從大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽探討單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革*

邱思杰

（三明學(xué)院 福建 三明 365000）

電子競賽是國家教育部發(fā)起的全國普通高校四大大學(xué)生群眾性科技競賽活動之一，具有非常廣泛的影響力和號召力。大學(xué)生電子競賽不僅全面推動了創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，而且促進(jìn)了全國普通高校電子類專業(yè)教育教學(xué)內(nèi)容的改革和課外實(shí)踐教學(xué)改革。從2005年參加電子競賽以來，我校大力鼓勵和支持學(xué)生積極參與全國性和地方性的比賽，盡管取得了一定的成績，但仍反映出一些問題，最明顯的是理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)問題。

我校電子類理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

在參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，參賽學(xué)生暴露了高校在電子類專業(yè)教育中的存在的共性問題。如專業(yè)基礎(chǔ)知識不夠扎實(shí)；系統(tǒng)綜合運(yùn)用開發(fā)能力不強(qiáng)；硬件偏弱而軟件編程能力較強(qiáng)；實(shí)踐動手設(shè)計(jì)電路能力不足；新技術(shù)新器件應(yīng)用能力不高等，這就對傳統(tǒng)電子理論教學(xué)內(nèi)容和方法提出了挑戰(zhàn)。同時，也反映了在實(shí)踐教學(xué)方面的兩個問題：一是設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)偏少，在所開設(shè)的電子類實(shí)驗(yàn)課程中,基本都是課程相對獨(dú)立，缺乏課程與課程之間的緊密聯(lián)系。我校應(yīng)少開一些單科性實(shí)驗(yàn)，多開一些綜合性實(shí)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)比例占實(shí)驗(yàn)總數(shù)的20%。在選擇設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同時，應(yīng)多開設(shè)與工程實(shí)際問題相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,這有利于增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)用能力的提高。二是在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的過程中，現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)模式內(nèi)容單一、枯燥，學(xué)生在有限的90分鐘里僅能完成實(shí)驗(yàn)規(guī)定的內(nèi)容，無法充分體現(xiàn)學(xué)生作為教學(xué)主體的作用,使學(xué)生無法思考理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏獨(dú)立思考的能力，抑制了學(xué)生動手能力的提高，違背了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。我們應(yīng)該增加綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn),且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)及時更新,使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與市場需求緊密接軌。這就要求教師積極參與各項(xiàng)教學(xué)改革和科研項(xiàng)目,不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷將新內(nèi)容、新技術(shù)、新方法充實(shí)于電子理論和實(shí)踐教學(xué)中。

提高電子類實(shí)踐課程的教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)中探索理論與實(shí)踐的完美結(jié)合點(diǎn)

造成電子類專業(yè)理論與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)現(xiàn)狀的重要原因就是在教學(xué)中沒有引入實(shí)際項(xiàng)目教學(xué)，在實(shí)踐中忽視了理論的指導(dǎo)。幾年來,我校對學(xué)生的培養(yǎng)定位為應(yīng)用型人才，專業(yè)團(tuán)隊(duì)申請了福建省教育廳“卓越工程師”項(xiàng)目，采取與企業(yè)聯(lián)合辦學(xué)的模式，培養(yǎng)企業(yè)真正需要的實(shí)踐型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才。我校對電子專業(yè)培養(yǎng)方案采取一年一小修訂，兩年一大修訂的原則，對專業(yè)方向課程進(jìn)行全面討論、審核、修改,加強(qiáng)新課程、新內(nèi)容、新方法、新技術(shù)、新器件與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),同時以專業(yè)方向課程為體系,以培養(yǎng)學(xué)生能力和提高全面素質(zhì)為目的，對所有課程的教學(xué)大綱進(jìn)行審核、修改。另外，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)對教學(xué)內(nèi)容的要求,在選用專業(yè)課程教材方面，優(yōu)先選用高等教育出版社、電子工業(yè)出版社等高質(zhì)量、權(quán)威且實(shí)用的教材,力求教學(xué)內(nèi)容與電子發(fā)展方向緊密聯(lián)系。

加強(qiáng)理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。第一，教師應(yīng)充分利用大學(xué)生電子競賽為契機(jī)加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際,積極開展產(chǎn)學(xué)研科研項(xiàng)目，將項(xiàng)目中的新技術(shù)、新電路應(yīng)用于教學(xué),拓展學(xué)生的知識面。第二，加強(qiáng)設(shè)計(jì)性與綜合性實(shí)驗(yàn)的比重,嚴(yán)格要求獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,強(qiáng)調(diào)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、總結(jié)能力的培養(yǎng),積極引導(dǎo)學(xué)生在“課程設(shè)計(jì)”、“學(xué)年設(shè)計(jì)”等綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)中大膽采用新方法、新器件設(shè)計(jì)，突出表現(xiàn)創(chuàng)新、實(shí)用能力，力爭在教學(xué)中探索理論和實(shí)踐的完美結(jié)合。

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的軟硬件建設(shè)

首先，在實(shí)踐課程教學(xué)過程中，組織教師聽課、評課、研討，協(xié)助教師制定實(shí)踐課程教學(xué)計(jì)劃，定期召開各班“教”與“學(xué)”專題班務(wù)會、座談會，及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)、交流學(xué)習(xí)心得，聽取學(xué)生對實(shí)踐課程教學(xué)工作的意見和建議，對于學(xué)生的評教快速響應(yīng)并及時通報(bào)，各任課教師及時落實(shí)整改，努力提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。其次，建立電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，為學(xué)生提供一個良好的學(xué)習(xí)與研究環(huán)境，展現(xiàn)新思維、新設(shè)計(jì)的舞臺，在學(xué)院和物理系領(lǐng)導(dǎo)的支持、關(guān)心下，我系建立了電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備配置均在完善中。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室面向提高班學(xué)生、課外活動骨干、參加電子設(shè)計(jì)競賽學(xué)生等優(yōu)秀本科生開放。再次，我院開展了形式多樣的第二課堂活動。為了配合各類競賽的開展，學(xué)院還每年舉辦電腦節(jié)、科技文化周、創(chuàng)新大賽、院級電子設(shè)計(jì)競賽等，積極組織學(xué)生參與省部級和國家級的各類科技競賽，加強(qiáng)與兄弟院校的學(xué)習(xí)交流，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和溝通協(xié)作能力。

單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革實(shí)例

在《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)中講授外部總線串行擴(kuò)展章節(jié)時，很容易出現(xiàn)以下問題：介紹知識過多,學(xué)生感覺學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥；各部分內(nèi)容相對獨(dú)立,缺乏整體概念；應(yīng)用技術(shù)介紹較少，學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)不足；軟件編程介紹過多,硬件設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)不夠，這就使得學(xué)生碰到實(shí)際問題時，缺乏構(gòu)建硬件系統(tǒng)的思路和能力。

在不改變教學(xué)內(nèi)容的情況下，可以嘗試在課堂教學(xué)中引入大學(xué)生電子競賽題目，讓學(xué)生強(qiáng)化實(shí)踐，培養(yǎng)實(shí)際操作能力。下面以“LED點(diǎn)陣電子顯示屏制作”（2010年福建省電子競賽作品）項(xiàng)目為例，闡述如何完成從課堂教學(xué)到電子設(shè)計(jì)實(shí)踐的順利轉(zhuǎn)型。

LED點(diǎn)陣電子顯示屏實(shí)現(xiàn)了LED大屏幕顯示系統(tǒng)，以STC89C52單片機(jī)為核心，由鍵盤控制、顯示、溫度采集、LED大屏幕顯示等功能模塊組成。基于任務(wù)要求，本系統(tǒng)對漢字詞組顯示和大屏幕顯示進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。此外，擴(kuò)展了單片機(jī)外圍接口、溫度采集、滾動屏幕顯示、旋轉(zhuǎn)屏不變，掉電保護(hù)等功能。

競賽選題之初，參賽學(xué)生沒有學(xué)過LED電子屏的設(shè)計(jì)，面對這些性能指標(biāo)茫然無措。指導(dǎo)教師則根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)思路，首先確定該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖（見圖1），該系統(tǒng)主要由STC89C52控制器、角度傳感器電路、溫度傳感器電路、掉電保護(hù)存儲芯片、矩陣鍵盤控制電路、24×24 LED顯示模塊等組成。

根據(jù)系統(tǒng)框圖對角度傳感器及掉電保護(hù)存儲芯片進(jìn)行選型。這時，可以聯(lián)系本書當(dāng)前講授內(nèi)容I2C總線。在掉電保護(hù)存儲芯片的選擇上采用AT24C04；在角度傳感器方面采用TILT-03-I2C-90雙軸傾角傳感器，重要原因是這兩款芯片都具有I2C總線，即使沒有使用過這兩款芯片，只要嚴(yán)格遵守總線的時序要求和通信協(xié)議，一樣可以快速實(shí)現(xiàn)芯片的數(shù)據(jù)存儲和角度測量功能。然后，根據(jù)系統(tǒng)方案的要求及芯片的選擇，設(shè)計(jì)掉電顯示和角度測量的流程圖，并利用Proteus 7.8完成電路軟件級仿真（見圖2），最終實(shí)現(xiàn)電路硬件級設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)具備屏幕旋轉(zhuǎn)漢字顯示、AT24C04實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)、DS18B20溫度采集顯示等性能，其調(diào)試與測試過程如圖3、4、5所示。本作品獲得了福建省大學(xué)生電子競賽一等獎。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 未加傳感器的系統(tǒng)電路圖

圖3 角度傳感器實(shí)現(xiàn)屏幕旋轉(zhuǎn)漢字顯示圖

通過以上理論聯(lián)系實(shí)踐的教學(xué)改革，使學(xué)生明白了即使競賽之前沒有設(shè)計(jì)過LED點(diǎn)陣，但是對于比賽采用的單片機(jī)理論包括單總線、I2C總線，以及74HC595串入并出芯片,74LS138譯碼器，4×4矩陣鍵盤等都是平時實(shí)驗(yàn)必備的基礎(chǔ)。這些內(nèi)容都是《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱必做的項(xiàng)目，如LED動態(tài)掃描顯示實(shí)驗(yàn)、4×4矩陣鍵盤輸入實(shí)驗(yàn)、AT24C04數(shù)據(jù)讀寫實(shí)驗(yàn)、基于51單片機(jī)的DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)等。我校教師在日常實(shí)踐教學(xué)中嚴(yán)格要求學(xué)生掌握單片機(jī)的基本性能、如何配置SFR實(shí)現(xiàn)單片機(jī)第二功能，以及時序圖、單總線、I2C串行總線、SPI串行總線、Microwire總線等，同時要求學(xué)生了解單片機(jī)整體系統(tǒng)開發(fā)思想，舉一反三，觸類旁通，使學(xué)生在枯燥的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)中體會到理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。

圖4 AT24C04實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)示意圖

圖5 DS18B20溫度采集顯示圖

綜上所述，電子設(shè)計(jì)競賽是一項(xiàng)理論競賽與實(shí)驗(yàn)競賽相統(tǒng)一的活動，有助于學(xué)生培養(yǎng)工程實(shí)踐素質(zhì)，提高學(xué)生針對實(shí)際問題進(jìn)行電子設(shè)計(jì)制作的能力。它既強(qiáng)調(diào)理論設(shè)計(jì)，又強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；既考核學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識的能力，又注重考察學(xué)生的創(chuàng)新意識。這與高校培養(yǎng)人才的初衷不謀而合，從而成為推動我校理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)改革的最大動力。始終注重在理論教學(xué)中通過虛擬電子仿真實(shí)驗(yàn)室來將項(xiàng)目教學(xué)法引入課堂，使電子專業(yè)理論學(xué)習(xí)更加生動活潑，而在實(shí)踐中各個環(huán)節(jié)都需找到相應(yīng)的理論支撐。這是對傳統(tǒng)教學(xué)方法的挑戰(zhàn)，改革傳統(tǒng)教學(xué)方法，加強(qiáng)對電子類課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控建設(shè)，才能培養(yǎng)出務(wù)實(shí)、創(chuàng)新的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

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