以工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)的單片機(jī)課程教學(xué)改革

楊春蘭，薛大為

（蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 蚌埠233030）

工程應(yīng)用能力是工程師最重要的基本素質(zhì)。本科教育是優(yōu)秀工程師培養(yǎng)的重要階段，如何培養(yǎng)現(xiàn)代化的工程技術(shù)人員是高等教育特別是高等工科院校亟待解決的問題［1］。課程教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，優(yōu)秀的課程建設(shè)是本科教育的重要保障，靈活多樣的教學(xué)方法是培養(yǎng)優(yōu)秀人才的關(guān)鍵因素［2］。單片機(jī)是很多工科高校開設(shè)的專業(yè)課程，它是理論知識與實踐教學(xué)緊密聯(lián)系的課程。通常單片機(jī)課程教學(xué)注重講解芯片原理及基本結(jié)構(gòu)，匯編及C51編程語言，整個教學(xué)過程中工程案例較少，各部分內(nèi)容相對獨立。實踐教學(xué)內(nèi)容大多是簡單的驗證性實驗，缺乏動手能力強的設(shè)計性和工程性實驗項目，實驗項目缺乏連貫性，同時對實踐性環(huán)節(jié)缺乏必要的考核［3-4］。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中，很難理解單片機(jī)的抽象結(jié)構(gòu)，不明白單片機(jī)的實際用途。課程結(jié)束后學(xué)生的實際動手能力及系統(tǒng)開發(fā)能力相對較差，很難滿足企業(yè)及用人單位對相應(yīng)人才的需求。經(jīng)過幾年的教學(xué)摸索及實踐，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力為出發(fā)點，整合單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容，把工程項目實例貫穿于教學(xué)全過程，構(gòu)建單片機(jī)模塊化教學(xué)模式。教學(xué)過程中首先通過案例認(rèn)識單片機(jī)，激發(fā)學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣。然后將工程實例置入各個教學(xué)模塊中，通過案例講解知識點，并在課堂上完成硬件電路設(shè)計和軟件編程及調(diào)試，使用開發(fā)板實現(xiàn)案例的調(diào)試運行。最后讓學(xué)生在實踐過程中動手完成相應(yīng)項目的設(shè)計及軟硬件調(diào)試過程，增強學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

一、理論教學(xué)改革

為了加強學(xué)生的實踐能力，提高單片機(jī)課程的教學(xué)效果，將理論知識點融入到具體的項目模塊中。現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)注重便攜性及低功耗，C51開發(fā)語言應(yīng)用廣泛，單片機(jī)串口外部設(shè)備應(yīng)用較多。根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前的特點，刪去匯編編程部分內(nèi)容，優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，模塊教學(xué)內(nèi)容為：認(rèn)識單片機(jī)開發(fā)電路板及相關(guān)軟件，人機(jī)接口的應(yīng)用，定時/計數(shù)器的應(yīng)用，中斷系統(tǒng)的應(yīng)用，串行口的應(yīng)用，單片機(jī)串行總線擴(kuò)展應(yīng)用。教學(xué)中首先讓學(xué)生認(rèn)識單片機(jī)，熟悉keil編譯軟件，演示幾個小程序，讓學(xué)生對單片機(jī)感興趣，調(diào)動學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)熱情。每個模塊包含幾個項目，通過項目講解理論知識點。在教學(xué)中引入proteus仿真平臺，使用proteus進(jìn)行硬件電路搭建，keil進(jìn)行軟件調(diào)試，然后連接調(diào)試。學(xué)生在課后也可以完成仿真平臺的搭建，設(shè)計一些實驗項目，完成仿真系統(tǒng)的調(diào)試，從而加強理論知識與實踐的銜接。

同時教學(xué)中使用單片機(jī)開發(fā)電路板演示具體的項目，講解硬件電路，進(jìn)行C51編程講解及程序調(diào)試，加強系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)的直觀性。把工程實例貫穿整個教學(xué)講解過程中，將單片機(jī)抽象難懂的知識形象化，實現(xiàn)工程實踐與理論知識相融合，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的積極主動性。例如把定時/計數(shù)器的知識點嵌入到簡易秒計數(shù)器的項目中，并引入定時/計數(shù)器的工程實例，洗衣機(jī)的正反轉(zhuǎn)時間定時及脈搏測量儀脈搏值的計數(shù)等。通過理論知識點的實踐應(yīng)用，提高學(xué)生的實踐動手能力及單片機(jī)的開發(fā)能力。

二、實踐教學(xué)改革

首先優(yōu)化實驗內(nèi)容，在驗證型實驗的基礎(chǔ)上，增加綜合性及設(shè)計型實驗，鍛煉學(xué)生綜合運用單片機(jī)知識解決問題的能力。其次強化課程設(shè)計環(huán)節(jié)，選取工程項目課題，根據(jù)設(shè)計要求完成設(shè)計要求，最終實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計及開發(fā)。最后鼓勵學(xué)生參加單片機(jī)學(xué)科競賽，提高實踐動手能力及團(tuán)隊合作精神。

（一）優(yōu)化實驗內(nèi)容

傳統(tǒng)單片機(jī)課程實驗大多為驗證型實驗，學(xué)生按照教師指導(dǎo)在實驗箱上接線，然后下載程序觀察實驗現(xiàn)象［5-6］。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，改變傳統(tǒng)使用實驗箱進(jìn)行實驗連線的模式，使用單片機(jī)實驗開發(fā)板進(jìn)行實驗。單片機(jī)開發(fā)板直觀性強，各個模塊分布緊湊，更易于學(xué)生理解。實驗內(nèi)容上增加單片機(jī)綜合型及設(shè)計型實驗，驗證性實驗為理論知識模塊的驗證，例如小燈循環(huán)顯示、數(shù)碼管數(shù)字顯示及蜂鳴器報警等實驗項目，幫助學(xué)生熟悉單片機(jī)最小系統(tǒng)及開發(fā)板各個功能模塊，讓單片機(jī)實現(xiàn)基本的功能操作。綜合型實驗為多個理論知識模塊的綜合運用，例如多路搶答器、電子時鐘及電機(jī)控制系統(tǒng)等實驗項目，鍛煉學(xué)生綜合運用各模塊知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計過程中獨立思考和解決C51編程及調(diào)試實際問題的能力。設(shè)計型實驗為教師出題，或是學(xué)生自己設(shè)計感興趣題目，學(xué)生根據(jù)設(shè)計要求及設(shè)計課題完成項目設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)項目的功能要求，例如紅外報警控制系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)等實驗項目，鍛煉學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中解決問題的能力，提高學(xué)生單片機(jī)軟件設(shè)計及調(diào)試開發(fā)能力。單片機(jī)實驗項目如表1所示，表中共12個可選實驗項目。某高校電氣及其自動化專業(yè)實驗課程20學(xué)時，其中選取驗證型實驗項目5個，綜合型實驗項目4個，設(shè)計型實驗項目1個。在實驗過程中，使用keil軟件編譯程序，然后下載到開發(fā)板調(diào)試并觀察實驗結(jié)果。

表1 實驗項目

（二）強化課程設(shè)計環(huán)節(jié)

單片機(jī)課程設(shè)計是融合各理論知識模塊的重要實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生理論知識實踐化的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過課程設(shè)計實踐，能夠提高綜合運用單片機(jī)理論知識的能力及單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計能力。以工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，選取工程項目課題或是學(xué)生自擬合適課題，對照工程設(shè)計的要求完成項目設(shè)計。根據(jù)學(xué)生的能力差別，選取難度不同的課題，根據(jù)難度等級設(shè)定不同的難度系數(shù)。一級難度的課題難度系數(shù)為1，二級難度的課題難度系數(shù)為0.9，三級難度的課題難度系數(shù)為0.8。為了合理評定學(xué)生成績，對考核具體內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，確定了考核指標(biāo)，如表2所示。教師根據(jù)成績考核評價指標(biāo)評定學(xué)生的綜合成績，最終的課程設(shè)計總評成績?yōu)榫C合成績與難度系數(shù)的乘積，總評成績按照優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級制計算。

表2 綜合成績考核評價

課程設(shè)計中教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案選取和電路設(shè)計，學(xué)生自主完成課題的設(shè)計與調(diào)試任務(wù)。根據(jù)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)及能力差異，4到5人分成一個設(shè)計小組，由組長負(fù)責(zé)本組設(shè)計工作。小組成員分工協(xié)作，討論選題，查找設(shè)計項目資料，進(jìn)行方案比較及可行性分析，確定最終項目方案。然后根據(jù)項目設(shè)計方案選取元器件，開列出所用元器件清單。運用Altium Designer軟件繪制整個系統(tǒng)電路原理圖，使用keil軟件編譯程序，并用proteus進(jìn)行仿真調(diào)試。由于課程設(shè)計周期為2周，時間較短，選用面包板進(jìn)行電路焊接、系統(tǒng)調(diào)試及運行。最后完成課程設(shè)計報告撰寫并進(jìn)行小組答辯演示，指導(dǎo)教師根據(jù)課程設(shè)計報告和答辯情況進(jìn)行評分。單片機(jī)課程設(shè)計實現(xiàn)了實踐與理論知識點的融合，加強了學(xué)生小組團(tuán)結(jié)合作意識，提高學(xué)生綜合運用單片機(jī)知識分析解決實踐問題能力及系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計能力。單片機(jī)課程設(shè)計的實踐對于學(xué)生后期的畢業(yè)設(shè)計選題、方案設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn)起到了承接作用，同時為畢業(yè)論文撰寫打下了良好的基礎(chǔ)。

（三）鼓勵學(xué)生參加學(xué)科競賽

學(xué)科競賽為學(xué)有余力的同學(xué)提供學(xué)習(xí)平臺，通過競賽可以培養(yǎng)學(xué)生對單片機(jī)學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生的動手能力及團(tuán)隊合作精神。依托電子協(xié)會、單片機(jī)實驗室、電子創(chuàng)新實驗室，從低年級同學(xué)中選拔學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行培訓(xùn)，組隊參加校級單片機(jī)設(shè)計大賽及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽，通過競賽鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計及動手能力。通過競賽，學(xué)生能夠更好地將單片機(jī)理論知識與實踐進(jìn)行融合，提高學(xué)習(xí)興趣及單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)能力。

鼓勵學(xué)生申報國家級及省級大學(xué)生創(chuàng)新項目，配備有科研經(jīng)歷的教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新項目的申報。學(xué)生組隊自己選題，收集資料進(jìn)行項目可行性研究，并確定項目設(shè)計方案，最終撰寫項目申請書并提交完成項目申報。在項目實施過程中，學(xué)生團(tuán)隊按照項目申請要求進(jìn)行電路的軟硬件設(shè)計，在學(xué)院開放實驗室進(jìn)行電路制作及調(diào)試工作，最終完成項目成果報告的撰寫。鼓勵學(xué)生通過項目參加相關(guān)學(xué)術(shù)交流，發(fā)表項目相關(guān)學(xué)術(shù)論文，申請項目相關(guān)專利，提高學(xué)生在校期間的創(chuàng)新能力及科研水平。

三、教學(xué)效果分析

以工程應(yīng)用培養(yǎng)為目標(biāo)的單片機(jī)課程教學(xué)改革模式仍然在研究階段，但是已連續(xù)幾年在某高校電子信息工程專業(yè)采用了教學(xué)改革，從而檢驗單片機(jī)課程教學(xué)改革效果。以其2016級電子信息工程專業(yè)1班（以下簡稱為“電子信息1班”）和2016級電氣工程及其自動化專業(yè)1班（以下簡稱為“電氣工程1班”）為例，電子信息1班49人，電氣工程1班50人，分別進(jìn)行獨立教學(xué)。其中電子信息1班采用以工程培養(yǎng)為目標(biāo)的單片機(jī)教改模式，電氣工程1班仍然采用傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)模式。最后采用課程設(shè)計項目——多功能數(shù)字時鐘進(jìn)行。學(xué)生自由分組，每小組4～5人，每個班共10個小組。考核過程分為設(shè)計過程陳述、成果展示及答辯等3個環(huán)節(jié)。考核環(huán)節(jié)按照課程設(shè)計環(huán)節(jié)要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計陳述、設(shè)計電路調(diào)試及現(xiàn)場答辯3個環(huán)節(jié)。考核小組由3位具有副高職稱的單片機(jī)任課教師組成，考 核小組評定結(jié)果如表3所示。

表3 考核成績

從表3可以看出，采用以工程培養(yǎng)為目標(biāo)的單片機(jī)教改模式的班級成績明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)模式的班級。說明相對于傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以工程培養(yǎng)為目標(biāo)的單片機(jī)教改模式培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用單片機(jī)知識點的能力，鍛煉了分析及解決單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計能力，更加全面地培養(yǎng)電子信息工程專業(yè)學(xué)生的工程實踐能力。采用以工程培養(yǎng)為目標(biāo)的單片機(jī)教改模式對于電子信息工程專業(yè)人才工程應(yīng)用能力培養(yǎng)是切實可行的。

四、結(jié)論

針對以工程應(yīng)用能力為目標(biāo)的單片機(jī)課程改革，筆者編寫了單片機(jī)原理與應(yīng)用實踐課程教學(xué)大綱和單片機(jī)原理與應(yīng)用實驗指導(dǎo)書，有三屆電子信息工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)入教學(xué)改革實踐，取得了很好的效果。從單片機(jī)理論教學(xué)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)對課程進(jìn)行改革，以工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，重構(gòu)理論教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化實驗項目，強化課程設(shè)計環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生多參與學(xué)科競賽，提高了學(xué)生的實踐動手能力和單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計能力，順應(yīng)了用人單位對單片機(jī)相關(guān)人才的需求，為社會培養(yǎng)更多具有單片機(jī)工程應(yīng)用能力的人才。