機械專業單片機課程案例教學研究

王正初++范劍++李軍

摘 要 指出單片機技術對機械工程的重要意義，分析機械類專業單片機課程所存在的問題，提出機械專業單片機的案例教學方法，詳細介紹課程的準備、組織實施和考核等方面內容。實踐表明，該種方法在機械專業的教學過程中是可行、有效的。

關鍵詞 單片機；案例教學；機械專業

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0081-03

Research in Case Teaching of MUC Course for Mechanical Major//

WANG Zhengchu， FAN Jian， LI Jun

Abstract The paper points out the importantsignificanceof MCU technologyin Mechanical Engineering and analyses the problem of MCU course for mechanical major. Case teaching method is put forward. Describe in detail the course of preparation， organization， implementation and evaluation and so on. The practice shows that the method is feasible and effective in the teaching process of mechanical major.

Key words MCU； case teaching； mechanical major

現在的機械產品基本上是機械結構與電路有機結合的機電一體化產品，單一的機械結構設備很少了。整個社會要求做機械的也要懂電，懂控制。機械專業學生通過單片機等相關課程學習，可以深入了解電路控制，以及如何實現電對機械的控制。從大的方面來講，學生在以后從事設計或者相關行業遇到復雜機械結構的設計時，可以考慮采用芯片電路等控制，減少或簡化結構復雜度；從小的方面來說，對機電一體化的原理有個大概的認識，為從事相關工作帶來便利。總之，努力學點兒單片機知識對機械專業的學生會有很大的幫助。

1 目前機械專業單片機課程存在的問題

機械專業學生在校期間學習的專業知識涉及機械設計制造、電氣自動化控制兩個學科門類，其專業培養計劃中涉及電氣自動化控制方向課程的學時數占全部課程總學時的比例不到30%。對于單片機課程來說，由于該課程本身及其先修課程的學時數相對比較緊張，而且該課程教學以單片機自身的知識結構為主線，一般先安排部分理論和硬件基礎，后講程序設計，不少學生反映其內容抽象難懂，聽來枯燥乏味，對課程的學習興趣不大。

很多學校仍然采用理論課與實驗課相分離的方法來組織開展教學，一般都是在上理論課的過程中穿插幾次實驗。實驗教學中大多數是采用高度集成的實驗箱，實驗過程中學生只需要進行簡單的連線，然后編寫代碼即可。這種實驗箱在某種程度上對學生來說簡直就是個“黑匣子”。在授課過程中也往往理論實踐脫節，較少涉及運用理論知識去解決實驗問題的實驗項目，實驗內容彼此孤立，學生難以建立“系統”的概念，也不利于培養學生“從概念到產品”的認知訓練，即：學生從有一個概念（想法）開始，然后著手電路原理圖的設計、編寫程序代碼、調試、PCB設計，最后形成產品的整個開發過程的訓練。單片機課程雖然也可以采用Proteus等軟件對單片機進行仿真，但是軟件仿真不能直觀上反應部分硬件的變化規律、運動特點等。

另外，學生在學完單片機課程后離工程實際還有較大差距，如很多學生在課程學習完之后不知道機械領域常見的步進電機、伺服電機、直流電機的驅動和控制，不知道電磁閥、手搖脈沖發生器、旋轉編碼器、光電開關、光柵尺等使用方法，由以上部件構成的稍微復雜點兒的控制系統，學生更加不知道如何去設計。學生在實驗過程中僅僅是一般操作LED燈亮滅、電機轉動、蜂鳴器鳴叫等，很少有一些真正“活動”的機構、裝置來讓學生控制操作。

所有這些都影響到學生對單片機學習的積極性，更無法激發學生實驗積極性，不利于學生的實驗興趣及創新思維能力的培養，致使學生學得吃力，教師教得辛苦，教學效果沒有顯示出來。

2 單片機案例教學法實踐

課程準備 考慮到現在的學生基本上都有筆記本電腦，課程組購置了本課程教學所需的多功能單片機學習開發板套件（如圖1所示）。該學習板功能強大，價格便宜，非常易于學生攜帶；學習板上所有元件都是選用分立元件，學生能夠看清所有元件的全貌；配合電路圖，學生能對整個板的電路硬件一目了然；根據實際需要也可對部分電路進行重新設計。開發板相關配套資料非常齊全，特別有長20多個小時的視頻教程，對于自學能力較強的學生來說，可以全面自學單片機。學生只需將筆記本電腦與該開發板做簡單連接即可開始相關實驗操作。將這些單片機學習板直接分發給學生，學生不但可以在教學的課堂期間學習使用，還可以在課外利用課余時間自行學習和調試，有利于他們將單片機的學習和實踐從課堂向課外延伸，便于進行自主的學習和實踐。

課程組織實施 考慮到學生學習時需要氛圍，學生之間的討論式互助指導效果往往比教師的指導要更有效和直接，因此在案例教學中按照能力和興趣搭配，將2～3位學生編為一組，能夠形成互助的學習機制。每次上課時，要求每組學生至少帶一臺筆記本電腦和學習板到教室。另外，由于單片機課程有較強的模塊化特點，課程組重構并設計了課程教學內容，以專題形式呈現出來，各個專題內容見圖2。

每次專題課前將教學課件將上傳到課程網站（如圖3所示），課件中每個教學案例都有控制要求及其難度標注、控制要求分析、硬件電路設計、程序設計流程圖及程序源代碼（如圖4所示），其他相關的教學輔助資料也上傳到課程網站上。要求學生在上課前打印教學課件，并把相關的案例在學習開發板上運行并觀察控制系統的效果作為課堂學習的預習。要求各組以小組形式將課外實訓的電子稿作業及時遞交到課程網站，同時上傳調試的視頻短片。指導教師及時對學生作業寫出評語并給定成績，及時上傳前次課程的課堂實訓和課外實訓的參考答案。課程網站的留言欄可以發布課程的相關信息，也為師生提供了一個相互交流的平臺。endprint

在每個專題的授課過程中，先講解本專題相關的部分理論知識，對理論部分做相應的鋪墊，再設計一系列難度逐級提高的實訓教學案例，即：先設計一到兩個驗證性實驗引導學生在學習開發板上進行實驗；接著指導學生完成一到兩個提高性的實踐，把理論知識和實踐應用做進一步的對接，讓學生能從控制系統整體的角度，有重點地加深對其中某一功能模塊的理解和掌握；最后聯合之前已經學過的其他專題，指導學生完成綜合性的實踐課題訓練。這樣一方面鞏固之前所學，另一方面加強本專題知識的應用。

一般在每次課的最后一節，主講教師根據專題學習的內容設計和派發課堂實訓課題，要求學生以組為單位在課堂現場進行設計，要求他們在下課前必須完成；主講教師逐一對各組的設計成果進行驗收并記錄為平時成績。

以八段數碼管專題為例，學生應該掌握的內容包括：1）共陰極和共陽極數碼管顯示原理；2）使用三極管的數碼管驅動電路設計；3）查表顯示字型碼的程序設計方法；4）動態顯示數碼管的程序設計原理及方法；5）掌握數據分拆的程序設計方法；6）復習按鍵的使用并將其結合設計控制系統。其中第1～2部分內容以教師講解理論為主，所花時間不超過15分鐘，在接下來的兩節課不到時間里都是在講案例的過程，再穿插部分相關理論。

如該專題所涉及的案例主要內容包括：1）輸出顯示一個獨立的數字；2）動態顯示兩個給定的數字；3）靜態顯示任意一個三位數；4）動態顯示任意一個三位數；5）按鍵次數計數顯示控制系統設計。每個案例講完之后都要留出五分鐘左右時間讓學生整理、及時消化和及時答疑。對于學生來說，由于是分組進行的，在講解過程中，各組學生內部分工明確：有的記筆記，有的跟著教師的進程編輯和調試程序，每個環節之間5分鐘左右時間。這個舉措非常重要和必要，因為在這個時間里，各組的小伙伴會積極地思考和討論分析，能夠把大部分的學生吸引進來參與學習，而且實踐證明是非常有益的。一般在每次課的最后一節，約40分鐘，主講教師根據專題學習的內容設計和派發課堂實訓課題，要求學生以組為單位在課堂現場進行設計，要求他們在下課前必須完成；主講教師逐一對各組的設計成果進行驗收并記錄成績。

課程考核 課程的考核方法注重學生的實際動手能力的培養，注重過程考核。本課程的綜合成績評定方法為：課堂實訓作業占40%，課后實訓作業占30%，期末考試占20%，平時表現占10%。每次課都有課堂實訓，每組學生必須在規定的時間內完成，指導教師現場逐一檢查并給定成績。對于課后實訓，學生需將實驗報告（含控制要求、電路、控制要求分析、流程圖、源代碼等）和實驗現象視頻遞交到課程網站。對于期末考試，課題組根據平時的課堂案例設計了擁有30多套試題的題庫，學生從題庫中現場抽取考卷，然后在單片機實驗開發裝置上設計調試。每卷有5道程序設計題，考試時間為90分鐘。要求每位考生至少完成其中的3道，考試環節的成績方為“合格”。至于平時表現，主要從學生平時出勤情況、課堂回答提問情況等方面進行考查。

3 結論

單片機技術是臺州學院機械專業學生的一門重要課程。學生相關基礎知識比較薄弱，該門課的課時少，但又需要學習很多軟硬件知識，如要懂得機電一體化中常見的傳感器、電機等接口電路和驅動控制方法，所有這些都使得學生在學習過程中感覺難度較大。如何提高學生的學習積極性和學習效果是教師要解決的一個重要問題。單片機的案例教學法自實施以來，已經初步取得成效。學生課堂積極性明顯提高，選單片機類的課程設計、畢業設計的比例也明顯提高。單片機相關的畢業設計的質量也明顯提高。近幾屆畢業的學生也越來越受到很多公司的青睞。

參考文獻

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