電子設計競賽對單片機實驗教學改革與創(chuàng)新啟示

彭宇興　余永輝

摘要：從當今社會發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需求和培養(yǎng)出發(fā)，結(jié)合歷屆全國大學生電子設計競賽的命題趨勢和特點，論述了如何通過單片機實驗教學改革，提高學生應用理論知識解決工程實際問題的創(chuàng)新能力的方法。

關(guān)鍵詞：電子設計大賽；單片機；實驗教學；教學改革

兩年一屆的全國大學生電子設計競賽充分體現(xiàn)了教育部倡導電子設計競賽的宗旨：引導高校在實驗教學中注重培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實際的學風；加強大學生動手能力和工程實踐能力的訓練；提高學生針對實際問題進行電子設計制作的能力。我院作為剛升本不久的普通本科院校，通過總結(jié)歷年電子設計競賽的經(jīng)驗和教訓，充分發(fā)揮我校注重應用能力培養(yǎng)的優(yōu)勢，在2007年設計競賽中取得了豐碩的成果，獲獎率在重慶市位居榜首，而且是重慶市僅有的三個獲得全國一等獎的代表隊之一，成為重慶市大學生電子設計競賽的佼佼者。大賽使我院在實踐教學改革方面受益匪淺。本文將就電子設計競賽對單片機實驗教學改革與創(chuàng)新的啟發(fā)，對《單片機原理及應用》這門課程實驗內(nèi)容和方法的改革思路作一些探討。

全國大學生電子設計競賽的內(nèi)容、特點及發(fā)展趨勢

全國大學生電子設計競賽的題目具有實際意義和應用背景，前幾屆考核重點是學生綜合運用基礎知識進行理論設計的能力、創(chuàng)新意識、獨立工作能力和實驗綜合技能。競賽內(nèi)容主要涉及模-數(shù)混合電路、單片機、可編程器件的應用等方面。而2007年的競賽除了前幾屆的要求外，對控制精度的要求大大提高了。比如，“智能小汽車蹺蹺板”這個題目，除了按競賽組委會的規(guī)定，必須在4天內(nèi)完成傳統(tǒng)的方案設計、電路原理設計、硬件制作、硬件調(diào)試、軟件編程和設計報告等基本工作外，還要完成蹺蹺板的機械設計與加工。對于不同的結(jié)構(gòu)形式，其控制方式和軟件算法的設計也有所不同。由于時間非常緊張，要求學生不但要對電子技術(shù)等課程的基本概念、基本電路、基本分析和設計方法熟練掌握，而且要非常熟悉單片機系統(tǒng)的芯片選型和硬件設計，才能快速提供完整的系統(tǒng)解決方案，并進行程序設計；同時還要求學生具備很強的實踐動手能力，自己去完成機械裝配和調(diào)試，迅速判斷故障和調(diào)試電路，否則就無法按時完成設計任務。由此可知，今后電子設計大賽是趨勢是向多學科、高難度的方向發(fā)展。

電子設計大賽對單片機實驗教學改革與創(chuàng)新的啟發(fā)

對歷屆競賽題目進行分析和研究，可以看出，能夠用單片機作為控制器來完成設計任務的競賽題目占到50%以上。作為自動化和測控專業(yè)的平臺類必修專業(yè)基礎課，各高校均已開設了單片機課程。我院自動化和測控專業(yè)的單片機課程均是以MCS-51系列單片機為模本來進行具體闡述和學習的。電子設計競賽對高校在教學改革中注重培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新設計能力方面提出了更高的要求。針對以往存在的問題和歷屆我校電子設計大賽成功的經(jīng)驗和失敗的教訓，從2006年開始，我院開始對單片機實驗教學進行了一些改革嘗試。

單片機實驗教學內(nèi)容和方法的改革

單片機實驗教學現(xiàn)狀以往的實驗教學通常是預先由教師設計好相應的實驗項目，如程序設計、I/O口使用、中斷與定時器使用、顯示與鍵盤等，然后讓學生照本宣科地重復，完成教學大綱所規(guī)定的實驗，這種實驗教學方法從一定程度上可以讓學生盡快熟悉和進入單片機這個領域，但不利于學生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合運用知識能力的培養(yǎng)，同時也不能激發(fā)學生的學習興趣和主觀能動性，出現(xiàn)了有的學生不做實驗前準備、抄襲他人程序和實驗報告的不良現(xiàn)象。這樣就造成了在做單片機應用系統(tǒng)綜合設計時，很多學生拿到課題后不知所措，既不知如何進行系統(tǒng)設計，也不知如何進行芯片選型，更不用說提供完整的系統(tǒng)方案了。經(jīng)過分析，筆者認為以往的實驗課程體系存在如下弊端：(1)驗證性實驗過多，綜合性、啟發(fā)性實驗不夠；(2)沒有大型設計性和綜合性實驗；(3)基本沒有進行過動手能力訓練，更不用說培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

教學內(nèi)容調(diào)整的思路筆者從實驗內(nèi)容的調(diào)整、增加C51應用編程方面的訓練、增加實驗教學時數(shù)等三個方面對教學內(nèi)容進行調(diào)整。

1.實驗內(nèi)容的調(diào)整。我校采用的實驗系統(tǒng)為廣州周立功單片機發(fā)展有限公司開發(fā)的DP-51PRO單片機綜合仿真實驗儀，該綜合仿真實驗儀具有功能強大，使用方便等特點，可以讓學生在裝置上進行許多綜合性和設計性實驗。DP-51PRO單片機綜合仿真實驗儀主要有如下一些模塊：(1)MON51仿真調(diào)試模塊；(2)總線I/O擴展模塊；(3)8155外擴I/O實驗區(qū)；(4)輸入系統(tǒng)：撥盤開關(guān)、單鍵按鈕、鍵盤系統(tǒng)；(5)輸出系統(tǒng)：8個LED及LCD模塊；(6)8×8點陣LED模塊；(7)并行、串行8位AD及DA實驗模塊；(8)直流電機、步進電機實驗模塊；(9)數(shù)字溫度采集試驗模塊。還有許多與實際工程相關(guān)的實驗模塊。如何讓學生全面熟悉這些模塊及器件，是實驗教材所需解決的問題。而現(xiàn)有實驗指導教材關(guān)于這方面的內(nèi)容介紹很少。所以，在實驗教材中增加這部分內(nèi)容十分必要。筆者根據(jù)單片機課程的特點，將實驗教學內(nèi)容分為三個部分：第一部分為硬件、軟件基礎知識相關(guān)內(nèi)容的訓練，主要有系統(tǒng)認識實驗、指令系統(tǒng)實驗、匯編語言程序設計實驗。第二部分為基本接口實驗，安排的內(nèi)容主要有利用8155進行輸入、輸出實驗；定時器/計數(shù)器應用實驗；ADC0809轉(zhuǎn)換器實驗、DAC0832轉(zhuǎn)換器實驗；中斷系統(tǒng)實驗；串行口通信實驗。第三部分為綜合性設計實驗，是在前面實驗的基礎上，要求學生充分利用DP-51PRO單片機綜合仿真試驗儀的硬件資源，用所學的匯編及C51程序知識進行的。安排的內(nèi)容主要有電腦時鐘、頻率計、數(shù)字溫度計、電子音樂、步進電機、直流電機控制、電子液晶顯示屏設計等。

2.增加C51應用編程方面的訓練?，F(xiàn)在社會上的單片機系統(tǒng)己經(jīng)普遍采用基于C51高級語言的軟件系統(tǒng)。C51高級語言具有程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好、易于維護等優(yōu)點，一條C語句相當于幾條匯編指令，完成同樣功能程序的指令語言行數(shù)也大大縮小，更便于復雜算法的實現(xiàn)和調(diào)試。為了提高學生的軟件開發(fā)能力和實驗效率，我們在實驗中給學生增加了相應C51的編程訓練。C51與C高級語言十分類似，通過《C語言程序設計》課程的學習，學生已經(jīng)有了一定的基礎，只需給他們提供相應的教材，輔之以循序漸進的實驗，他們完全能夠通過自學掌握C51。

3.增加實驗教學時數(shù)。在學習理論課程時，學生要么只注意到了局部的硬件知識或者簡單的匯編指令等內(nèi)容，要么只注意到單片機系統(tǒng)具有很強大的功能，而不知自己如何應用單片機資源開發(fā)設計自己的產(chǎn)品。所以，必須把理論教學和實踐教學有機地結(jié)合起來，充分發(fā)揮實踐教學的優(yōu)勢。單片機實驗是掌握單片機應用技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。從2006年開始，我院把實驗課時數(shù)由12學時增加到18學時左右，約占總課時的28%。讓學生有盡量多的時間在實踐中學習，同時也利于綜合性設計實驗的開展。這一改革的成效在2007年電子設計大賽中得到了充分體現(xiàn)。

教學方法改革的設想對于教學方法改革，筆者有以下幾點設想。

1.提高學生學習單片機的興趣。興趣是最好的老師。為了提高學生對《單片機原理及應用》這門課程的學習興趣，充分調(diào)動學生的主觀能動性，可以在開課幾周之后，邀請一些著名的單片機開發(fā)公司技術(shù)人員來校做“單片機與就業(yè)”、“單片機的應用”等方面的專題講座，使學生們充分了解單片微機在工業(yè)控制、智能儀器儀表、計算機外部設備、計算機網(wǎng)絡與通訊技術(shù)和家用電器等領域的廣泛應用前景及作為一個電子工程師學好單片機的重要性和必要性。

2.在實驗中充分發(fā)揮學生的主觀能動性。單片機實驗教學內(nèi)容大多是理論知識的驗證，應用理論知識解決實際問題的設計性實驗相對較少。在單片機實驗教學中，我們把驗證性實驗安排在教學環(huán)節(jié)的前期，這樣有助于學生盡快熟悉單片機軟硬件環(huán)境。同時，為了培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，我們還增加了設計性實驗的分量。實驗指導書上只給出實驗的任務和要求以及實驗的原理性說明，學生必須根據(jù)實驗的目的和要求，獨立設計實驗的硬件電路和程序，并對軟硬件進行聯(lián)機調(diào)試，然后觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果，寫出實驗報告。學生通過這樣的訓練，增強了獨立思考問題、解決問題的能力，動手能力也得到了很好的鍛煉。除此之外，對于自動化和測控專業(yè)還應將單片機和專業(yè)課程結(jié)合在一起安排學生進行課程設計，以加強學生在自動控制領域應用單片機的能力。設計研究性實驗和課程設計雖然有一定難度和深度，但對學生很有吸引力，能使學生從被動應付實驗變成主動實驗，不僅提高了學生的基本操作技能，也發(fā)揮了學生的學習主觀能動性和創(chuàng)造性。在整個實驗進行過程中，要以學生為實驗主體，指導教師在實驗的組織管理上唱“主角”，而在實驗中只能唱“配角”，最大限度地調(diào)動和發(fā)揮學生的主觀能動性，引導學生分析并解決實驗中出現(xiàn)的問題，給學生指明方向，避免走彎路，并解答實驗當中出現(xiàn)的疑難問題。例如，在電腦時鐘實驗中，有學生問定時/計數(shù)器的計數(shù)初值如何設置。這個問題涉及晶振頻率對機器周期的影響和定時/計數(shù)器的工作原理。我們先引導學生通過實驗修改定時器計數(shù)初值前后的實驗結(jié)果，使學生得到感性認識，然后再指出為什么有時走得快，有時走得慢，使學生加深了對理論知識的理解，學到了實際知識，培養(yǎng)了分析問題、解決問題的能力，減少了對教師的依賴心理。

3.鼓勵學生利用課余時間進行單片機應用系統(tǒng)開發(fā)。在課余時間開放實驗室，創(chuàng)造一個寬松的學習環(huán)境，為學生提供課余時間進行單片機綜合性、設計性實驗的條件，充分發(fā)揮實驗室現(xiàn)有實驗設備的效能。這種實驗教學模式，既體現(xiàn)了高等教育以學生為中心的理念，又提高了他們的責任感和自信心，進而為激發(fā)其創(chuàng)造力發(fā)揮更大的作用。另外，借鑒電子大賽培訓的成功經(jīng)驗，為學生提供了完全兼容51系列單片機的STC89C52RC最小單片機系統(tǒng)，方便學生利用KeilC51仿真軟件和STC_ISP_V2.9下載軟件進行實驗而不需要成本高昂的仿真開發(fā)工具，激發(fā)學生學習單片機的興趣。

4.側(cè)重于對學生應用、創(chuàng)新能力的考核。以往單片機課程的考核只注重理論知識，在考前學生會花很多時間死記硬背書中的原理知識，最后的考試成績都很好。實際上，大多數(shù)高分學生只知其然而不知其所以然，連運用單片機實現(xiàn)一個簡單的系統(tǒng)都不會，造成了“高分低能”現(xiàn)象。作為一門實踐性很強的課程，應該把實踐環(huán)節(jié)納入考核之中，加大實踐環(huán)節(jié)所占的比例，這樣才有利于真正了解學生對知識的掌握情況，對學生學習這門課程也會起到促進作用。考核形式也不應只拘泥于筆試。比如考核總成績100分，可由三部分組成，理論知識(30分)，實驗(30分)和大作業(yè)(40分)，其中大作業(yè)給學生幾個用單片機來實現(xiàn)的設計題目，讓學生在限定的時間內(nèi)在課外獨立完成，根據(jù)做的情況采用答辯的方式評分。

全國大學生電子設計競賽為單片機實驗教學的改革指出了一個方向。應以此為契機，積極、主動地促進單片機實驗課程的改革，以使單片機實驗課程跟上時代發(fā)展的潮流，使學生學完單片機后，初步具有單片機應用系統(tǒng)的設計和開發(fā)能力。

參考文獻：

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[2]張晴，劉為.單片機實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2003，(8).

[3]周曉雁.單片機實驗教學改革的嘗試[J].山東工業(yè)大學學報，1995，(2).

作者簡介：

彭宇興(1969—)，男，四川鄰水人，重慶科技學院高級工程師，研究方向為智能控制、檢測與故障診斷技術(shù)。

(本文責任編輯：尚傳梅)