卓越工程師計劃下的微機原理課程教學設計

許雪林　張國安　陳敏　陳樂

摘要：針對卓越工程師計劃下培養創新能力強，適應經濟社會發展需要的高素質、高質量工程技術人才的教學研究方向和要求，提出微機原理教學改革方案，闡述方案的設計與實施，即微機原理課程教學圍繞一個簡單的項目設計展開，教學過程使用自主研發的硬件實驗平臺和軟件架構，課程設計以項目實例設計和實施，從而提高學生的創造能力、開發能力、獨立分析和解決問題能力以及協作能力。

關鍵詞：卓越工程師計劃；微機原理課程；項目設計；合作學習

1、卓越工程師計劃下的微機原理課程教學研究方向和要求

“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱卓越工程師計劃）的目的是培養創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和實行人才強國戰略服務。2010年福建工程學院人選首批卓越工程師計劃試點高校名單。

學校入選后，為卓越工程師計劃制定了相應專業的培養計劃，包含學校培養標準、企業學習階段培養方案等，這些計劃都在穩步實施過程中。學校卓越工程師計劃的計算機科學與技術專業和通信工程專業培養實施方案中，包含了技術知識和推理能力、個人職業技能和職業道德、團隊協作和交流技能、企業和社會綜合運用等能力培養。實施方案的目的是希望學生能夠在畢業后順利融入企業，為企業培養合格的人才。

卓越工程師計劃下，微機原理課程的改革方向是致力于培養學生在微機系統實時控制等領域中的創造能力、開發能力、獨立分析問題和解決問題的能力以及協作能力，提高學生在微機系統工程領域中的綜合素質。

2、微機原理課程教學改革方案的提出

在卓越工程師背景下，為了保證教學和企業更好地接軌，達到卓越工程師計劃下的微機原理課程教學研究方向和要求，我們提出以項目開展的微機原理教學改革方案。以項目開展教學的方案需要具備一定條件，如實驗平臺開發、企業方案文檔和具有工程實踐經驗的教學人員等。只有滿足這些條件后，才能較好地開展以項目為基礎的微機原理課程教學改革。

微機原理課程是福建工程學院的精品課程，經過多年的積累，其教學團隊已具有豐富的工程實踐經驗并自行研發了微機原理的實驗平臺。這些都為實施以項目為基礎開展教學的方案打下基礎。以項目開展的微機原理教學改革方案主要包含以下幾個方面的內容。

1）整個微機原理課程的課堂教授和實驗以一個項目的設計為主線。

課堂教學所選擇的項目不能太難，需要考慮學生整體的接受能力。項目內容需要涵蓋微機原理整個課程的知識點，需要針對該項目開發相應的硬件實驗平臺和軟件框架。硬件實驗平臺涉及的內容必須考慮整體學生的操作能力。軟件框架要考慮工程性，要容易閱讀且便于二次開發，因此軟件框架采用了模塊化設計。開發語言的選取要考慮能夠和硬件緊密結合的匯編語言，并通過引導幫助學生理解使用匯編語言的優越性。

2）微機原理課程設計以項目方案形式開展。

微機原理的課堂教學結束后，教師會安排一次課程設計實訓。在課程設計過程中，設計的項目均模仿現實小家電產品。學生在現有的實驗平臺和軟件架構上進行產品開發，也可以在課堂項目上進行二次開發。課程設計中模仿企業要求，項目開發從需求分析開始，然后是硬件設計和軟件設計，最后是操作手冊的書寫。整個過程均需用文檔記錄下來。

3）學生以合作小組形式開展學習和設計。

在教學手段上，我們還采用合作小組的形式。在企業中，團隊合作能力是工程師必須具備的一種能力，因此在教學中，學生的課堂學習和程序設計也采用小組形式。課堂學習時，通過以強帶弱的方式提高學生的整體知識水平，同時也培養了學生的責任心。課程設計時，模擬企業團隊合作的方式將學生組成小組進行產品設計。

這樣通過項目帶動、團隊合作的方案，我們培養出符合卓越工程師計劃的具有綜合工程實踐能力的微機控制人才。

3、方案的實施

以項目開展的微機原理教學改革方案具體實施內容包括以下幾個方面。

1）課堂授課融合項目的實施過程。

微機原理授課內容采用5l單片機，需要教授的51單片機知識點有內存結構、I/0接口、外部中斷、定時中斷和串行中斷等。為了讓所有學生都能在順利掌握微機原理課程知識點的同時具備一定的動手能力，我們在課程內容上進行改革。首先，課程團隊自行開發了一個硬件實驗平臺，配備了最基本的實驗電路如數碼管、矩陣按鍵、DA/AD轉換等，能夠涵蓋51單片機中的最基本內容。相應實驗平臺的基本硬件結構如圖1所示。

其次，在軟件設計上進行模塊化搭建。在實驗平臺提供基本硬件的基礎上設計一個小項目多功能時鐘實例，包含顯示、調校、鍵盤、AD轉換等功能，每個功能均采用模塊化設計。同時，為了配合51芯片結構的描述，我們采用匯編語言增強學生對硬件底層結構的理解。最后，將該實例中的功能進行拆分并融合到教學內容中進行講解。項目軟件主流程如圖2所示，實例模塊和課程知識點的對照見表1。通過這樣的方式，學生在學習過程中逐步融入到工程設計的理念中，讓理論和實踐緊密結合。

在實驗方面，同樣圍繞多功能時鐘展開。這里多強調工程實踐性，如按鍵抖動的軟硬件處理、復位時間、實時時鐘的精確時間處理等。例如，在自行開發的實驗平臺上設置點觸式按鍵進行外部中斷調校時，由于沒有采用硬件消抖，導致學生在設計過程中使用中斷服務程序中的軟件延時進行按鍵消抖。教師結合學生的設計思路并對其進行分析，引出中斷的目的是提高CPU效率，而采用在中斷服務程序中加延時的方法明顯降低了CPU的效率；還有復位延時的處理，讓學生明白一個電路整體復位成功是指整個電路復位就緒，而不單指MCU復位就緒。一個個的實驗分析，讓學生把握了軟硬件消抖的工程使用場合。實驗內容設置見表2。

課程教學中利用Proteus進行仿真，從而提高學生的理解水平，提供原理圖讓學生做實驗預習時先進行仿真預測，然后進行上機實踐。通過預測和實測的對比，學生能更加理解工程實踐的含義。endprint

除了期末考試外，還實行實驗考核，主要針對開展的實驗和小項目的軟硬件設計進行考核，其中包含很多基礎知識的考核，如譯碼電路的識別、軟件模塊的閱讀等內容。實驗考核將記錄到個人平時考核成績中。通過實驗考核，教師能夠清楚地了解學生對整個課程實踐的掌握程度，為后續的課程設計打下基礎。

2）合作小組教學手段的實施。

在教學手段上，模擬企業小組項目開發模式，將學生分組，同時也模擬開發團隊的項目階段總結方式對每節課進行課程總結。小組成員在課堂學習中都有自己的任務，完成任務的情況將記錄到個人平時考核成績中。小組成員在開始組隊時自愿申請，同時為了鼓勵能力強的學生帶隊，我們規定只有組長才有評優的權利，這樣可以激發能力強學生的積極性。組長在課程學習過程中的責任和義務是督促和幫助小組成員。小組成員必須獨立或在組長的幫助下完成每節課的總結和思考題。組長通常固定不變，小組成員的角色輪換扮演。課程學習小組成員角色任務模型如圖3所示。

在學習過程中，教師通過觀察可以將小組進行拆分并重新分組，很好地防止了互助流于形式的情況。穩固的三角關系既帶動能力弱學生的學習積極性，又鍛煉能力強學生的溝通交流能力，提高了成績的公平性，最重要的是培養了學生的團隊責任心，為學生畢業后進入企業更好地進行團隊協作和交流打下基礎。

3）以產品開發過程開展課程設計。

微機原理課程設計主要以小組形式開展項目設計。項目可以由小組成員根據生活中的小家電產品（如熱水器的控制器、門禁、保險箱等）提出產品方案，經教師審核通過后進行項目設計。這樣，不同的小組可以根據自身的能力和興趣進行項目開發，即使是能力較弱的小組也可以在教學原有項目的基礎上進行二次開發，從而全面提高學生的軟硬件動手水平，保證讓每一個學生都參與設計，提高了學生的自信心，從而激發學習熱情。設計過程中，模擬企業項目要求實施，如需求分析、方案選擇、功能模塊的劃分乃至設計過程中變量的命名規則，同時小組要明確分工，每天進行文檔總結。最后進行課程設計答辯，可以按小組進行，課程設計成績先由小組組長根據小組成員的表現給出小組成員的個人成績，再結合答辯成績進行綜合評定，項目中所寫的需求分析報告、設計文檔、總結文檔以及考勤等均可作為綜合評定的依據。

通過課程設計的鍛煉，學生既掌握了生活中小家電產品的設計過程，又提高了動手能力和團隊協作溝通能力。這些能力的培養均符合卓越工程師計劃的要求。

4、結語

學校加入卓越工程師計劃后，微機原理課程的上述改革方案在通信專業、電子技術專業和計算機專業中實施開展，一直得到學生的好評，畢業生的動手能力也得到了企業認可。下一步我們的工作是要對實驗平臺進行擴展，如增加無線通信等，讓學生在課程設計中能夠得到更好的拓展和鍛煉，同時更加貼切實際生活產品的設計。endprint