以工程應(yīng)用為目標(biāo)的單片機(jī)課程教學(xué)改革

李偉 儲萍 季堅莞

浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院

以工程應(yīng)用為目標(biāo)的單片機(jī)課程教學(xué)改革

李偉 儲萍 季堅莞

浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院

以工程應(yīng)用目標(biāo)，項目化教學(xué)為抓手，改革單片機(jī)課程教學(xué)，把教學(xué)的知識點(diǎn)與項目的實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，理論講解與實(shí)際演示即時結(jié)合，動手實(shí)踐與實(shí)際開發(fā)平臺應(yīng)用緊密結(jié)合，項目與專業(yè)知識應(yīng)用相結(jié)合，使單片機(jī)課程教學(xué)適應(yīng)電類畢業(yè)生的就業(yè)需求。

MSP430單片機(jī) 項目化教學(xué) 課堂教學(xué)改革 工程應(yīng)用 人才培養(yǎng)

一、單片機(jī)課程的現(xiàn)狀與特點(diǎn)

單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心內(nèi)容、專業(yè)知識的應(yīng)用平臺，是電子信息類專業(yè)重要基礎(chǔ)課程，其特點(diǎn)有很強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用的綜合性和其它課程聯(lián)系的緊密性，要讓學(xué)生學(xué)好該課程，達(dá)到較好的工程應(yīng)用能力目標(biāo)，必須有很好的教學(xué)內(nèi)容和資源平臺的支撐，主要包括一是單片機(jī)教學(xué)機(jī)型要貼近實(shí)際應(yīng)用，二是一定要選擇一個功能強(qiáng)、性能好的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)平臺支撐學(xué)生實(shí)驗(yàn)和項目開發(fā)，三是用項目化的教學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用目標(biāo)。

課改前，我院單片機(jī)課程采用51單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，以課堂教學(xué)與課內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合實(shí)施教學(xué)，課堂主要通過PPT講解，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)。這種方式存在的主要問題有：（1）與工程實(shí)際廣泛應(yīng)用的單片機(jī)相比，51單片機(jī)集成資源過少。（2）單純的PPT課件授課，學(xué)生難以直觀理解單片硬件結(jié)構(gòu)。（3）實(shí)驗(yàn)箱的軟件開發(fā)平臺和目前流行的集成開發(fā)環(huán)境差距很大，而且僅支持匯編語言，工程實(shí)際單片機(jī)編程都是C語言，不能與實(shí)際應(yīng)用接軌。（4）因?yàn)閷?shí)驗(yàn)箱的構(gòu)造是模塊化電路仿真實(shí)際CPU，影響學(xué)生對單片機(jī)系統(tǒng)理解。（5）由于實(shí)驗(yàn)課時有限，教師只能簡單地講授一下實(shí)驗(yàn)的基本思路和操作方法，導(dǎo)致學(xué)生在整個實(shí)驗(yàn)過程中利用現(xiàn)成程序進(jìn)行驗(yàn)證性模仿，只是跟著做了一遍，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

二、課程改革目標(biāo)

以工程應(yīng)用廣泛的MSP430系列單片機(jī)取代目前的MCS-51單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，具體型號采用MSP430G2553，充分利用TI大學(xué)計劃嵌入式微控制器技術(shù)的LaunchPad口袋實(shí)驗(yàn)平臺、CCSv5軟件開發(fā)環(huán)境及各類器件用戶手冊等資源，為每位學(xué)生提供一套可隨身攜帶的口袋式實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)動學(xué)生利用課余時間在宿舍、實(shí)驗(yàn)室等各種場地開展單片機(jī)學(xué)習(xí)。

以項目化的形式設(shè)計課堂教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)項目設(shè)計做到深入淺出，通俗易懂，具備很強(qiáng)的實(shí)用性，教學(xué)過程體現(xiàn)改革、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，拉近教學(xué)與實(shí)際的距離，突出工程應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力。

從工程應(yīng)用的實(shí)際出發(fā)，以單片機(jī)應(yīng)用為主線，采用C語言編程，把相關(guān)C語言知識融合在工作任務(wù)中，以夠用為度，讓學(xué)生在技能訓(xùn)練中逐漸掌握編程方法和技巧。

三、教學(xué)改革措施

探索單片機(jī)課程的項目化教學(xué)是改革課堂教學(xué)方法的有效途徑之一，它是以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，它不以知識技能傳遞為目標(biāo)，讓學(xué)生按照教師的安排和講授去得到一個結(jié)果，而是教師的指導(dǎo)學(xué)生去尋找得到這個結(jié)果的途徑，最終得到結(jié)果，并進(jìn)行展示和自我評價，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于學(xué)習(xí)過程，這個過程鍛煉了各種能力。

本課程項目化教學(xué)改革的最大特點(diǎn)是：把教學(xué)的知識點(diǎn)與項目的實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，理論講解與實(shí)際演示即時結(jié)合，動手實(shí)踐與實(shí)際開發(fā)平臺應(yīng)用緊密結(jié)合，項目與專業(yè)知識應(yīng)用相結(jié)合，課程與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合。

（一）選好開發(fā)調(diào)試集成環(huán)境

熟悉一個好的集成開發(fā)環(huán)境和嫻熟利用環(huán)境調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)的能力是學(xué)生學(xué)好單片機(jī)原理、掌握系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的重要條件，可以說它是學(xué)生學(xué)好單片機(jī)的助推劑。TI 公司的CCSv6.0是新推出的集成開發(fā)環(huán)境，支持所有公司處理器產(chǎn)品，包括MSP430、ARM Cortex系列、C2000和DSP，對MSP430的支持達(dá)到全新的高度。直接把它作為學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的開發(fā)調(diào)試平臺，降低了學(xué)習(xí)MSP430的門檻，做到了與實(shí)際應(yīng)用的零距離，也為繼續(xù)學(xué)習(xí)ARM、DSP處理器打好了平臺基礎(chǔ)。

（二）貼近工程實(shí)際的教學(xué)資源建設(shè)

通過對單片機(jī)課程教學(xué)資源信息全方位、多層次、中英文、系統(tǒng)性整合，構(gòu)建了立體化課程教學(xué)資源，把英文數(shù)據(jù)手冊作為教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，把課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用距離拉近至極限。主要包括MSP430 Launchpad實(shí)驗(yàn)平臺篇（輔助教材）、G2553板英文手冊、430_2xx2_user、MSP430中文用戶指南、MSP430 CCSv軟件開發(fā)指南、MSP430C語言例題等電子、紙質(zhì)資源。

（三）教學(xué)項目設(shè)計

以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力為主線，梳理單片機(jī)基本知識點(diǎn)，基本理論不追求深廣、注重融入應(yīng)用。項目結(jié)構(gòu)總體成樹狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)容基本上后向前覆蓋，有利于知識的鞏固提高，但部分內(nèi)容設(shè)計成先用后學(xué)，通過“先學(xué)”，使學(xué)生能攜帶問題而進(jìn)入課堂，使得學(xué)生在課上變成了學(xué)習(xí)的主體，以提高學(xué)生的自學(xué)及應(yīng)用能力。舉例如下：

LED閃爍燈項目：基本知識點(diǎn)：單片機(jī)結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)部資源概況；單片機(jī)小系統(tǒng)電路；CCSv軟件的使用概況；如何讓程序跑起來。以上知識點(diǎn)通過LED閃爍燈制作項目的講解演示與在CCSv環(huán)境中動手實(shí)現(xiàn)直觀的、概要性的去理解掌握，使學(xué)生既學(xué)習(xí)單片機(jī)原理理論知識，又了解實(shí)際設(shè)計工具，逐步熟悉掌握編程調(diào)試工具。這是用理論指導(dǎo)實(shí)踐，以實(shí)踐鞏固理論，培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)學(xué)習(xí)興趣有效辦法。

系統(tǒng)時鐘應(yīng)用項目：基本知識點(diǎn)：430單片機(jī)低功耗特性的重要功能單元，時鐘單元基本結(jié)構(gòu)，IO口作用。以上知識點(diǎn)通過項目的LED驅(qū)動、鍵盤識別及閃爍頻率改變來理解掌握原理，重點(diǎn)理解時鐘電路的結(jié)構(gòu)、作用、低功耗的編程實(shí)現(xiàn)，直觀理解IO口的功能，通過原理介紹和在CCSv環(huán)境中設(shè)計實(shí)現(xiàn)演示，讓學(xué)生深刻理解項目的功能、設(shè)計要點(diǎn)、程序?qū)崿F(xiàn)，讓學(xué)生在完成任務(wù)過程中，逐漸構(gòu)建單片機(jī)基礎(chǔ)知識，提高單片機(jī)的應(yīng)用編程實(shí)踐能力。

中斷按鍵項目：基本知識點(diǎn)：中斷概念及系統(tǒng)，IO結(jié)構(gòu)及編程，看門狗原理及應(yīng)用。中斷是學(xué)習(xí)單片機(jī)原理的重要內(nèi)容，也是學(xué)生在單片機(jī)應(yīng)用時的一個難點(diǎn)。把中斷原理融入具體的IO、看門狗中斷事件中去理解，在項目中去應(yīng)用；在對已有IO口功能直觀理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)IO的結(jié)構(gòu)及具體編程，使得學(xué)習(xí)效果得到很大提升。

I2C擴(kuò)展IO項目：基本知識點(diǎn)：I2C工作原理、I2C擴(kuò)展單片機(jī)IO、擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)。通過基于TCA6416A的I2C擴(kuò)展IO鍵盤、LCD等設(shè)備中去理解，在項目應(yīng)用中掌握其編程技術(shù)，提高學(xué)生的單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展能力，這是單片機(jī)在工程應(yīng)用中非常實(shí)用的技術(shù)。

四、教學(xué)方法與手段的改進(jìn)

（一）以應(yīng)用為主線組織課堂教學(xué)內(nèi)容

將課程內(nèi)容通過項目設(shè)計合理組織，每個項目均有一定的應(yīng)用目標(biāo)，且包含相應(yīng)的課程內(nèi)容。每個項目基本按順序依次后向前覆蓋，部分交叉，體現(xiàn)學(xué)中做、做中學(xué)，使學(xué)生逐步加深和提高系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)能力。

（二）采用啟發(fā)式、引導(dǎo)式的教學(xué)方法

通過項目引入教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生針對項目實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提出尋求解決方法，課堂上在CCSv6開發(fā)環(huán)境中教師和學(xué)生利用手中的口袋實(shí)驗(yàn)裝置共同研究項目的實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行調(diào)試、演示，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力及實(shí)踐能力

（三）以單片機(jī)課程帶動學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐活動

將課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容由原來的課程教學(xué)定義擴(kuò)展到學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐活動，鼓勵學(xué)生利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，積極申報學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項目、開展電子設(shè)計競賽等活動，調(diào)動學(xué)生利用課余時間在宿舍、實(shí)驗(yàn)室等各種場地開展單片機(jī)應(yīng)用與電子產(chǎn)品制作的活動，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好條件，擴(kuò)展了單片機(jī)應(yīng)用實(shí)踐的時間和場地。

五.教學(xué)改革效果

對單片機(jī)課程教學(xué)改革和三輪課改實(shí)踐驗(yàn)證，取得了很好的成效，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣更為濃厚，由原來的被動式學(xué)習(xí)演變?yōu)橹鲃永瞄_發(fā)板進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，出現(xiàn)了課外學(xué)生自選單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)課題進(jìn)行自行設(shè)計研究的好現(xiàn)象，推動了學(xué)生的課外電子設(shè)計。

2.單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)為學(xué)生參加電子設(shè)計競賽打下較好基礎(chǔ)，為我院學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計競賽取得好成績發(fā)揮了重要的作用。2015 年以來，相關(guān)學(xué)生共獲省二等獎2組、三等獎6 組，另外，除等級獎外的所有參賽隊均獲成功參賽獎，連續(xù)三年獲獎率達(dá)100%。

3.單片機(jī)設(shè)計應(yīng)用能力的提高，提高了學(xué)生就業(yè)競爭力，專業(yè)對口就業(yè)比例有了較大提高，部分畢業(yè)生在畢業(yè)后進(jìn)入專業(yè)電子類開發(fā)公司，成為單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)人才。

[1]高春甫，王冬云，馬繼杰.《中國制造2025》背景下單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016,6（22）：141-142.

[2]盧振利，陳飛，毛麗民，單長考，劉叔軍，李智超. 基于科研反哺教學(xué)理念的《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》教學(xué)改革[J]. 黑龍江科技信息，2015（31）：62-63.

[3]謝宇希，黃順，唐建鋒，劉洪波，王文靜，朱亞培. 基于項目化教學(xué)的轉(zhuǎn)型探索在單片機(jī)原理課程中的應(yīng)用[J].價值工程，2017（04）：168-169.

[4]傅強(qiáng)，楊艷. LaunchPad口袋實(shí)驗(yàn)平臺—MSP-EXP430G2篇[M].青島大學(xué)-德州儀器MSP430聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，2013.

李偉（1961-），男，教授職稱，浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院；儲萍（1982-），女，講師職稱，浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院。

浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項目 (kg2015546)“單片機(jī)原理課程項目化建設(shè)”，浙江省“十二五”新興特色專業(yè)建設(shè)項目“電子信息工程專業(yè)”。