機械類專業單片機課程教學改革與學生工程素質培養

郭冰菁 趙書尚 韓建海

河南科技大學 河南洛陽 471003

隨著自動化水平的提高及大規模集成電路技術的發展，嵌入式系統以其體積小、集成度高、靈活性強、操作方便等優點在各行各業的應用越來越廣泛，可實現數據采集、智能控制、通訊傳輸、工況監測與管理等功能。根據IEEE(電氣和電子工程師協會)的定義，嵌入式系統是“控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”(Devices used to control,monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。目前國內一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

20世紀70年代，單片機的出現使得汽車、家電、工業機器、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更好的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。迄今為止，51系列單片機仍然是最為成功的、各種嵌入式芯片中簡單而典型的一類芯片，在各種產品中有著非常廣泛的應用。通過對此芯片原理與接口擴展的學習，為高級別芯片(如DSP，ARM等)的學習與開發打下基礎。因此，單片機原理與接口技術是各工科院校機械類專業的專業基礎課，而且大多數是考試課，學好單片機對學生掌握先進的專業技術知識、獲得實用的職業技能、拓寬自己的就業面、增強就業競爭力具有重要的意義。

1 課程教學的改革

單片機原理與接口技術是一門應用性很強的課程，只有理論聯系實際，采用“由面到點再到面”的基礎與實例相結合的教學方法，配合相關實驗教學，聯系后續課程設計，組成興趣小組參加相關競賽或科研項目，因材施教，才能在掌握單片機技術的同時培養學生運用知識、分析解決問題的能力，并在學習中提升學生的工程實踐能力。因此該課程應強調在教學過程中，從單片機的應用特點出發，以培養學生工程素質和職業綜合素質作為課程教學改革的目標。

1.1 科學的教學體系

改革現有的傳統教學模式，在課程教學上以重視基礎理論、強化實踐、重在應用為指導思想，將理論教學、實驗教學、課程設計、畢業設計和電子設計競賽有機結合起來，組成科學而有效的課程教學體系。教學體系中各環節相互支撐，通過實踐環節的反饋，調整理論教學的內容與方法，查漏補缺，適當引導。

1.2 采用基礎與實例相結合的教學模式，改革教學方法

在單片機課程教學中，按傳統教學方法分硬件、軟件、接口三部分講解時，硬件部分抽象，學生難以理解；軟件部分需要邏輯思維，同時其編程直接針對硬件，與其他語言編程有很大區別，學生難以掌握；接口設計是軟、硬件的結合擴展，前面知識沒有掌握，接口設計難以學會。傳統的教學方法造成該課程教學效果差，學生死記硬背應付考試，學完就忘，不會應用。基于多年的教學經驗，并根據單片機技術的特點，筆者以實用性、實踐性為原則，采用“從面到點再到面”的教學模式，以實際典型項目為主線，貫穿整個教學過程，講解涉及的原理、通用性較強的接口電路及編程，提高學生系統設計和綜合應用能力。教學模式的改革如圖1所示。

圖1 基礎與實例相結合的教學模式示意圖

教學過程首先從“面”開始，介紹單片機應用實例，并選擇典型實例作為課程主線，對于機械類專業，可選用工業通用測控系統作為典型實例。其次，進入“點”的學習，將該系統分解為5個模塊：傳感器、數據采集、主控單元、人機交互、控制輸出。針對每個模塊，基于單片機基礎知識，完成各個模塊及模塊接口的設計。最后，回到“面”，即結合其他課程，如測試技術、電工電子技術、機電一體化技術，將各模塊綜合起來，構成完整的系統。通過這種“由面到點再到面”的基礎與實例相結合的教學模式，激發了學生的學習興趣，使他們了解了系統設計的思路與過程，知道了各門課程之間的銜接，真正提高了學生綜合運用知識的能力和工程素質。

1.3 改革考核方法，注重學生工程素質的培養

教學方法的改革帶來考核方法的相應改革，兩者相得益彰，既達到教學目的，也培養了學生的工程素質。因此，考核方法應突出課程的工程應用性特點。采用筆試、大作業及實驗三方面考核。筆試成績占70%，包括基礎理論和綜合提高題目兩部分。基礎理論主要對單片機基礎硬件知識、簡單程序編寫、定時器與中斷知識的考核，綜合提高題目是對接口電路設計及配套軟件的考核。大作業成績占20%，用大作業取代各章后面的小習題，學生按宿舍分組，便于平時討論，自己擬題或選擇指定的題目，隨著課堂教學的深入，逐步完成，每人承擔題目中的一部分內容，不得重復，最終依據學生的完成情況和提交文字報告等進行評價。實驗考核占10%，由實驗教師完成，學生將大作業的內容在實驗設備上進行調試，或自己焊接某一模塊后進行調試，或從做過的基本實驗中隨機抽取一個考核，主要考核學生的動手能力。

2 單片機一體化實訓平臺的建立

培養學生動手能力，需要給他們提供一個良好的平臺。針對教材內容，本教研室開發并制作了專用的51單片機一體化實訓平臺，已投入到教學、實驗、課程設計和畢業設計等各個環節中。

該實訓平臺集成了豐富的硬件資源，采用模塊化設計與布局，并且為學生提供了多種接口，使學生可以靈活構建各種系統方案。模塊包括：CPU核心及I/O接口模塊、復位電路模塊、電壓基準源電路、模擬量輸出模塊、串行AD模塊、串行DA模塊、并行AD模塊、并行DA模塊、功率驅動模塊、RS232通訊模塊、RS485通訊模塊、實時時鐘模塊、蜂鳴器模塊、16×16點陣LED模塊、8位數碼管顯示模塊、LCD模塊、矩陣式鍵盤模塊、PS/2鍵盤接口模塊、獨立式按鍵模塊、電源模塊、溫度傳感器模塊、紅外收發模塊、SPI總線串行EEPROM模塊、I2C總線串行EEPROM模塊、串轉并模塊、138譯碼模塊、反向電路模塊、頻率發生模塊、LED指示燈模塊、開關輸入模塊等。并提供小型步進電機、直流電機作為執行元件。

由此可見，上述模塊和配件應用于機械類專業教學，可以方便地構成各種工業測控系統，如，數據采集儀、溫度控制器、步進電機控制器、直流電機調速系統等，完全與教材及教學內容配套。學生使用方便、直觀，可以基于此平臺完成從選題、制定設計方案、系統硬件軟件設計、調試檢測到編寫文檔資料等開發設計的全過程。通過這樣的實踐教學，學生掌握了單片機系統開發設計的流程和方法。培養學生具備一定的綜合分析、設計與應用能力，并通過大作業、課程設計和畢業設計鍛煉了學生的表達能力、自我學習能力、資料檢索與綜合運用能力、協作能力與創新能力。

3 教學改革對學生工程素質的培養

在目前的教學改革中，始終堅持應用型人才的培養，幫助學生盡快盡早完成從學習者到設計者的轉變，這是本課程教學改革的核心思想。

經過近幾年的教學實踐，在開展單片機原理與接口技術課程教學改革后，學生熟悉了工業測控系統的設計、開發過程，積極參加“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、大學生電子設計競賽以及我校的大學生訓練計劃競賽等，工程素質、協作能力、自我管理能力、工作規劃和解決問題的能力明顯加強，而這些正是學生在日后職業生涯中應具備的能力。

在今后的教學過程中，隨著各個環節教學效果的反饋和單片機技術的不斷發展，我們將逐步調整教學內容，改進教學模式，結合專業方向，培養出適合時代發展需要的工程實踐型復合人才。

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