基于卓越計劃的單片機開發(fā)應(yīng)用能力培養(yǎng)探索*

◆陳飛 李鑫 戴梅 盧振利

作者：陳飛，常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院副教授，主要從事計算機先進控制技術(shù)與先進檢測技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作；李鑫、戴梅、盧振利，常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院（215500）。

1 前言

2010年，教育部基于國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2010年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的相關(guān)內(nèi)容，提出了卓越工程師培養(yǎng)計劃。該計劃的主要目標(biāo)是：面向工業(yè)界、面向未來、面向世界，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅實的人力資源基礎(chǔ)，增強我國的核心競爭力和綜合國力[1-2]。該目標(biāo)要求未來的工程師能夠同時兼?zhèn)涔こ虅?chuàng)新和工程實踐能力。

圖1 單片機開發(fā)能力培養(yǎng)主線

常熟理工學(xué)院是一所應(yīng)用型本科院校，是全國卓越工程師教育培養(yǎng)計劃高校和江蘇省卓越工程師培養(yǎng)試點單位，自動化專業(yè)入選國家卓越工程師教育培養(yǎng)計劃試點專業(yè)。以學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、工程實踐能力和職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)為核心，圍繞三項能力“PLC編程與自動化系統(tǒng)集成能力、單片機開發(fā)能力和測控技術(shù)應(yīng)用能力”進行培養(yǎng)[3]。

文章主要針對自動化專業(yè)的單片機開發(fā)應(yīng)用能力的培養(yǎng)進行詳細的闡述。單片機開發(fā)應(yīng)用能力培養(yǎng)中始終堅持“以賽促學(xué)、創(chuàng)新集成、校企聯(lián)合”理念，采用校內(nèi)培養(yǎng)和校外培養(yǎng)相結(jié)合的方式，其能力培養(yǎng)主線如圖1所示。校內(nèi)培養(yǎng)包含了大一、大二暑期集中訓(xùn)練，第五學(xué)期開設(shè)的單片機技術(shù)理實一體化課程學(xué)習(xí)，參加各類各級比賽（如全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等），部分優(yōu)秀學(xué)生參與教師的實際項目。校外培養(yǎng)主要是進入合作企業(yè)進行實習(xí)或在企業(yè)工程師的帶領(lǐng)下完成與企業(yè)實際項目相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計。

2 暑期訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實踐熱情

為培養(yǎng)自動化專業(yè)學(xué)生的綜合實踐設(shè)計能力和創(chuàng)新意識，提升學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)識，快速適應(yīng)高校開放式、自主學(xué)習(xí)式的教學(xué)模式，同時使實驗室成為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)和卓越工程師培訓(xùn)的實踐基地，學(xué)院對自動化專業(yè)學(xué)生制訂了暑期訓(xùn)練計劃，訓(xùn)練內(nèi)容包含創(chuàng)新實踐初認(rèn)識、足球機器人、飛思卡爾智能車和51單片機基礎(chǔ)知識等，詳細內(nèi)容及訓(xùn)練目標(biāo)如表1所示。通過訓(xùn)練使學(xué)生對創(chuàng)新有了了解，樹立了創(chuàng)新意識，對如何創(chuàng)新有了想法，同時為創(chuàng)新拓寬了知識面，而不僅僅局限于當(dāng)前所學(xué)課本知識。初步引入關(guān)于單片機的基礎(chǔ)知識，使學(xué)生對單片機的應(yīng)用有一初步的了解，為學(xué)生進一步深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

表1 暑假訓(xùn)練內(nèi)容

3 改革教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力

繼暑期訓(xùn)練后，自我學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生在創(chuàng)新實驗平臺的高年級學(xué)長的帶領(lǐng)下參與到各類競賽項目中。以競賽作引領(lǐng)，這部分學(xué)生如饑似渴地不斷補充、再學(xué)習(xí)，已具備運用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)的軟硬件開發(fā)設(shè)計能力。學(xué)院從學(xué)生個性發(fā)展的需要，培育更多優(yōu)秀的學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目和科技作品考慮，出臺課程學(xué)分抵修方案：在達到規(guī)定的考核標(biāo)準(zhǔn)后，可通過以創(chuàng)新訓(xùn)練成果學(xué)分認(rèn)可的方式獲得單片機技術(shù)理論與實踐課程的學(xué)分，至今已有32位學(xué)生通過這樣的方式獲得課程的學(xué)分。

單片機技術(shù)理論與實踐課程在第五學(xué)期開設(shè)。傳統(tǒng)的單片機課程教學(xué)模式是按照“硬件結(jié)構(gòu)”“單片機的C51語言”“中斷”“定時器”“接口應(yīng)用”的體系授課，講解中輔以一定的實例。致使學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)感性認(rèn)識不夠，不知道單片機到底用來做什么[4-5]。單片機技術(shù)理論與實踐是理實一體化課程，在實驗室完成教學(xué)和實踐，實現(xiàn)邊學(xué)邊做、邊做邊學(xué)。教師對課程內(nèi)容進行整合，將課程劃分為八個知識模塊，將理論教學(xué)融入實踐中，如表2所示。如知識模塊2“C51語言強化訓(xùn)練”并非枯燥地進行編程語言教學(xué)，而是將程序設(shè)計知識融入單片機I/O口應(yīng)用（流水燈、閃爍燈、花樣廣告燈等）、數(shù)碼管控制和鍵盤操作實踐中。學(xué)習(xí)過程中目標(biāo)明確可達，且輕松有趣、形象生動，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性高。

4 以賽促學(xué)、服務(wù)學(xué)院，提升實踐動手和創(chuàng)新能力

學(xué)院積極貫徹落實國家的卓越計劃，提供廣泛的開放實驗平臺，配以優(yōu)秀的師資力量，鼓勵學(xué)生積極參與校內(nèi)、校外學(xué)科競賽，堅持“以賽促學(xué)”，強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。自動化專業(yè)學(xué)生得益于入學(xué)后的暑假訓(xùn)練，使其能更好地投入到工程應(yīng)用能力鍛煉中，更早地接觸專業(yè)知識，已經(jīng)在各類大型科技競賽中嶄露頭角，在中國機器人大賽暨RoboCup公開賽中獲得機器人武術(shù)擂臺賽非標(biāo)準(zhǔn)平臺無差別項目（1V1）一等獎，機器人醫(yī)療工程規(guī)定動作賽一等獎和機器人醫(yī)療工程規(guī)定動作賽優(yōu)勝獎；在全國大學(xué)生智能汽車競賽中取得華東賽兩項一等獎和一項二等獎，并在總決賽中獲得全國二等獎的優(yōu)異成績；在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽取得兩項一等獎、三項二等獎的好成績[6]。通過參加比賽，不僅調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)意識、創(chuàng)新精神，同時促進學(xué)生學(xué)會做人，學(xué)會溝通相處，學(xué)會團隊合作，提升了凝聚力。

在比賽和創(chuàng)新教育實踐中涌現(xiàn)的大量較高水平的學(xué)生科技作品和成果，對學(xué)生非常有說服力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自信心和主動性。通過高年級學(xué)生對低年級學(xué)生的幫、教、帶，使他們能快速融入于創(chuàng)新實踐中，同時使創(chuàng)新教育納入正軌，形成良性循環(huán)。隨著學(xué)生單片機開發(fā)應(yīng)用水平的提高及學(xué)校對自制實驗設(shè)備的支持，大學(xué)生創(chuàng)新實驗平臺指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生進行單片機實驗箱設(shè)計和制作，從實驗箱原理圖設(shè)計、印刷電路制作到器件選型焊接、調(diào)試，完成既能滿足實驗要求，又能滿足課程設(shè)計畢業(yè)設(shè)計需要的通用性實驗設(shè)備，目前已有50套投入使用中，受到學(xué)生的好評。同時學(xué)生承擔(dān)并完成了自動控制原理實驗設(shè)備、智能儀器實驗室設(shè)備的改造和維修。在這一過程中，學(xué)生的單片機開發(fā)應(yīng)用能力得到全面的培養(yǎng)和鍛煉。

表2 單片機技術(shù)理論與實踐課程知識模塊及實踐內(nèi)容

5 企業(yè)鍛煉，提升學(xué)生工程實踐能力

在卓越計劃實施過程，學(xué)校對實驗室、實訓(xùn)基地和工程實踐中心進行建設(shè)，引進企業(yè)實際中所用的部分設(shè)備，力求與實際工業(yè)環(huán)境相符合，但依然在不同程度上與企業(yè)存在脫節(jié)現(xiàn)象，使得缺乏校企合作的工科畢業(yè)生不能夠馬上適應(yīng)企業(yè)的工作。校企合作將使學(xué)生有機會了解、熟悉和掌握企業(yè)最先進的生產(chǎn)設(shè)備和制造技術(shù)，畢業(yè)后成為受到普遍歡迎的“上手快”的工程人才[7]。

學(xué)院與行業(yè)企業(yè)深度合作共建大學(xué)生校外實踐教育基地，共同設(shè)計確定工程實踐能力的規(guī)格要求，明確課程的要求和任務(wù)，在第七學(xué)期中將學(xué)生分方向派往合作企業(yè)進行實習(xí)，接受企業(yè)工程師的培訓(xùn)，輔助工程師完成相關(guān)工作，并在企業(yè)工程師帶領(lǐng)和指導(dǎo)下完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。如學(xué)生在常熟某電器股份有限公司完成冰箱壓縮機機芯組裝智能定位傳輸系統(tǒng)的設(shè)計、基于單片機的自動售貨機閘門機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計、基于單片機的純水機控制系統(tǒng)開發(fā)、基于單片機的水流即熱式PID控制系統(tǒng)設(shè)計等，課題來源于產(chǎn)品開發(fā)中的一部分。這不僅強化了學(xué)生對單片機應(yīng)用開發(fā)能力的培養(yǎng)，同時使學(xué)生接觸到企業(yè)的先進生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，清楚地認(rèn)識到作為研發(fā)工程師除將系統(tǒng)設(shè)計出來，同時必須時刻關(guān)注成本、生產(chǎn)工藝、用戶需求、測試環(huán)境、配套廠家工藝水平等，必須做事謹(jǐn)慎細致，考慮問題全面。

6 結(jié)語

單片機技術(shù)開發(fā)能力培養(yǎng)模式不僅應(yīng)用于自動化專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，同時覆蓋到學(xué)院各個專業(yè)學(xué)生，學(xué)生的受益面廣。通過暑期訓(xùn)練使學(xué)生拓寬知識面、基礎(chǔ)扎實，通過競賽、服務(wù)學(xué)院、自我再學(xué)習(xí)使單片機技術(shù)開發(fā)能力得以進階，通過在合作企業(yè)進行實習(xí)、完成畢業(yè)設(shè)計使自己得以全面提升。這種“入門+提高+實踐”的模式不僅受到學(xué)生、教師的歡迎，也得到企業(yè)的認(rèn)可和支持；不僅使學(xué)生各方面的能力得到鍛煉，同時實現(xiàn)學(xué)校和企業(yè)雙贏，推動學(xué)校教學(xué)改革，擴大社會對學(xué)校培養(yǎng)人才的認(rèn)可度，企業(yè)在付出不太多的情況下獲得適用人才。■

[1]林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”通用標(biāo)準(zhǔn)研制[J].高等工程教育,2010(4):21-29.

[2]崔勇,袁海文,王秋生,等.卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)下的單片機教學(xué)改革探討[J].中國電力教育,2013(5):80-81.

[3]先進自動化與測控技術(shù)工程實踐教育中心驗收專題網(wǎng)站[EB/OL].http://autolab.cslg.cn/yanshou/yanshoubiao2.html.

[4]陳飛,顧啟民,王偉.基于Proteus和Keil的項目教學(xué)法在單片機教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2013(5):48-52.

[5]黃蓮花,李光明.應(yīng)用導(dǎo)向型教學(xué)模式在單片機課程中的實施[J].裝備制造技術(shù),2011(7):197-199.

[6]創(chuàng)新之光 再續(xù)輝煌:電氣與自動化工程學(xué)院學(xué)生暑期參加科技競賽側(cè)記[EB/OL].http://news.cslg.cn/ReadNews.asp?NewsID=60497.

[7]林健.校企全程合作培養(yǎng)卓越工程師[J].高等工程教育研究,2012(3):7-23.