侯甲童　孫克偉　王玉龍

哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院　山東榮成　264300

單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計改革與實踐

侯甲童孫克偉王玉龍

哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院山東榮成264300

目前的單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計中，各項安排過于陳舊。本文提出采用自制實驗開發(fā)板作為實驗設(shè)備，優(yōu)化課程設(shè)計步驟與時間安排，注重課程設(shè)計驗收，并改進考核方式。教學(xué)反饋結(jié)果顯示，極大改善了教學(xué)效果。

單片機；課程設(shè)計；課程教學(xué)

在電類各專業(yè)實踐環(huán)節(jié)中，單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計是非常重要的一個環(huán)節(jié)，通常在單片機原理及應(yīng)用課程進行完畢后進行。

在單片機原理及應(yīng)用課程的理論課中，對于單片機的結(jié)構(gòu)、組成以及單片機系統(tǒng)的實現(xiàn)都有講解；實驗課中，學(xué)生又通過動手來編寫程序和搭建硬件電路或電路仿真來完成相應(yīng)的實驗。而緊跟其后的課程設(shè)計，在以上環(huán)節(jié)進行完畢后，通過給學(xué)生提出綜合性的系統(tǒng)要求，在學(xué)生分析解決問題后最終完成系統(tǒng)實現(xiàn)。［1-3］

1　單片機課程設(shè)計教學(xué)目標(biāo)與特點

單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計環(huán)節(jié)是為了進一步鞏固學(xué)生單片機原理及應(yīng)用課程的理解，加深對微控制器的認識，在此基礎(chǔ)之上，將所學(xué)基礎(chǔ)知識，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、檢測技術(shù)等課程進行綜合，實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合，提高學(xué)生分析問題、查找資料、解決問題的能力。［4，5］

單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計實踐性強，同時注重理論與實踐的結(jié)合。需要學(xué)生在理解課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，要完成對任務(wù)和指標(biāo)進行分析，查找資料，方案設(shè)計，電路與軟件設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試等工作。［6，7］

2　單片機課程設(shè)計的現(xiàn)狀與分析

目前很多學(xué)校在這一環(huán)節(jié)，所采用的設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、實施方式和手段等有以下特點。

2.1實驗設(shè)備陳舊

很多學(xué)校的實驗設(shè)備采用實驗臺或?qū)嶒炏?，這些實驗箱或?qū)嶒炁_是采購廠家的產(chǎn)品（如圖1所示）。實驗箱或?qū)嶒炁_的優(yōu)點是，集成了豐富的模塊，包括常用I/O擴展模塊、蜂鳴器驅(qū)動模塊、RS232和RS485模塊、8155、8255擴展模塊、8253模塊、128×64液晶點陣顯示模塊、16X16LED點陣顯示模塊、鍵盤LED控制器8279模塊、4×4鍵盤模塊、并行AD與并行DA模塊、直流電機控制模塊、步進電機控制模塊、PWM脈寬調(diào)制輸出接口模塊、繼電器模塊等?？梢蚤_展較多的設(shè)計。

但使用實驗箱或?qū)嶒炁_來開展課程設(shè)計的缺點也很明顯。

（1）實驗箱體積大，不便于攜帶。學(xué)生們只能在實驗室里使用，不便于學(xué)生帶回進行調(diào)試。這樣，學(xué)生在完成方案設(shè)計和軟硬件設(shè)計后，只能扎堆來實驗室，而實驗箱的數(shù)量和實驗室資源有限，學(xué)生往往要等待很久才能進行調(diào)試，浪費時間。

圖1　單片機實驗箱

（2）對于課程設(shè)計來說，在題目和任務(wù)確定的前提下，進行調(diào)試時，實驗箱上的很多模塊是冗余的，而這種冗余是相對的。如基于DS18B20的溫度顯示系統(tǒng)設(shè)計用到了DS18B20模塊、顯示模塊等，但是閑置了步進電機、直流電機、紅外通信等模塊。而閑置的這些模塊恰好是基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計、基于單片機的直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計、基于單片機的紅外通信系統(tǒng)設(shè)計等課程設(shè)計所需要的。所以，資源得不到最大化地利用，造成資源浪費。

（3）電路連接采用導(dǎo)線插拔，不宜使學(xué)生建立硬件設(shè)計的思想。實驗箱內(nèi)已經(jīng)集成了各模塊，且各模塊的電源供電，晶振模塊等已經(jīng)聯(lián)結(jié)完畢。學(xué)生在使用時，只需幾根信號導(dǎo)線即完成硬件上的連接。這樣學(xué)生對硬件設(shè)計沒有概念，很多學(xué)生在做完課程設(shè)計后，不知道整個系統(tǒng)包括哪幾部分模塊以及彼此之間如何聯(lián)系。

2.2課程設(shè)計各步驟和時間安排不合理

在教學(xué)進程安排上，考慮到整個環(huán)節(jié)的綜合性，單片機課程設(shè)計往往安排兩周的時間。很多學(xué)校在實施時，往往按部就班地在兩周的時間內(nèi)進行以下步驟：題目下放，學(xué)生的資料查找，方案設(shè)計，硬件與軟件設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試，驗收與答辯等環(huán)節(jié)。其實兩周的時間來完成課程設(shè)計時間上是足夠的，但是在采用實驗箱或?qū)嶒炁_作為實驗設(shè)備的前提下，系統(tǒng)調(diào)試的時間就大大縮短了。很多時候需要降低難度才能保證學(xué)生完成全部的步驟，這樣課程設(shè)計的效果會大打折扣。

2.3課程設(shè)計驗收要求過于簡化

單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計強調(diào)實踐性，所以最終的系統(tǒng)實現(xiàn)是明確的要求。但僅僅要求整個系統(tǒng)調(diào)通，展示現(xiàn)象是不夠的。

前文所述，提出單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計這個實踐環(huán)節(jié)的目的在于將各門相關(guān)課程的綜合，實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。若僅要求搭建電路后編寫程序，然后調(diào)試完畢后結(jié)束，達不到對于單片機課程和其他相關(guān)課程的加深，對于使用單片機來進行系統(tǒng)開發(fā)也沒有良好的鍛煉。

2.4考核方式過于表面化

在單片機課程設(shè)計成績考核中，往往采用如下幾個部分：考勤，實驗室表現(xiàn)，系統(tǒng)驗收，答辯等。這幾個部分的分值可以相對靈活的調(diào)整，而后兩部分的分值往往占到60%以上，比重最大。在系統(tǒng)驗收和答辯這兩個步驟，應(yīng)該不僅僅的進行評分，更重要的也是讓學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)。而目前的系統(tǒng)驗收中，往往過多關(guān)注是否實現(xiàn)了功能。

3　單片機課程設(shè)計的改進措施

針對剛才所述，單片機課程設(shè)計中存在的不足，做出以下改進措施。

3.1采用實驗開發(fā)板作為實驗設(shè)備

采用的實驗開發(fā)板如圖2所示，為自制的實驗設(shè)備。在制作本實驗開發(fā)板時，PCB板尺寸為67 mm×95 mm，板厚1.6 mm，雙面板。器件布局盡量緊湊，節(jié)省空間，便于攜帶，學(xué)生可以帶回宿舍調(diào)試程序。

除了最小系統(tǒng)部分外，包含如下模塊：獨立式按鍵模塊，蜂鳴器模塊，發(fā)光二管模塊，四位一體數(shù)碼管模塊，顯示屏接口模塊，步進電機驅(qū)動模塊，AD與DA模塊，EEPROM模塊等。使用本實驗開發(fā)板，將各部分功能部件配齊，可以完成如下實驗：流水燈實驗，按鍵實驗，數(shù)碼管顯示實驗，定時/計數(shù)器實驗，LCD顯示實驗，AD轉(zhuǎn)換實驗，DA轉(zhuǎn)換實驗，電子琴實驗，EEPROM存儲實驗，步進電機驅(qū)動實驗等。

若要做一些其他實驗或項目，而本實驗板上沒有相應(yīng)的功能模塊，則將相應(yīng)的電源和接口使用杜邦線引出，接到外圍模塊的相應(yīng)引腳即可。

圖2　實驗開發(fā)板

3.2 課程設(shè)計各步驟和時間安排的改進

課程設(shè)計采用的步驟如圖3所示。相較于以往的課程設(shè)計步驟，增加了仿真調(diào)試和仿真驗收環(huán)節(jié)。仿真軟件采用Proteus和Keil相結(jié)合的方式進行。通過仿真調(diào)試環(huán)節(jié)，使學(xué)生加深硬件設(shè)計的思想，并在仿真的過程中，對出現(xiàn)的問題進行排查，可以將各門相關(guān)課程進行綜合。

圖3　課程設(shè)計步驟

單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計的時間安排采用較靈活的方式，在單片機原理及應(yīng)用課程授課之處就將課程設(shè)計題目下發(fā)。在課程的進行中，學(xué)生查找資料并進行方案設(shè)計，并逐步地進行硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。最終，完成仿真和實物調(diào)試后驗收通過，撰寫報告和答辯。這樣的時間安排相當(dāng)于將課程設(shè)計的有效時間延長，有利于學(xué)生更好地完成課程設(shè)計，提高實踐能力。

3.3課程設(shè)計要求更全面

在課程設(shè)計的步驟中，加入了仿真調(diào)試和驗收。針對這一項，在題目下發(fā)之初，就明確要求仿真調(diào)試應(yīng)全部通過。并且最終系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)，要求在最小系統(tǒng)板之外焊接電路板，來構(gòu)成總體系統(tǒng)電路。這樣有仿真有實物，學(xué)生對于課程設(shè)計的題目，以及各門課程有更深刻的理解，加強理論與實踐的結(jié)合。

3.4考核方式的改進

對于考勤和實驗室表現(xiàn)的考核，參考一般做法即可，重點對于后兩個步驟的考核，即驗收和答辯。

在仿真驗收和實物驗收階段，由每個學(xué)生獨立操作。對于仿真驗收，學(xué)生將完整的流程，包括建立工程，添加項目文件，編輯文件，編譯文件，仿真調(diào)試等步驟全部演示。對于實物驗收，學(xué)生將自己焊接的外圍電路模塊連接到最小系統(tǒng)板上進行操作演示，并說明自己的方案設(shè)計及思路。教師根據(jù)仿真演示和實物演示的情況，以及學(xué)生的講解情況給出成績。

在答辯環(huán)節(jié)，學(xué)生上交報告并自述，簡要說明自己硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的各模塊功能，以及設(shè)計和調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題和解決方法。最后由教師提問，根據(jù)提問結(jié)果，結(jié)合報告和自述給出這一部分成績。

4　結(jié)束語

單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計中，實驗設(shè)備的選擇，課程設(shè)計步驟與時間安排，課程設(shè)計要求以及考核方式起著重要的作用，它關(guān)乎課程設(shè)計是否能夠達到預(yù)定的教學(xué)效果。在本課題組2013～2014兩個學(xué)年的單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計中采用上述的改進措施，根據(jù)教學(xué)效果和學(xué)生反饋，均較以往有很大改進。

［1］ 葛浩，林其斌.單片機課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2011（10）:138-140.

［2］ 翟子楠，趙志敏.項目管理模式在單片機原理課程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.中國電力教育，2008（9）:51-52.

［3］ 鄭梁，胡冀，徐平原.單片機課程設(shè)計的創(chuàng)新教育模式研究與實踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009（S1）:99-101.?

［4］ 謝斌，譚彧，楊柳.單片機原理與應(yīng)用課程設(shè)計評價標(biāo)準(zhǔn)的研究與實踐［J］.高教論壇，2009（11）:43-44.

［5］ 曲輝，劉宇.面向項目的“單片機原理及應(yīng)用”課程設(shè)計改革探析［J］.中國電力教育，2013（35）:76-77.

［6］ 李全利.單片機原理及應(yīng)用（C51編程）［M］.北京:高等教育出版社，2012.

［7］ 李全利.單片機原理及應(yīng)用［M］.第2版.北京:清華大學(xué)出版社，2014.

The Reform and Practice of Principle and Application of MCU Curriculum Design

Hou Jiatong， Sun Kewei， WangYulong
Harbin University of Science and Technology， Rongcheng， 264300， China

In the current Principles and Applications of MCU curriculum design， the arrangements are too old. The homemade experimental development board is used as laboratory equipment in this paper is proposed， the steps and timing of curriculum design are improved.Then，the acceptance of curriculum design is emphasized， and the assessment method is improved. Teaching feedback showed that it improved the effectiveness of teaching greatly.

MCU； curriculum design；curriculum teaching

2014-12-27

侯甲童，碩士，講師。孫克偉，碩士，助教。王玉龍，碩士，講師。

哈爾濱理工大學(xué)教育教學(xué)研究項目（編號：320140021。