯示接口的控制信號燈、項目六串行口概述應用課程涉及的知識點和技能點是重復的出現的，但在深度和難度上與下層是有所區別的。因為，兩者所要達到的教學目的和水平是不同的。

應用課程作為專業核心課程，要圍繞崗位來構思，不同的行業不同的崗位所需要的知識與技能是不同的，各有所側重。針對電氣設備安裝、設備維修、設計輔助、售后服務人員來設置。不僅要求熟練掌握基礎課的內容，及前導課程（電子技術訓練、常用電機控制與調速、氣動液壓、傳感器及檢測技術），還要在這些基礎上學習單片機應用及接口技術課程。單片機應用及接口技術課程要根據兩化融合涉及到的工業機電設備的基本功能：人機接口、電機控制、閥門控制；機電設備的各種狀態檢測：溫度、水位、壓力、油量、速率等參數的檢測；體現崗位要求與智能特性，并結合單片機的接口技術來重組知識點與技術點。它包括：檢測和調試鍵盤接口、顯示器接口、AD/DA接口及外圍電路。能判斷故障，能維護設備（設備接口包括RS-232、RS485、UART等接口）的正常運行，熟悉單片機控制直流電機、步進電機、顯示器等輸出設備的控制方法。

單片機應用與接口技術課程框架為：

情境1：單片機最小系統的制作調試、情境2：單片機并口與報警電路制作與調試、情境3：定時器/計數中斷與電機控制、情境4：顯示接口制作與檢測、情境5：定時計數中斷與電機控制、情境6：串行口的制作與檢測、情境7：A/D與D/A轉換接口的仿真與調試。

（五）重組課程內容

根據課程性質，其內容進行如下重組：

單片機基礎技術課程內容：（三年級下半年開設）

項目一：單片機概述

知識點1：單片機概述、知識點2：認識單片機最小、技能點：單片機最小系統檢測。

項目二：單片機并口及內部資源簡單使用

知識點1：單片機并口、知識點2：內部存儲資源與信號燈延時控制、技能點：單片機控制流水燈檢測。

項目三：定時與計數控制信號燈

知識點1：定時器及定時控制產生脈沖、知識點2：計數器及計數控制與顯示、技能點：定時、計數簡單使用。

項目四：中斷控制與報警燈

知識點1：定時中斷及簡單使用、知識點2：外部中斷與報警、技能點：定時與中斷控制報警燈

項目五：顯示接口的控制信號燈

知識點1：LED顯示接口類型及動態顯示原理、知識點2：數碼LED顯示4位數、技能點：數碼管顯示實驗。

項目六：串行口概述

知識點1：串行口擴展I/O口、技能點：串行口擴展I/O口仿真實驗、知識點2：單片機與PC機通信。

單片機應用及接口技術課程內容：（四年級上半年開設6周）

情境1：單片機最小系統的制作與調試

任務1：單片機最小系統制作、任務2單片機最小系統硬件檢測任務3單片機最小系統調試。

情境2：單片機并口與報警電路制作檢測

任務1：單片機控制報警器電路制作檢測與調試、任務2單片機報警信號電路制作檢測與調試、任務3單片機數碼信號電路制作檢測與調試。

情境3：C51定時器/計數器與檢測控制

任務1：定時控制產生聲音、任務2計數控制與光電傳感器信號檢測、任務3定時控制繼電器制作檢測與調試、任務4電機正反轉時的中斷控制。

情境4：顯示接口制作與檢測

任務1：數碼管顯示器顯示計數值、任務2：點陣顯示器顯示計數值的制作與檢測調試、任務3：漢字的點陣顯示、任務4溫度檢測數據的液晶顯示。

情境5：鍵盤接口制作與步進電機控制

任務1：獨立鍵盤控制步進電機運行的制作與檢測調試、任務2：4×4鍵盤控制步進電機運行的制作與檢測調試、任務3：按鍵值移位控制編程與調試、任務4：單片機控制步進電機正反轉編程與調試、任務5：單片機控制步進電機調速編程與調試。

情境6：串行口的制作與檢測

任務1：PC與單片機通信的制作與檢測調試、任務2：單片機雙機通信與RS-485接口的制作與檢測調試、任務3：單片機下載線與USB口的制作與檢測調試（擴展）、任務4：PC機遠程控制電機編程與調試（擴展）。

情境7：A/D與D/A轉換接口的仿真與調試

任務1：A/D轉換接口ADC0809、任務2：ADC0832接口制作與調試、任務3：D/A轉換接口DAC0832的使用、任務4：串行D/A轉換接口LC5615的使用、任務5：溫度傳感器與閉環控制系統（擴展）。

（六）授課形式

單片機基礎技術課程以理論講解、實驗驗證為主要授課形式。知識深度淺，以項目單元講解知識點，實訓技能點。在講解理論時可例舉自動控制中的例子，以提高學生的興趣，實驗時以驗證原理為重點。單片機應用與接口技術課程采用在教學工場中授課的形式。按技術要求以情境為單元，以一個檢測或控制現象作為任務，深化知識提升技能。可以把單片機知識與接口技術及外圍電路聯合起來，注意特出兩化融合內容，重點把單片機知識與傳感器知識及自動控制技術知識融合起來，強化單片機系統及外圍電路制作、檢測、調試和維修等技能。

參考文獻

[1]金江軍.信息化與工業化融合理論體系[OL].CIO時代網http：//www.ciotimes.com，2009-08-18.

[2]劉九如.工業企業兩化融合發展水平及趨勢分析[OL].http：//www.doc88.com/p-918448416504.html，owen3ez，2012-09-30.

[3]嵌入式系統和工業軟件是兩化融合關鍵[OL].www. 71it.net.

[4]電話錄音系統[OL].http：//wenku.baidu.com/view/d5717e7e1711cc7931b7166b.html.

注：本文是江蘇省職業技術教育學會職業教育立項課題《基于“兩化融合”的課程體系動態調整的實踐探索研究》（課題編號：2013034）。

作者簡介：劉雪雪（1962—），女，副教授，現供職于無錫機電高等職業技術學校，研究方向：自動控制技術。