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(wèn)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(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)課程，它是理論知識(shí)與實(shí)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(yǔ)言，整個(gè)教學(xué)過(guò)程中工程案例較少，各部分內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容大多是簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏動(dòng)手能力強(qiáng)的設(shè)計(jì)性和工程性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏連貫性，同時(shí)對(duì)實(shí)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(guò)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(shí)際用途。課程結(jié)束后學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力相對(duì)較差，很難滿(mǎn)足企業(yè)及用人單位對(duì)相應(yīng)人才的需求。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)摸索及實(shí)踐，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力為出發(fā)點(diǎn)，整合單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容，把工程項(xiàng)目實(shí)例貫穿于教學(xué)全過(guò)程，構(gòu)建單片機(jī)模塊化教學(xué)模式。教學(xué)過(guò)程中首先通過(guò)案例認(rèn)識(shí)單片機(jī)，激發(fā)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣。然后將工程實(shí)例置入各個(gè)教學(xué)模塊中，通過(guò)案例講解知識(shí)點(diǎn)，并在課堂上完成硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程及調(diào)試，使用開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)案例的調(diào)試運(yùn)行。最后讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中動(dòng)手完成相應(yīng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及軟硬件調(diào)試過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

一、理論教學(xué)改革

為了加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高單片機(jī)課程的教學(xué)效果，將理論知識(shí)點(diǎn)融入到具體的項(xiàng)目模塊中?，F(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)注重便攜性及低功耗，C51開(kāi)發(fā)語(yǔ)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(diǎn)，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(shí)單片機(jī)開(kāi)發(fā)電路板及相關(guān)軟件，人機(jī)接口的應(yīng)用，定時(shí)/計(jì)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(xiàn)擴(kuò)展應(yīng)用。教學(xué)中首先讓學(xué)生認(rèn)識(shí)單片機(jī)，熟悉keil編譯軟件，演示幾個(gè)小程序，讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)感興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)熱情。每個(gè)模塊包含幾個(gè)項(xiàng)目，通過(guò)項(xiàng)目講解理論知識(shí)點(diǎn)。在教學(xué)中引入proteus仿真平臺(tái)，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(tái)的搭建，設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成仿真系統(tǒng)的調(diào)試，從而加強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)踐的銜接。

同時(shí)教學(xué)中使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)電路板演示具體的項(xiàng)目，講解硬件電路，進(jìn)行C51編程講解及程序調(diào)試，加強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)的直觀性。把工程實(shí)例貫穿整個(gè)教學(xué)講解過(guò)程中，將單片機(jī)抽象難懂的知識(shí)形象化，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐與理論知識(shí)相融合，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的積極主動(dòng)性。例如把定時(shí)/計(jì)數(shù)器的知識(shí)點(diǎn)嵌入到簡(jiǎn)易秒計(jì)數(shù)器的項(xiàng)目中，并引入定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工程實(shí)例，洗衣機(jī)的正反轉(zhuǎn)時(shí)間定時(shí)及脈搏測(cè)量?jī)x脈搏值的計(jì)數(shù)等。通過(guò)理論知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐應(yīng)用，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力及單片機(jī)的開(kāi)發(fā)能力。

二、實(shí)踐教學(xué)改革

首先優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加綜合性及設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)知識(shí)解決問(wèn)題的能力。其次強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，選取工程項(xiàng)目課題，根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成設(shè)計(jì)要求，最終實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)。最后鼓勵(lì)學(xué)生參加單片機(jī)學(xué)科競(jìng)賽，提高實(shí)踐動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)合作精神。

（一）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

傳統(tǒng)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)大多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照教師指導(dǎo)在實(shí)驗(yàn)箱上接線(xiàn)，然后下載程序觀察實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)連線(xiàn)的模式，使用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。單片機(jī)開(kāi)發(fā)板直觀性強(qiáng)，各個(gè)模塊分布緊湊，更易于學(xué)生理解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上增加單片機(jī)綜合型及設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為理論知識(shí)模塊的驗(yàn)證，例如小燈循環(huán)顯示、數(shù)碼管數(shù)字顯示及蜂鳴器報(bào)警等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，幫助學(xué)生熟悉單片機(jī)最小系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)板各個(gè)功能模塊，讓單片機(jī)實(shí)現(xiàn)基本的功能操作。綜合型實(shí)驗(yàn)為多個(gè)理論知識(shí)模塊的綜合運(yùn)用，例如多路搶答器、電子時(shí)鐘及電機(jī)控制系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用各模塊知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中獨(dú)立思考和解決C51編程及調(diào)試實(shí)際問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為教師出題，或是學(xué)生自己設(shè)計(jì)感興趣題目，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)課題完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的功能要求，例如紅外報(bào)警控制系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試開(kāi)發(fā)能力。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示，表中共12個(gè)可選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。某高校電氣及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程20學(xué)時(shí)，其中選取驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目5個(gè)，綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目4個(gè)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1個(gè)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用keil軟件編譯程序，然后下載到開(kāi)發(fā)板調(diào)試并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（二）強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是融合各理論知識(shí)模塊的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生理論知識(shí)實(shí)踐化的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，能夠提高綜合運(yùn)用單片機(jī)理論知識(shí)的能力及單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)能力。以工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，選取工程項(xiàng)目課題或是學(xué)生自擬合適課題，對(duì)照工程設(shè)計(jì)的要求完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。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(jí)設(shè)定不同的難度系數(shù)。一級(jí)難度的課題難度系數(shù)為1，二級(jí)難度的課題難度系數(shù)為0.9，三級(jí)難度的課題難度系數(shù)為0.8。為了合理評(píng)定學(xué)生成績(jī)，對(duì)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(jī)考核評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)定學(xué)生的綜合成績(jī)，最終的課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī)?yōu)榫C合成績(jī)與難度系數(shù)的乘積，總評(píng)成績(jī)按照優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級(jí)制計(jì)算。

表2 綜合成績(jī)考核評(píng)價(jià)

課程設(shè)計(jì)中教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案選取和電路設(shè)計(jì)，學(xué)生自主完成課題的設(shè)計(jì)與調(diào)試任務(wù)。根據(jù)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及能力差異，4到5人分成一個(gè)設(shè)計(jì)小組，由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)本組設(shè)計(jì)工作。小組成員分工協(xié)作，討論選題，查找設(shè)計(jì)項(xiàng)目資料，進(jìn)行方案比較及可行性分析，確定最終項(xiàng)目方案。然后根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案選取元器件，開(kāi)列出所用元器件清單。運(yùn)用Altium Designer軟件繪制整個(gè)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(jì)周期為2周，時(shí)間較短，選用面包板進(jìn)行電路焊接、系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行。最后完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)并進(jìn)行小組答辯演示，指導(dǎo)教師根據(jù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯情況進(jìn)行評(píng)分。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐與理論知識(shí)點(diǎn)的融合，加強(qiáng)了學(xué)生小組團(tuán)結(jié)合作意識(shí)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)知識(shí)分析解決實(shí)踐問(wèn)題能力及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐對(duì)于學(xué)生后期的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題、方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起到了承接作用，同時(shí)為畢業(yè)論文撰寫(xiě)打下了良好的基礎(chǔ)。

（三）鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽

學(xué)科競(jìng)賽為學(xué)有余力的同學(xué)提供學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過(guò)競(jìng)賽可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)合作精神。依托電子協(xié)會(huì)、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室、電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，從低年級(jí)同學(xué)中選拔學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行培訓(xùn)，組隊(duì)參加校級(jí)單片機(jī)設(shè)計(jì)大賽及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，通過(guò)競(jìng)賽鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)手能力。通過(guò)競(jìng)賽，學(xué)生能夠更好地將單片機(jī)理論知識(shí)與實(shí)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(jì)開(kāi)發(fā)能力。

鼓勵(lì)學(xué)生申報(bào)國(guó)家級(jí)及省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)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(xiàng)目的申報(bào)。學(xué)生組隊(duì)自己選題，收集資料進(jìn)行項(xiàng)目可行性研究，并確定項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，最終撰寫(xiě)項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)并提交完成項(xiàng)目申報(bào)。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)按照項(xiàng)目申請(qǐng)要求進(jìn)行電路的軟硬件設(shè)計(jì)，在學(xué)院開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電路制作及調(diào)試工作，最終完成項(xiàng)目成果報(bào)告的撰寫(xiě)。鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目參加相關(guān)學(xué)術(shù)交流，發(fā)表項(xiàng)目相關(guān)學(xué)術(shù)論文，申請(qǐng)項(xiàng)目相關(guān)專(zhuān)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(zhuān)業(yè)采用了教學(xué)改革，從而檢驗(yàn)單片機(jī)課程教學(xué)改革效果。以其2016級(jí)電子信息工程專(zhuān)業(yè)1班（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“電子信息1班”）和2016級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)1班（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(dú)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(jì)項(xiàng)目——多功能數(shù)字時(shí)鐘進(jìn)行。學(xué)生自由分組，每小組4～5人，每個(gè)班共10個(gè)小組?？己诉^(guò)程分為設(shè)計(jì)過(guò)程陳述、成果展示及答辯等3個(gè)環(huán)節(jié)?？己谁h(huán)節(jié)按照課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳述、設(shè)計(jì)電路調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)答辯3個(gè)環(huán)節(jié)?？己诵〗M由3位具有副高職稱(chēng)的單片機(jī)任課教師組成，考 核小組評(píng)定結(jié)果如表3所示。

表3 考核成績(jī)

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(jí)成績(jī)明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)模式的班級(jí)。說(shuō)明相對(duì)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(yùn)用單片機(jī)知識(shí)點(diǎn)的能力，鍛煉了分析及解決單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，更加全面地培養(yǎng)電子信息工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的工程實(shí)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(duì)于電子信息工程專(zhuān)業(yè)人才工程應(yīng)用能力培養(yǎng)是切實(shí)可行的。

四、結(jié)論

針對(duì)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(xiě)了單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)踐課程教學(xué)大綱和單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，有三屆電子信息工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)入教學(xué)改革實(shí)踐，取得了很好的效果。從單片機(jī)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生多參與學(xué)科競(jìng)賽，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力，順應(yīng)了用人單位對(duì)單片機(jī)相關(guān)人才的需求，為社會(huì)培養(yǎng)更多具有單片機(jī)工程應(yīng)用能力的人才。