機械類專業課程教學研究與實踐

摘要：以微機原理課程為實例探討機械類專業課程的一種教學新模式，主要包括三個環節：采用案例系統教學、在自制開發板上動手實踐和靈活考試機制。在總學時不斷壓縮的形勢下，更好地保證了教學效果，讓學生掌握了理論知識，并且讓學生有較高的自學能力；在國家關于“卓越工程師”計劃的潮流中，采用此方法，又與企業聯合，培養出了一批實際應用和創新能力高的學生。

關鍵詞：機械類專業課 微機原理與接口技術 卓越工程師 教學研究

一、引言

機械類專業課所涵蓋的理論與應用都比較廣泛，在教學環節中若能夠注重理論聯系實際，將會取得良好的教學效果。關于如何在教學中將理論與實踐相結合，已經有很多教育工作者提出了自己的見解與方法。本文以《微機原理與接口技術》課程為實例，探討機械類專業課程有效的教學方式。

《微機原理與接口技術》是一門工程實踐性很強的課程，內容涉及微機的工作原理、匯編語言、接口技術和應用實例等內容。隨著我國高等院校教學改革，機械類專業微機原理與接口技術課程理論課時不斷減少，目前總時數48學時，理論講課22學時，試驗8學時，上機10學時。據調查，在實際相關工作領域中，企業常對掌握一定的微機控制技術的機械專業學生有較大的需求，同時，為了順應國家關于“卓越工程師”的培養計劃，我們開設了卓越班，用以為企業培養一批面向工業界、面向世界、面向未來，適應經濟社會發展的工程師。為了實現上述教學目的，根據多年的教學和科研經驗，提出了一種理論與實踐相結合的教學方法，主要包括三個環節：案例系統教學、在自制開發板上動手實踐、靈活考試機制。

二、案例系統教學

隨著電子信息技術的發展，社會需要既懂機械又懂微機控制的人才，但是機械類專業學生的計算機基礎知識一般比較薄弱，《微機原理與接口技術》一直是一門學生較難掌握的課程。為了幫助機械專業的學生在一定的課時內掌握教學大綱規定的內容，在教學中將知識點與工程應用相聯系，然后對其進行歸納和總結，形成了以案例促進教學的模式，并將其貫穿于整個教學過程。但在實際的教學中，還要注意以下兩點。

1.教材內容和案例相結合

將教學內容中的知識與實際案例進行結合。每個案例都結合著教材的理論知識，將理論知識應用到解決案例中的實際問題。比如，在講解CPU的編程結構時，先介紹一個簡單的時序電路，由此引出時鐘電路、寄存器、總線等概念。在講解可編程定時器/計數器8253時，以如何檢測自行車速度為例。為了檢測自行車速度，需要產生標準時鐘，檢測自行車輪輻信號，計數檢測到了多少根輪輻。然后采用單位時間計算法，檢測單位時間內有多少根輪輻經過，或是檢測總的輪輻數目，計算每根輪輻經歷的時間，由此來計算車速。為了達到上述目的，需要分析如何配置控制字寄存器、如何初始化每個計數器等。

2.案例環環相扣，形成系統

案例的設計需要周密考慮。案例在設計之初要考慮的問題是，如何在每次案例教學中即能講解當前知識，又能復習上次課程的內容并引出下次課程的教學內容，這樣便使學生在接受新課之前可以完成對上次課程的回顧，又對下面的內容充滿好奇。此外，工程應用所采用的知識面涉及內容非常多，掌握每個案例需要大量的課時，理論課時有限，讓案例環環相扣，形成系統，可以減少理解案例的時間，又能夠很好掌握課程內容。

以感應同步器檢測案例為例，該系統包括8086的總線和時序，存儲器，輸入/輸出，中斷技術，可編程接口芯片8255、8253、8279等微機原理接口技術所有內容。在課堂教學中，我們可以不斷反復應用該案例。在總線和時序一章中，圍繞CPU，學生可以掌握晶體振蕩器、復位電路和電源電路；在存儲器一章中，學生能很好地掌握RAM、ROM等存儲器，并復習了總線和時序一章，也能夠直觀地看到其它章節的內容；在可編程接口芯片一章中，學生能掌握如何利用定時器/計數器8253進行計數，利用并行接口芯片8255設計輸入輸出，利用8279設計鍵盤顯示電路，實現參數設置，并采用七段碼顯示參數或者感應同步器距離，通過這樣環環相扣，一個完整的系統就可組成。

一個系統案例涵蓋整個理論課程章節內容，學生通過一個系統案例，能直觀地掌握課程理論知識，并舉一反三，應用于工程實踐中。

學生在課堂上學習的積極性來源于課堂知識所帶來的求知欲和興趣。選擇學生喜歡的內容作為教學內容，是提高教學質量的一種好方法。每個學生都有自行設計自行車速度檢測方法和控制裝置想法，作為老師引導學生一步步實現，包括：設計晶振、復位、電源電路；設計存儲器接口電路，設計時鐘芯片電路、設計鍵盤顯示電路等。

三、在自制開發板上動手實踐

由于缺乏實際的練習與應用，有相當多的機械類專業學生快到畢業時，仍然不知道如何在工程實例中使用微機原理的理論知識。為了增加理論與實際的結合機會，在教學實踐中，作者設計了一塊簡單、成本很低的CPU開發板。CPU開發板具有在線下載功能，能夠實現與計算機通信、鍵盤顯示操作、模擬量輸入等各種功能。利用開發板進行編程，能夠很好理解掌握微機編程結構、匯編語言、存儲器功能、輸入輸出接口、A/D轉換，定時器、計數器功能等。

這種自制開發板發給每個學生，布置各種不同的任務，讓學生在電路板上實現，這樣學生在課余時間能夠很好地掌握微機原理的基本知識。

通過這些訓練，學生不僅掌握了課堂內容，培養了動手能力，而且啟發他們的創造能力，學生根據這塊電路板完成了各種不同的功能，如霓虹燈顯示、恒溫箱控制模擬、網絡功能等。人手一塊CPU開發板，進行實際電路的設計，讓課堂理論知識緊密聯系實踐操作。

四、靈活考試機制

機械專業微機原理與接口技術是一門專業選修課程，教師在成績評定上有比較大的自主權，不能簡單拘泥于書面考試的形式。所以，這個環節要與前兩要素有機結合，靈活應用，以取得良好的教學效果。

一般會有100個左右的學生選修這門課。在這些學生中間，每年都會有部分學生參加教師所承擔的課題研究。對于這些學生，由學生本人申請或者班導師推薦，他們的期末考試成績一般都在90分左右。還有部分有學習積極性的同學會參加各種科技興趣小組，利用微機原理知識，制作各種小發明、小創造。這部分同學通常能交出一份很好的設計方案和演示實例，期末成績將根據考試成績和小發明、小創造綜合評定。另外，還有部分同學在自制的開發板上設計出比較好的演示程序，期末成績則由演示程序與考試成績結合評定。其余的同學根據考試成績和平時作業綜合評定成績。

通過采用這種靈活的考試機制，不僅調動了學生的學習積極性，又提高了部分學生學習的自主性、動手能力和創造性。這種靈活的考試機制還取得了良好的輻射效應，取得了一定的經濟和社會效益。在參與課題研究的同學中，有些申請了上海市大學生創新基金項目；有些學生畢業后根據參與的課題研究，分別成立了自己的公司。

這種靈活的考試機制，能很好地推動教學雙方溝通的經常性，提高了教學效果。參與課題研究的同學能夠提出他們的想法，為將來的教學改進提供很好的思路。這種教學效果已經產生多元化的效果，不僅增強了理論知識，而且增強了動手能力、創新能力和自學能力。

采用上述教學方法，學生擁有很強的創新能力，并且能很好地將理論轉化到實際應用中，如圖1所示。

圖1是我校參加全國機械創新大賽的學生作品家庭清掃機器人的控制整體設計規劃，此作品獲得了上海市三等獎，在控制模塊中用到我們利用此教學方法所學習的知識。

圖2中，有電源轉換模塊，220V交流電通過變壓整流后，變為直流電，可為整個機器人控制系統服務；直流電機驅動模塊使用L298N芯片內部集成的兩個H橋驅動電機運轉；用RS485串口通訊模塊實現PC與單片機的遠距離通信。

五、總結

機械專業課程有自己的特點，需要很強的理論與實踐相結合。本文的研究以案例系統教學貫穿始終的教學方法，并鼓勵學生不斷拓展自己的知識面，取得了比較好的教學效果。通過提供每個學生一塊CPU開發板，完成實際電路設計，使得學生能夠很好地應用所掌握理論知識，提高了動手能力，增強了創新能力，并往往能冒出新的思想火花。一種良好的考試機制往往能更好地提高學生全方面的素質。在今后的教學過程中，還需要進一步探索和總結教學方法，激發學生的學習積極性。

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基金項目：上海市“曙光”計劃（No.07SG51）資助項目。