卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)下的單片機(jī)教學(xué)改革探討

崔勇?袁海文?王秋生?劉穎異

摘要：單片機(jī)課程具有緊密聯(lián)系實(shí)際、內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，針對該課程教學(xué)中存在的實(shí)際問題，提出了基于卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)下的教學(xué)改革的具體方法。通過建立完整的課程知識體系和實(shí)踐體系，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力。提出的教學(xué)方法適合于單片機(jī)專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；教學(xué)方法；卓越工程師

作者簡介：崔勇（1982-），男，河南漯河人，北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師；袁海文（1968-），男，陜西扶風(fēng)人，北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，教授。（北京 100191）

基金項(xiàng)目：本文系2011年北京航空航天大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“‘單片機(jī)原理及應(yīng)用課程探索和實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：400379）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0080-02

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)作為一種傳統(tǒng)的嵌入式微控制器也在不斷地向前發(fā)展。單片機(jī)技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、檢測技術(shù)、儀器儀表、智能交通、電力電子、家用電器等各個領(lǐng)域。[1-3]目前，高等學(xué)校自動化、電子、通信、計(jì)算機(jī)等專業(yè)也都開設(shè)了單片機(jī)類課程，同時對單片機(jī)的教學(xué)研究也日益深入，涉及教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)研究等諸多領(lǐng)域。[4-8]

2010年，教育部基于國務(wù)院《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(jì)劃。該計(jì)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(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅(jiān)實(shí)的人力資源基礎(chǔ)，增強(qiáng)我國的核心競爭力和綜合國力。[9]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(shí)踐能力。基于北京航空航天大學(xué)航空航天特色及研究型大學(xué)的定位，以及授課教師在工程技術(shù)方面的豐厚經(jīng)驗(yàn)，在卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃中，更側(cè)重于培養(yǎng)工程研究型、工程創(chuàng)新型的高端拔尖人才和“兩領(lǐng)人才”（領(lǐng)軍人才和領(lǐng)導(dǎo)人才）?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”課程的改革正是圍繞創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐兩大能力的培養(yǎng)和提高而開展，從而培養(yǎng)出學(xué)術(shù)研究型的工程科學(xué)家、研發(fā)人員和設(shè)計(jì)工程師。本教學(xué)改革針對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的具體特點(diǎn)和存在的實(shí)際問題，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新拔尖人才的卓越工程師為目標(biāo)，對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的改革進(jìn)行了初步探索。

一、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程具有如下特點(diǎn)：實(shí)踐性強(qiáng)，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程本身對學(xué)生的理論基礎(chǔ)要求不是很高，它側(cè)重于具體技術(shù)在工程中的應(yīng)用；技術(shù)更新快，單片機(jī)誕生至今已經(jīng)有幾十年的歷史了，在當(dāng)今這個信息飛速發(fā)展的社會中，單片機(jī)技術(shù)也不是一成不變的。單片機(jī)的性能不斷提高、功能不斷加強(qiáng)、類型更加多樣；入門較難，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程以“模擬技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“電路基礎(chǔ)”、“微機(jī)原理”、“計(jì)算機(jī)編程語言”等作為先修課程并且與它們聯(lián)系緊密，是綜合性較強(qiáng)的課程，這給學(xué)生的入門帶來了一定的困難。

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程在本校自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院已經(jīng)開設(shè)了二十幾年，目前，該課程存在如下問題：教材內(nèi)容滯后，以往采用的教材大都是基于傳統(tǒng)的8051單片機(jī)進(jìn)行編寫的，課程的教學(xué)安排也是按照教材內(nèi)容講述，而單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展卻是日新月異，如何解決教材陳舊與單片機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾，是“單片機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)改革中需要重點(diǎn)解決的；教學(xué)方式陳舊，傳統(tǒng)的教學(xué)方式以教師講授為主、學(xué)生上課認(rèn)真聽課，課下配以一定學(xué)時的實(shí)驗(yàn)，這樣的教學(xué)方式使得教師與學(xué)生的互動性較差，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；考核方式單一，傳統(tǒng)的考核方式還是以期末閉卷考試為主，這樣會造成學(xué)生的被動記憶，難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，合理的考核方式改革迫在眉睫。

二、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程改革的內(nèi)容

結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的改革以培養(yǎng)工程能力強(qiáng)和具有創(chuàng)新思維能力的人才為目標(biāo)，注重理論知識在實(shí)踐中的應(yīng)用，體現(xiàn)對科學(xué)研究能力的培養(yǎng)。

1.“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程理論教學(xué)的改革

教師在“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的理論教學(xué)過程中，不僅應(yīng)該讓學(xué)生掌握基本的理論基礎(chǔ)知識，更應(yīng)該注意引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，還需要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性解決問題的能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本校在確保完成教學(xué)大綱要求的內(nèi)容基礎(chǔ)上，對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，同時對傳統(tǒng)的課程教學(xué)方式和考核方式進(jìn)行了改變。

（1）課程內(nèi)容的調(diào)整。傳統(tǒng)的單片機(jī)功能單一、處理速度較低、存儲空間少，因而需要利用單片機(jī)的“三總線”（數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）架構(gòu)進(jìn)行功能的擴(kuò)展。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在相同封裝甚至更小封裝的單片機(jī)芯片上集成了更多功能模塊，使得單片機(jī)的處理速度和存儲能力已經(jīng)今非昔比，進(jìn)而造成基于“三總線”架構(gòu)進(jìn)行并行擴(kuò)展的應(yīng)用逐步減少，所以教師在課堂講授中只對并行擴(kuò)展進(jìn)行簡單介紹，使學(xué)生達(dá)到了解的程度即可，同時增加并著重介紹基于SPI總線、I2C總線等串行擴(kuò)展介紹。另外，由于現(xiàn)代單片機(jī)處理速度的提高、存儲空間的增加、開發(fā)環(huán)境編譯器性能的提升，匯編語言在單片機(jī)的開發(fā)中已經(jīng)不再占有主導(dǎo)地位，取而代之的是大量的基于C語言的單片機(jī)程序。因此在教學(xué)中只讓學(xué)生了解匯編語言的優(yōu)缺點(diǎn)、熟悉基本的指令格式、能夠進(jìn)行簡單的編程，同時掌握匯編與C語言的混合編程方法即可。在單片機(jī)編程語言的講授中，重點(diǎn)介紹嵌入式C語言與基于PC機(jī)的C語言的異同點(diǎn)。此外，對一些已經(jīng)不具有實(shí)用價(jià)值的芯片，如D/A芯片-DAC0832，A/D芯片-AD0809等，在課堂上不做介紹，而講授一些較為常用的外部接口芯片，如基于“1-wire”總線的DS18B20溫度傳感器，基于串行接口擴(kuò)展的A＼D、D/A、鍵盤控制、顯示控制以及存儲芯片。最后，在教學(xué)內(nèi)容上增加了對Proteus軟件的介紹，該軟件能夠在計(jì)算機(jī)上模擬單片機(jī)的運(yùn)行，方便學(xué)生在課下進(jìn)行自學(xué)以鞏固課堂內(nèi)容。課程內(nèi)容的調(diào)整能夠拓寬學(xué)生的知識面，真正實(shí)現(xiàn)知識性、實(shí)用性、新穎性、靈活性的有效統(tǒng)一。

（2）課程教學(xué)方式的變革。傳統(tǒng)的教學(xué)方式多為填鴨式教學(xué)，該方式以教師講授知識為主導(dǎo)，學(xué)生只是聽課和記筆記。這種方式不能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也不能引導(dǎo)學(xué)生做出創(chuàng)新性思考。而現(xiàn)代教學(xué)較為推崇“研究型”教學(xué)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中增加更多的互動環(huán)節(jié)，積極引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入挖掘，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索能力，但是不能完全否定“傳統(tǒng)型”教學(xué)方式?！皞鹘y(tǒng)型”教學(xué)方式非常重視基礎(chǔ)知識的講授，能夠給學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的課程認(rèn)知基礎(chǔ)，所以教師應(yīng)在“單片機(jī)應(yīng)用及原理”課程的授課中將“研究型”與“傳統(tǒng)型”教學(xué)方式合理地結(jié)合，既側(cè)重基礎(chǔ)知識的講授，也要引導(dǎo)學(xué)生積極思考、勤于實(shí)踐。這樣既避免了學(xué)生只會考試不會實(shí)踐的缺點(diǎn)，同時也為學(xué)生的工程實(shí)踐活動打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（3）考核方式的變化。改閉卷考試為開卷考試、并增加開放性題目的設(shè)置，深入考查學(xué)生對知識的靈活應(yīng)用程度而不是考查學(xué)生對知識的記憶能力；引入多重評價(jià)體系避免單一評價(jià)指標(biāo)對學(xué)生的限制。改革后的課程考核結(jié)合開卷考試、實(shí)驗(yàn)考核以及開放性自選作業(yè)考核三種考核方式。改閉卷考試為開卷考試是因?yàn)椤皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”課程是一門應(yīng)用性大于理論性的課程，它側(cè)重于學(xué)生對單片機(jī)這門工具的掌握并能將其應(yīng)用到實(shí)踐中的程度，而不強(qiáng)調(diào)學(xué)生對知識點(diǎn)的記憶，開卷考試更能夠考查出學(xué)生對知識的靈活掌握能力。同時，借助實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核，來加強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力。最后在平時布置一些開放性自選作業(yè)，讓學(xué)生選擇自己感興趣的內(nèi)容進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，這些開放式的作業(yè)大都是讓同學(xué)借助Proteus仿真軟件來實(shí)現(xiàn)一些小的功能。仿真軟件的使用讓學(xué)生不再受限于有限的實(shí)驗(yàn)課時和實(shí)驗(yàn)器材，使其能夠更加多方面、靈活、深入地學(xué)習(xí)單片機(jī)知識。

2.“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)的改革

工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)一方面要求學(xué)生能將課堂所學(xué)知識轉(zhuǎn)換為實(shí)踐動手能力，另一方面還要讓學(xué)生具有初步的實(shí)際工程開發(fā)意識和能力。所以在實(shí)踐教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和科技競賽環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)基礎(chǔ)實(shí)踐能力，而科研進(jìn)課堂能夠進(jìn)一步提高工程實(shí)踐能力。

（1）合理配置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對大多數(shù)學(xué)生而言仍是將課堂知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。在保證實(shí)驗(yàn)學(xué)時的基礎(chǔ)上，通過提高綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的比例，來培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題能力，同時通過一定的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生較快地熟悉單片機(jī)的開發(fā)流程和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。另外，教師可以將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提前發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生通過Proteus仿真軟件提前在自己的計(jì)算機(jī)中搭建出實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的單片機(jī)硬件系統(tǒng)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容進(jìn)行編程，并進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試通過后學(xué)生再在實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)硬件平臺上進(jìn)行驗(yàn)證。這樣做一方面可以使學(xué)生掌握仿真軟件的使用，另一方面可以節(jié)省出大量的實(shí)驗(yàn)時間，從而在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時內(nèi)安排更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)一步加深對單片機(jī)的理解。

（2）推進(jìn)科研成果進(jìn)課堂?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”作為一門應(yīng)用性、實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，需要授課教師有較為豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并能夠?qū)⑦@些經(jīng)驗(yàn)以及科研成果引入到“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課堂上。這樣一方面可以提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣；另一方面，可以使學(xué)生知道單片機(jī)用到哪里、為什么用、如何用、怎么更好地用。同時，在授課中可以以單片機(jī)為核心，引導(dǎo)學(xué)生建立初步的工程實(shí)踐意識，掌握初步的工程研究和工程創(chuàng)新方法。

（3）引入最新技術(shù)。目前，越來越多的公司每隔固定時間都會舉行一些產(chǎn)品研討會。在研討會上都會結(jié)合自己公司的單片機(jī)產(chǎn)品來介紹一些實(shí)際的工業(yè)界使用案例，同時也會介紹單片機(jī)產(chǎn)品的最新發(fā)展方向和最新產(chǎn)品。因此，教師收集一些單片機(jī)相關(guān)研討會的信息，并根據(jù)授課進(jìn)度以及學(xué)生對單片機(jī)的掌握程度挑選一些合適的研討會，鼓勵學(xué)生積極參加。從反饋的情況來看，學(xué)生對參加此類研討會有著非常濃厚的興趣，他們不僅可以學(xué)習(xí)到單片機(jī)的具體應(yīng)用，也可以通過跟現(xiàn)場的設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行交流，進(jìn)一步加深對單片機(jī)在工業(yè)界使用情況的認(rèn)識，促使他們有更大的興趣和動力在課堂上學(xué)習(xí)單片機(jī)，從而形成一個積極的良性循環(huán)。

（4）鼓勵參加科技競賽。目前，國家以及各個高校各自都在舉辦一些學(xué)生科技競賽，期望通過這些競賽調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐能力的轉(zhuǎn)化。單片機(jī)作為一種通用的微型控制器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、軍事等各個行業(yè)都能夠得到應(yīng)用，因此單片機(jī)非常適合學(xué)生參加科技競賽。在教學(xué)過程中，引導(dǎo)并鼓勵學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)新性思維，結(jié)合所學(xué)知識積極參加相關(guān)的科技競賽，通過競賽達(dá)到學(xué)有所用、學(xué)有所獲的目的。

三、教學(xué)改革的效果

采取上述措施后，經(jīng)過兩年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的學(xué)習(xí)有了更大的興趣，能夠更好地掌握并應(yīng)用所學(xué)的知識，同時通過眾多的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生非常容易將課堂知識進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外有多名學(xué)生利用所學(xué)的單片機(jī)知識參加了全國電子設(shè)計(jì)大賽、機(jī)器人大賽、校級SRTP項(xiàng)目、校級“馮如杯”科技競賽等，并在這些大賽中獲得了較好的名次。

四、結(jié)論

隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)改革也勢在必行。針對目前“單片機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本校研究型大學(xué)的定位，以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)改革內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。通過具體的改革方法加強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練。本教學(xué)研究工作經(jīng)受了實(shí)踐的考驗(yàn)，贏得了相關(guān)教師和學(xué)生的一致認(rèn)可。本論文受到北京航空航天大學(xué)教改項(xiàng)目的支持，特此表示感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]Syed R.Rizvi.Microcontroller Programming：An Introduction[M].CRC Press，2011：1-50.

[2]Dogan Ibrahim.Microcontroller Based Applied Digital Control[M].Wiley，2006：25-35.

[3]張毅剛，彭喜元，彭宇.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].第二版.北京：高等教育出版社，2010：1-27.

[4]蕭德云，張長永，王雄，等.創(chuàng)建研究型自動化教學(xué)體系，培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)拔尖人才[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（S2）.

[5]段敬紅，王磊，等.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與實(shí)踐體系的建立[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（3）.

[6]楊波，閆蓓.利用專業(yè)基礎(chǔ)課程加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)[J].北京航空航天大學(xué)（社會科學(xué)版），2011，24（2）.

[7]王威.普通高校自動化專業(yè)嵌入式技術(shù)教學(xué)思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）.

[8]張騰飛，顧亦然，王瑾.電氣類專業(yè)嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與方法的改革探索[J].中國電力教育，2009，（7）.

[9]林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”通用標(biāo)準(zhǔn)研制[J].高等工程教育，2010，（4）.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）