提高單片機(jī)課程教學(xué)質(zhì)量的探索與實(shí)踐

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830052）

嵌入式單片機(jī)技術(shù)是高校工科類各專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。由于“單片機(jī)技術(shù)”課程理論抽象、與實(shí)際問(wèn)題結(jié)合緊密、實(shí)踐要求較高，因此大多數(shù)學(xué)生掌握起來(lái)有一定的難度，常常感到內(nèi)容枯燥無(wú)味、無(wú)所適從。學(xué)生對(duì)單片機(jī)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)和掌握往往缺乏行之有效的方法，難以達(dá)到社會(huì)上對(duì)應(yīng)用性及創(chuàng)新性人才的要求。[1]

針對(duì)該課程的以上特點(diǎn)，為了在有限的課時(shí)內(nèi)能夠盡快引導(dǎo)學(xué)生入門，在理論及實(shí)踐教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)教師都必須注重實(shí)踐教學(xué)的滲透，幫助學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。筆者在多年的“單片機(jī)技術(shù)”課程教學(xué)實(shí)踐中，不斷探索新的教學(xué)方法和手段，在工程應(yīng)用及創(chuàng)新性人才培養(yǎng)、全面提高“單片機(jī)技術(shù)”課程教學(xué)質(zhì)量等方面進(jìn)行了一定的探索和實(shí)踐。[2]

一、基于問(wèn)題導(dǎo)入的理論教學(xué)探索與實(shí)踐

為了能夠進(jìn)行有效的課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的興趣及自主學(xué)習(xí)能力，首先要在理論教學(xué)過(guò)程中充分發(fā)揮多媒體課件信息量的優(yōu)勢(shì)。講授緒論時(shí)在課件中引入單片機(jī)在家用電器、工業(yè)控制、機(jī)器人控制、智能控制等方面的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)實(shí)例畫面引導(dǎo)學(xué)生入門，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的興趣。

在講授單片機(jī)工作過(guò)程的抽象概念時(shí)，先向?qū)W生提出問(wèn)題，如思考 “5+6=11”在單片機(jī)中如何計(jì)算完成？以此來(lái)吸引學(xué)生的注意力，然后用動(dòng)畫將上述運(yùn)算過(guò)程的“取指令階段”、“執(zhí)行指令階段”等抽象概念通過(guò)文字、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖形生動(dòng)地表現(xiàn)，使學(xué)生初步掌握單片機(jī)的整體工作過(guò)程，有效地彌補(bǔ)了以教師為中心的理論教學(xué)方式。下圖為單片機(jī)運(yùn)算過(guò)程示意圖。

圖1 單片機(jī)運(yùn)算過(guò)程

其次在理論教學(xué)過(guò)程中，以章節(jié)為單元，以實(shí)際問(wèn)題為實(shí)例，將單片機(jī)仿真調(diào)試軟件keil與單片機(jī)及外圍硬件仿真軟件Proteus相結(jié)合，通過(guò)課堂中給學(xué)生演示軟件編寫，調(diào)試與相應(yīng)的硬件電路結(jié)合聯(lián)調(diào)的過(guò)程，將抽象的理論用軟件仿真的形式加以具體化、形象化，使得學(xué)生能夠進(jìn)一步理解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加深對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的剖析，然后將相應(yīng)的軟件發(fā)給學(xué)生使學(xué)生能夠在自己的計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開(kāi)設(shè)綜合性設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

為了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)由輔助地位變?yōu)閯?chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，筆者所在“單片機(jī)技術(shù)” 課程組提出，打破以往的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)由不同老師教授的教學(xué)方式，要求理論課和實(shí)驗(yàn)課由同一個(gè)老師講授，這樣做的好處是教師可以根據(jù)自己的理論授課內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握教學(xué)進(jìn)度，并能及時(shí)了解學(xué)生在課堂掌握的理論知識(shí)結(jié)合實(shí)際的能力。[3]

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力。為了構(gòu)建與課程體系相配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等三個(gè)層次。在驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)施了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的自主式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。針對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生做實(shí)驗(yàn)前根據(jù)已學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)知識(shí)，編寫實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)程序，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)驗(yàn)證，并就實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論。如，定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)和步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生加深鞏固了前期所學(xué)知識(shí)，并且培養(yǎng)了學(xué)生所學(xué)知識(shí)綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新精神。[4]

三、強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)

經(jīng)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，以單片機(jī)技術(shù)為核心的理論和實(shí)踐知識(shí)體系已基本形成，學(xué)生具備了利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的初步能力，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的整體動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

在選題上，采用了實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)例，力求理論與實(shí)踐相結(jié)合，如：廣告燈電路設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)控制、交通燈單片機(jī)控制、直流電機(jī)調(diào)速等典型實(shí)例都來(lái)自實(shí)際工程應(yīng)用，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題。

根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目將學(xué)生分成3～4人組成的小組，每一小組選一名組長(zhǎng)負(fù)責(zé)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括系統(tǒng)實(shí)施方案制定、硬件電路設(shè)計(jì)、元器件參數(shù)計(jì)算及選擇、控制程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟硬件仿真與調(diào)試、實(shí)際電路搭建及測(cè)試等。組長(zhǎng)將項(xiàng)目?jī)?nèi)容分配給組員并協(xié)調(diào)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，有助于培養(yǎng)同學(xué)間的協(xié)作和團(tuán)隊(duì)合作、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)采用了三階段完成的教學(xué)方式，并由兩名老師來(lái)指導(dǎo)：

1.方案選擇階段：教師根據(jù)學(xué)生所選題目布置任務(wù)書，在明確了課題所要完成的技術(shù)參數(shù)及目標(biāo)后，要求學(xué)生收集相關(guān)資料，并提出可完成該項(xiàng)目的不同方案，確定其中的最優(yōu)方案，提交指導(dǎo)教師審核。這一環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)和鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神及拓寬知識(shí)面。

2.實(shí)質(zhì)性設(shè)計(jì)階段：在設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案確定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)、各單元控制電路設(shè)計(jì)及元器件參數(shù)的確定、編寫控制程序；用單片機(jī)仿真調(diào)試軟件keil與硬件仿真軟件Proteus相結(jié)合，進(jìn)行模擬調(diào)試；最后進(jìn)行實(shí)物制作及程序測(cè)試，對(duì)課程設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行驗(yàn)證。在這一階段根據(jù)每組同學(xué)們的完成情況，在原項(xiàng)目的基礎(chǔ)上可增加一些控制功能，來(lái)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

學(xué)生通過(guò)這一環(huán)節(jié)掌握了控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)原理，實(shí)際元件的測(cè)量、元件的焊接、實(shí)際電路的調(diào)試，熟練了keil與Proteus仿真軟件聯(lián)調(diào)方法和技巧。

3.撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。參與課程設(shè)計(jì)的每位學(xué)生，根據(jù)在項(xiàng)目中所承擔(dān)的任務(wù)進(jìn)行答辯，教師根據(jù)學(xué)生完成設(shè)計(jì)的情況和質(zhì)量給出考核成績(jī)。通過(guò)這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的總結(jié)及科技文獻(xiàn)的撰寫能力。

單片機(jī)技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年來(lái)，注重學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)及協(xié)作精神和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各種課外科技活動(dòng)。在每年學(xué)校的科技節(jié)中組織學(xué)生參加組裝電子產(chǎn)品技能競(jìng)賽和參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)科技大賽。

在近五年的全國(guó)各類大學(xué)生科技大賽中，有18人次獲得新疆賽區(qū)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)，取得了較好的成績(jī)。通過(guò)上述課外科技活動(dòng)擴(kuò)大了我校與其他兄弟學(xué)校的學(xué)術(shù)交流，為提高學(xué)校知名度、促進(jìn)相關(guān)學(xué)科建設(shè)和課程建設(shè)起到了積極促進(jìn)作用。

結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，面對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新人才，只有不斷地探索新的教學(xué)方法才能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。在教學(xué)過(guò)程中，教師要不斷充實(shí)自己，更新知識(shí)，要針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，及時(shí)總結(jié)理論及實(shí)踐教學(xué)中出現(xiàn)的新方法和新經(jīng)驗(yàn)，注重理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用多樣化的教學(xué)方法和手段，使學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以提高教學(xué)效果及教學(xué)水平，為社會(huì)培養(yǎng)出更高水平、高素質(zhì)的復(fù)合型人才。