基于單片機(jī)課程教學(xué)體系改革的人才培養(yǎng)

王 玲，李建偉

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》中關(guān)于高等教育質(zhì)量提升的重要內(nèi)容，于2010年6月正式啟動.作為教育部組織實施的一個國家重大項目，“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”旨在為我國應(yīng)對經(jīng)濟(jì)全球化的挑戰(zhàn)，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，走新型工業(yè)化發(fā)展道路，建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國的戰(zhàn)略，培養(yǎng)一大批具有國際競爭力的高素質(zhì)工程人才[1，2].

農(nóng)業(yè)工程技術(shù)是綜合應(yīng)用工程、生物、信息和管理科學(xué)原理與技術(shù)而形成的一門多學(xué)科交叉的綜合性科學(xué)與技術(shù)[3].呈現(xiàn)出二個特點：①工程技術(shù)新成就的綜合應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)工程向大型化、密集化、自動化方向發(fā)展.②工程科學(xué)與農(nóng)業(yè)生物科學(xué)的緊密結(jié)合和相互滲透.

單片機(jī)已廣泛應(yīng)用到家用電器、工業(yè)控制、軍事、通信、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域中，在精細(xì)農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此，單片機(jī)課程不僅是全國高等農(nóng)業(yè)院校電氣電子、機(jī)電、自動化、測控等許多農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的必修課程，也是培養(yǎng)“卓越計劃”創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人才的一門重要課程.

1 單片機(jī)課程的特點及現(xiàn)狀

作為農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的創(chuàng)新實踐課，單片機(jī)課程的特點如下：實踐性強(qiáng)，單片機(jī)課程本身側(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)的性能不斷提高、功能不斷加強(qiáng)、類型更加多樣；綜合性強(qiáng)，單片機(jī)課程綜合之前的基礎(chǔ)課如“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“電路基礎(chǔ)”、“計算機(jī)編程語言”和專業(yè)基礎(chǔ)課如“微機(jī)原理”、“電子CAD”、“電子仿真技術(shù)”等，并且以這些課程為基礎(chǔ)，是綜合性較強(qiáng)的課程；創(chuàng)新性大，單片機(jī)課程可以加上同學(xué)們的創(chuàng)意把之前所學(xué)課程的珠子串成線，開發(fā)可應(yīng)用的作品.

單片機(jī)課程在本校機(jī)電工程工程學(xué)院已經(jīng)開設(shè)了二十幾年，是電子專業(yè)的必修課和機(jī)械制造及其自動化和農(nóng)業(yè)機(jī)械專業(yè)的選修課.目前，該課程存在如下問題：教材內(nèi)容相對滯后，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，而同學(xué)們?nèi)暨M(jìn)行較實用系統(tǒng)的開發(fā)，則需要用到16位、32位單片機(jī)，如STM32系列ARM單片機(jī)；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)時的實驗，這樣的教學(xué)方式使得教師與學(xué)生的互動性較差，理論與實踐之間有一定的時延，且重理論輕實踐；學(xué)時較短，單片機(jī)開發(fā)涉及到裸機(jī)、操作系統(tǒng)等大量知識的累積和儲備，及外圍傳感器的知識，需要同學(xué)們有較多的學(xué)時慢慢消化所學(xué)內(nèi)容.因此，如何利用好課堂教學(xué)、課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計來提高同學(xué)們的工程創(chuàng)新能力是急需研究的內(nèi)容.

2 單片機(jī)教學(xué)體系

2.1 教學(xué)改革的思路

主要以卓越工程師培養(yǎng)要求為依據(jù)，以提高學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目標(biāo).根據(jù)學(xué)生的實際條件因材施教；以工程實踐訓(xùn)練為支撐，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力.

2.2 五位一體的教學(xué)改革實踐

單片機(jī)課程的授課及創(chuàng)新實踐包括5個環(huán)節(jié)，其中單片機(jī)課程包括3個環(huán)節(jié)：課堂教學(xué)，課程實驗和課程設(shè)計；基于單片機(jī)的創(chuàng)新實踐包括2個環(huán)節(jié)：畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽.

課堂教學(xué)是基礎(chǔ)，是知識積累及培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的過程.[4]課程實驗是銜接點，通過鍛煉學(xué)生的動手實踐能力及程序開發(fā)實力為以后的系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)；而課程設(shè)計是初次系統(tǒng)開發(fā)，培養(yǎng)同學(xué)們從系統(tǒng)工程角度來完成一個作品，同時也檢驗了理論和實踐知識的掌握情況.這3個環(huán)節(jié)雖是單片機(jī)課程的全部學(xué)習(xí)內(nèi)容，只有做好每一個環(huán)節(jié)，才能為創(chuàng)新實踐打好基礎(chǔ).同學(xué)們在接下來的畢業(yè)設(shè)計和參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽環(huán)節(jié)步步提高，才能培養(yǎng)出符合卓越工程師標(biāo)準(zhǔn)的人才，才能在工作崗位上參與或獨立研發(fā)基于單片機(jī)的智能系統(tǒng).因此卓越工程人才培養(yǎng)需要需緊密圍繞著這五個教學(xué)改革實踐環(huán)節(jié)來進(jìn)行.

2.2.1 理論教學(xué)改革

2.2.1.1 單片機(jī)開發(fā)產(chǎn)品展示

在講單片機(jī)的緒論時，可以給同學(xué)們展示一些前幾屆學(xué)生用單片機(jī)完成的畢業(yè)設(shè)計作品和參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的作品，讓學(xué)生直接接觸到單片機(jī)的實際作用，通過介紹單片機(jī)在家用電器、工業(yè)控制測量及其在智能化方面的應(yīng)用，使學(xué)生了解單片機(jī)的核心作用及在整個專業(yè)體系中的作用，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣.

2.2.1.2 在開發(fā)板上進(jìn)行課堂教學(xué)

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)是同學(xué)們上完課后再作實驗，已不能適應(yīng)單片機(jī)的課程教學(xué)體系，因此，通過選擇合適的單片機(jī)開發(fā)板，來完成課堂教學(xué)現(xiàn)場演示.通過編寫程序，調(diào)試程序、下載程序以及演示效果，使學(xué)生有直觀的感覺，從而可使教學(xué)效果事半功倍.

2.2.1.3 選用C語言作為開發(fā)語言

同學(xué)們普遍反映在學(xué)習(xí)微機(jī)原理課程時，已被匯編語言所難倒.眾所周知匯編語言抽象、晦澀難懂，對于較長的程序，學(xué)生更是難以理解.c語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能.目前，使用c語言進(jìn)行程序設(shè)計已經(jīng)成為嵌入式軟件開發(fā)的一個主流.用c語言開發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)程序的可讀性，便于改進(jìn)、擴(kuò)充和移植.

2.2.2 課程實驗改革

傳統(tǒng)的實驗學(xué)時是10個學(xué)時，同學(xué)們可作5個實驗項目，顯然通過實驗同學(xué)們所能獲得的知識是有限的.同學(xué)們普遍有計算機(jī)，因此，自發(fā)團(tuán)購了開發(fā)板，通過USB接口下載程序，使用特別方便.這樣同學(xué)們的作業(yè)也就是試驗內(nèi)容.這樣增加同學(xué)們動手實踐的時間，可以邊學(xué)習(xí)邊實踐，不再受實驗場地和實驗時間的限制.

2.2.3 課程設(shè)計改革

在單片機(jī)所開發(fā)的產(chǎn)品展示后，我就布置課程設(shè)計的任務(wù)是一人一題，開發(fā)自己的產(chǎn)品，因為在之前和同學(xué)們接觸中，了解每個人心中都有一個小小的專業(yè)夢想，那么可以通過課程的學(xué)習(xí)及課程設(shè)計這個環(huán)節(jié)，把它變?yōu)楝F(xiàn)實.如農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的同學(xué)們大都來自農(nóng)村，他們的夢想就是一個個的創(chuàng)新點，通過鼓勵他們一點點去完成作品，也使他們的專業(yè)知識越學(xué)越扎實.在課程設(shè)計答辯中，要求有創(chuàng)意點來源介紹、proteus軟件仿真及實物展示等.一些同學(xué)們的作品較大，暫時還未全部實現(xiàn)，可以作為畢業(yè)設(shè)計題目繼續(xù)完善及實現(xiàn)，一些有較大創(chuàng)新的作品，可以推薦參加一些如挑戰(zhàn)杯、聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、節(jié)能減排大賽等.

2.2.4 畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)

近三年我系的畢業(yè)設(shè)計中，用到單片機(jī)的高達(dá)80%，一些同學(xué)通過自選題目的形式來繼續(xù)單片機(jī)開發(fā).在畢業(yè)設(shè)計時，同學(xué)們綜合了三年的知識，結(jié)合當(dāng)前社會的熱點，獨立完成畢業(yè)設(shè)計.多數(shù)同學(xué)會終身受益，作為教師一定要為學(xué)生提供一定的條件和設(shè)備，并給與積極有效的指導(dǎo).同學(xué)們已有之前單片機(jī)教學(xué)中的系統(tǒng)化訓(xùn)練，可以學(xué)習(xí)用較復(fù)雜的單片機(jī)開發(fā)較大的系統(tǒng)，包括上位機(jī)的程序開發(fā)，和下位機(jī)的硬件設(shè)計，以及上下位機(jī)的遠(yuǎn)程控制，即上位機(jī)用于顯示和控制，下位機(jī)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場設(shè)備，畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容涉及到軟、硬件技術(shù)、上位機(jī)高級語言編程、遠(yuǎn)程通信、通信協(xié)議、單片機(jī)開發(fā)技術(shù)、控制理論、傳感技術(shù)等.

2.2.5 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)節(jié)

本著“培養(yǎng)創(chuàng)新性人才”的宗旨，服務(wù)“卓越工程師”培養(yǎng)計劃，完善“核心課程建設(shè)”成果，我院已設(shè)立大學(xué)生科技創(chuàng)新工作室.工作室是學(xué)生開展創(chuàng)新實踐、科技競賽、創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)等活動的基地，是學(xué)生自己的實踐和創(chuàng)意工廠.工作室為學(xué)生提供了種類齊全、先進(jìn)適用的各種儀器設(shè)備以及良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的聰明才智，進(jìn)行創(chuàng)造性學(xué)習(xí)和科技發(fā)明、制作活動.學(xué)校為進(jìn)一步鼓勵教師、學(xué)生積極參與學(xué)術(shù)科技競賽活動，培養(yǎng)創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和實踐能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)，學(xué)校已頒布《大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新活動獎勵實施辦法》，每年學(xué)校有實驗室開放課題及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題可供同學(xué)們選擇.學(xué)院還專門成立了“卓越工程師”培訓(xùn)班，以提供不同專業(yè)的同學(xué)間互相交流、互相學(xué)習(xí).我系的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目90%是基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的，因此，同學(xué)們也積極鉆研單片機(jī)相關(guān)知識，一些同學(xué)從大一就開始自學(xué)單片機(jī).目前，單片機(jī)自學(xué)的教材、視頻等內(nèi)容非常豐富，也為同學(xué)們提供了便利條件.

3 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)工程學(xué)科因?qū)I(yè)特殊,更需要卓越工程技術(shù)人才,才能滿足當(dāng)前的就業(yè)需求.通過五位一體的基于單片機(jī)的教學(xué)體系訓(xùn)練，同學(xué)們可以參與或獨立開發(fā)系統(tǒng)，為同學(xué)們以后的工作奠定良好的基礎(chǔ).

〔1〕林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)培養(yǎng)方案研究[J].清華大學(xué)教育研究，2011，32（2）：47-55.

〔2〕周元哲，王陸海.西安郵電大學(xué)卓越工程師人才培養(yǎng)模式的探索[J].教育教學(xué)論壇，2012(29)：37-38.

〔3〕朱明.加強(qiáng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)集成，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)[J].世界農(nóng)業(yè)，2013（12）：199-201.

〔4〕王玉昆，張勇.檢測技術(shù)課程改革與卓越工程師能力的培養(yǎng)[J].鞍山師范學(xué)院學(xué)報,2012，14(4):71－74.