基于卓越工程師背景的單片機(jī)課程教學(xué)改革*

◆陳瑞祥 周根榮 姜平

作者：陳瑞祥，南通大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；周根榮、姜平，南通大學(xué)電氣工程學(xué)院（226019）。

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）是一種以工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的人才培養(yǎng)模式[1]。“卓越計(jì)劃”明確提出對(duì)工程類專業(yè)學(xué)生需要重視工程教育的實(shí)際訓(xùn)練，由過(guò)去客觀存在的理論教學(xué)為主實(shí)踐為輔轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)理論與工程實(shí)踐能力并重。在“卓越計(jì)劃”指導(dǎo)下，高校的課程體系、教學(xué)思路、教學(xué)方法都需要做出很大改進(jìn)。

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是電氣信息類專業(yè)中非常重要的一門(mén)專業(yè)課。但目前國(guó)內(nèi)多數(shù)高校這門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法都比較傳統(tǒng)，無(wú)法滿足卓越工程師人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要。筆者根據(jù)多年的單片機(jī)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分析單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀，提出自己的改革方法。

1 單片機(jī)課程的現(xiàn)狀

單片機(jī)原理及應(yīng)用作為工科院校相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)必修課，是集電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門(mén)技術(shù)于一身，具有很強(qiáng)工程背景的一門(mén)課程。學(xué)生首次接觸該課程，由于缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，感覺(jué)比較抽象，一時(shí)難以入門(mén)，從而對(duì)單片機(jī)失去學(xué)習(xí)興趣，甚至失去信心。造成這種局面主要在于傳統(tǒng)的教學(xué)方法存在不足。

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。課堂理論教學(xué)普遍按照絕大多數(shù)教材所安排的順序來(lái)安排教學(xué)內(nèi)容。從單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳、指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、功能模塊、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、鍵盤(pán)與顯示、I/O 接口擴(kuò)展、A/D 和D/A 接口擴(kuò)展，到最后的單片機(jī)應(yīng)用舉例，順序講解相關(guān)的概念、知識(shí)與應(yīng)用方法。尤其是前半部分，枯燥乏味，學(xué)生和實(shí)際根本聯(lián)系不起來(lái)，導(dǎo)致興趣缺失，直至失去學(xué)習(xí)單片機(jī)的信心。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)又分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩部分，但這兩部分實(shí)驗(yàn)大都是以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)來(lái)完成的。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，教師能安排的實(shí)驗(yàn)和學(xué)生可以自主發(fā)揮的實(shí)驗(yàn)都非常有限，大大限制了學(xué)生的自由發(fā)揮，缺乏主動(dòng)性，更不要提創(chuàng)新性。

2 單片機(jī)教學(xué)改革

教學(xué)方式的改革，以項(xiàng)目教學(xué)為主線，充分利用多種現(xiàn)代教學(xué)手段，加強(qiáng)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

項(xiàng)目教學(xué)法項(xiàng)目教學(xué)法是通過(guò)實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，其目的是在課堂教學(xué)中把理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)[2]。從項(xiàng)目出發(fā)，首先讓學(xué)生觀察項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的最終結(jié)果或現(xiàn)象，從而激發(fā)學(xué)生探究新知識(shí)的興趣。接著提出項(xiàng)目的具體要求，明確項(xiàng)目的最終目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生組織已學(xué)知識(shí)及相關(guān)的新知識(shí)去分析項(xiàng)目的每一個(gè)要求、提出項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案。在這個(gè)過(guò)程中，教師插入講解新的知識(shí)，之后通過(guò)師生合作、不斷探求和討論來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)。最后對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行小結(jié)，幫助學(xué)生掌握和提高。

項(xiàng)目教學(xué)法讓學(xué)生變被動(dòng)接受為主動(dòng)探究，從學(xué)生的角度出發(fā)，利用有意思的項(xiàng)目調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，開(kāi)拓學(xué)生的思維、發(fā)揮學(xué)生的潛能。理論知識(shí)和實(shí)踐能力訓(xùn)練相輔相成，在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)習(xí)理論，既體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用，又發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，更體現(xiàn)了現(xiàn)代教育的教學(xué)模式與特征[3]。

項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施的關(guān)鍵是教學(xué)項(xiàng)目的選取。根據(jù)單片機(jī)課程大綱的要求，選取符合課程要求的項(xiàng)目，選擇的項(xiàng)目要有實(shí)際意義，日常生活中有應(yīng)用體現(xiàn)，學(xué)生不覺(jué)得枯燥，學(xué)習(xí)有興趣和動(dòng)力。如果所選項(xiàng)目有延續(xù)性，項(xiàng)目之間有層次，有遞進(jìn)關(guān)系，或是一個(gè)大項(xiàng)目的幾個(gè)子項(xiàng)目，那效果將會(huì)更好。安排教學(xué)項(xiàng)目要簡(jiǎn)單容易，便于課堂實(shí)施，能自然引出新的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，使單片機(jī)教學(xué)環(huán)環(huán)相扣，最終系統(tǒng)地講授單片機(jī)的知識(shí)體系。學(xué)生也能從中學(xué)到單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，體會(huì)單片機(jī)的應(yīng)用方式方法，感受單片機(jī)應(yīng)用的樂(lè)趣。

現(xiàn)代教學(xué)手段的使用由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)的限制，不可能把每一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目都讓學(xué)生制成PCB 硬件電路板來(lái)完成每一個(gè)項(xiàng)目。因此，可以充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段來(lái)模擬實(shí)施每一個(gè)項(xiàng)目。

Keil 和Proteus 是兩款優(yōu)秀的單片機(jī)仿真調(diào)式軟件，在教育經(jīng)費(fèi)有限的情況下，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的不足，大大增強(qiáng)課堂教學(xué)效果[4]。Keil 可以用來(lái)軟件仿真，而Proteus 可以用來(lái)硬件仿真。值得慶幸的是，這兩款軟件不僅可以單獨(dú)使用，還可以聯(lián)合仿真。只要安裝一個(gè)聯(lián)合仿真的插件，通過(guò)相關(guān)的設(shè)置就完成完美的軟硬件仿真。具體的設(shè)置步驟如下。

1）下載和復(fù)制文件。在網(wǎng)上下載VDM51.dll 文件，并分別復(fù)制到Proteus 的安裝目錄下和Keil 安裝目錄下的C51BIN 目錄中。

2）修改Keil 的初始化配置文件。打開(kāi)TOOLS.INI 文件，在[C51]欄目下加入“TDRV5=BINVDM51.DLL(Proteus VSM Monitor-51 Driver)”，TDRV后面的數(shù)字根據(jù)實(shí)際情況而定。

3）Keil 的設(shè)置。①選擇硬件仿真，并使用Proteus VSM Monitor-51 Driver。此設(shè)置可在“Project 菜單/Options for Target”選項(xiàng)中找到。②進(jìn)入setting 設(shè)置通信接口，如果在同一臺(tái)電腦上，IP 設(shè)為127.0.0.1，端口為8000。如果把IP 地址改成其他電腦的IP，可實(shí)現(xiàn)Keil 與另一臺(tái)電腦上的Proteus 進(jìn)行遠(yuǎn)程聯(lián)合仿真。

4）Proteus的設(shè)置。在Proteus的DEBUG菜單中選擇“use remote debugger monitor”即可。

通過(guò)以上設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)軟件的聯(lián)合仿真。可以在Keil 中通過(guò)“單步”、設(shè)“斷點(diǎn)”等各種調(diào)試手動(dòng)，在Proteus 中觀察每一步程序執(zhí)行的結(jié)構(gòu)，和調(diào)試硬件電路板一樣。

除了這兩個(gè)主要軟件之外，還可以把其他常用的調(diào)試軟件介紹給學(xué)生，比如“串口調(diào)試助手”，采用虛擬串口的形式，和Proteus 相連，來(lái)調(diào)試學(xué)習(xí)Uart 串口，可以得到形象直觀的效果，降低學(xué)生理解的難度。

此外，在教學(xué)過(guò)程中還可以充分利用PPT、視頻、網(wǎng)絡(luò)軟件在線答疑等多種現(xiàn)代教學(xué)手段為學(xué)生的學(xué)習(xí)服務(wù)。

工程實(shí)際訓(xùn)練然而，在單片機(jī)的實(shí)際教學(xué)中，不能用虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境來(lái)替代實(shí)際硬件電路。仿真軟件是在理想條件下進(jìn)行工作的，在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)遇到很多新的問(wèn)題，僅靠仿真軟件而完全拋棄具有實(shí)際工程背景的硬件電路設(shè)計(jì)與調(diào)試訓(xùn)練是不可取的。只有將仿真結(jié)果應(yīng)用于具體電路系統(tǒng)，才能真正提升學(xué)生的軟硬件綜合開(kāi)發(fā)能力[5]。

因此，保留傳統(tǒng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)學(xué)生的硬件訓(xùn)練。南通大學(xué)用的單片機(jī)學(xué)習(xí)板如圖1所示，學(xué)生從原理圖的設(shè)計(jì)到PCB 制版、焊接調(diào)試全程參與，熟悉和掌握整個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)流程。基于此學(xué)習(xí)板，學(xué)生可以完成I/O、鍵盤(pán)與顯示、A/D、D/A 等多個(gè)實(shí)驗(yàn)。幾乎把每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目都囊括進(jìn)去，還增加了一些綜合項(xiàng)目，使學(xué)生的單片機(jī)能力得到進(jìn)一步的提高和升華。

3 總結(jié)

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是電氣信息類專業(yè)培養(yǎng)卓越工程師的一門(mén)非常重要的專業(yè)課。筆者在教學(xué)工作中，以實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃為契機(jī)，積極將項(xiàng)目教學(xué)方法和多種現(xiàn)代教學(xué)手段有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)單片機(jī)課程進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐，取得顯著的教學(xué)效果，為卓越工程師的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]于立君,田凱,王輝.自動(dòng)化專業(yè)卓越工程師人才培養(yǎng)模式探索:以HEU 為例分析[J].黑龍江教育學(xué)院學(xué)報(bào),2013,32(3):22-23.

[2]葉愛(ài)芬.項(xiàng)目式教學(xué)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技信息,2010(16):102,105.

[3]楊波,肖杰.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式在《單片機(jī)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖南第一師范學(xué)院學(xué)報(bào),2012,12(4):63-66．

[4]李紹平,彭志平.仿真實(shí)例教學(xué)法在單片機(jī)理論教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2012(3):67-69.

[5]喬建華,李臨生,田啟川.Proteus 在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(3):70-73．