單片機實訓課程改革與工程應用型人才培養(yǎng)

謝輝等

摘要：針對單片機實訓體系存在的理論與實踐脫節(jié)、缺乏工程應用能力培養(yǎng)等問題，本文介紹了相關的改革情況。采用項目化模式組織理論教學和工程開發(fā)模式組織實踐教學，將理論教學與實踐教學緊密結合起來；改革單片機課程設計模式，增加課題宣講、系統(tǒng)驗收答辯等環(huán)節(jié)，促進學生動手能力及自主學習能力的培養(yǎng)；組建單片機興趣小組及與大學生創(chuàng)新性實驗的結合，促進課內外單片機學習的良性互動。實踐證明，單片機實訓體系的多層次多模塊改革，提高了學生的應用能力及綜合素質，改革經驗具有一定的推廣價值。

關鍵詞：單片機實訓課程；教學改革；應用型人才

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2015）02-0060-04

一、現代工程對應用型人才的要求及現行教學模式的不足

現代工程對應用型人才的工程素質與實踐能力的要求不斷提高。工程素質是一個技術人員創(chuàng)新意識、團隊意識及知識技能等的內化表現，實踐能力則體現為一個技術人員分析問題、解決問題的外在執(zhí)行力，二者相輔相成，是應用型人才培養(yǎng)的重要指標。高等院校工程教育是培養(yǎng)造就合格工程師的主渠道，需要每門專業(yè)課程理論與實踐的有機聯動，特別是實訓課程的系統(tǒng)化培養(yǎng)。

單片機是現代測控的核心?！皢纹瑱C原理及應用”是電子、機電等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，同時也是一門軟硬件技術結合緊密、理論性與實踐性強的課程。特別是單片機實訓課程，是對學生進行專業(yè)的技能訓練，鞏固和加強所學理論知識，培養(yǎng)學生動手能力和工程素質的重要環(huán)節(jié)，與單片機理論課程具有同樣重要的地位。

“單片機原理及應用”課程在我院開設多年，雖實踐教學經驗較豐富，但單片機實訓課程體系還存在著很多問題，主要體現在以下幾個方面：

第一，單片機實訓課程與理論教學結合不夠緊密。目前的單片機課程教學仍主要注重理論知識的傳授，課堂教學以單元章節(jié)劃分知識體系，課內實訓以驗證性實驗為主，學生無法將理論知識與實訓有機地結合起來。到了課程設計階段，學生很難對實訓課題有一個整體性的認識，不知道軟硬件如何分工，如何開展模塊化程序的編寫。許多時候課程設計變成了教師做課題，學生只能做簡單的電路焊接、程序錄入等工作，沒有達到培養(yǎng)學生應用能力的效果。

第二，實訓課題與生產實際結合不夠緊密。課程設計是學習單片機系統(tǒng)設計與開發(fā)的綜合過程的重要環(huán)節(jié)，實訓項目應該與生產實際緊密聯系。但目前絕大多數的實訓項目都主要停留在理論分析、繪制原理圖、編寫程序及電路板焊接等方面，對單片機系統(tǒng)在生產實際中可能遇到的重要問題如故障排查、系統(tǒng)優(yōu)化、抗干擾、性價比等很少涉及。

第三，對學生實踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)不足。工科的學生最重要的專業(yè)素質就是實踐能力與創(chuàng)新精神。單片機課程實訓涉及電子、傳感、程序設計及系統(tǒng)集成等多方面的知識，是培養(yǎng)學生專業(yè)素質優(yōu)質的載體。但由于現行課程體系的條塊分割，課程實訓沒有與課外實踐及相關課程知識進行有機銜接。為保證課程設計在規(guī)定的學時內完成，實訓項目往往省略了文獻資料查閱、設計方案論證、任務分解及答辯等諸多步驟，直接給出一個可以完成的任務。這樣，學生的實踐能力很難有實質性的提高。

總體來說，現行單片機實訓課程任務較單一、考核不夠全面，對學生應用能力的培養(yǎng)還停留在較低的層面上。為促進學生實踐動手能力的培養(yǎng)及工程素質的提高，單片機實訓課程改革十分必要。

二、單片機實訓課程體系的改革

單片機課程實訓體系的改革，最重要的是通過理論課程學習及實踐項目訓練，使學生能站在工程應用的角度，更深入地理解單片機的理論知識，掌握單片機系統(tǒng)的開發(fā)流程，提高分析問題解決問題的能力，最根本的目的是培養(yǎng)良好的職業(yè)應用能力。為此，實訓課程的改革主要做了如下幾個方面的工作。

（一）項目化教學模式的構建

打破傳統(tǒng)的理論教學與實踐教學相分離的教學模式，將單片機課程規(guī)劃為基礎知識、單元技能及綜合能力三個層次，采用項目化教學模式組織理論與實踐教學。

根據電子信息應用本科的人才培養(yǎng)定位將課程內容進行優(yōu)化重組，精心編選了6個非常貼近實際的工程項目，編寫出版了相應的單片機項目化教材。每個項目就是一個相對獨立的單片機應用系統(tǒng)，包含單片機的一個或若干個知識模塊，從實現實用性、能力化的教學目標；每個模塊又由一個或多個任務組成，將單片機應用技術的知識點、能力點加以整合和重組，貫穿在以職業(yè)能力培養(yǎng)為核心的工程項目中。

課程教學按照工程項目開發(fā)的模式，即“項目提出→模塊分解→任務完成→項目總結”的流程進行。如“單片機最小系統(tǒng)”項目是讓學生理解單片機內部結構和最小系統(tǒng)的的簡單應用，又將其劃分為“51單片機初步認識”、“最小系統(tǒng)構成”、“流水燈控制器“、“簡單程序設計”等幾個主要任務，每一個任務就是一個或幾個項目知能體系指標的具體體現。通過實物演示、多媒體授課及實驗室任務程序的調試運行，將單片機理論教學與實驗教學緊密結合。在每個任務的完成過程中，還有意識地通過實驗思考題的形式引導學生進一步探索。如“彩燈控制器”，除常見的流水、追逐、跳躍等基本控制效果外，還引導學生思考多重跳躍、旋轉及不規(guī)則閃亮效果，進一步思考更多LED組成點陣的控制方法，更深一層地思考I/O口不夠用時的接口擴展問題及延時時間的控制問題；鼓勵學生通過鉆研教材及課余查閱資料提出想法，并將想法變成可行的系統(tǒng)設計框圖；對一些技術難點留到課程設計階段進行論證與解決。

（二）工程實踐型課程設計的開展

課程設計是工科專業(yè)培養(yǎng)應用型人才的重要手段，也是單片機實訓體系改革的重要環(huán)節(jié)，其主旨就是加強實訓課題與工程實踐的緊密聯系，真正培養(yǎng)學生具備單片機系統(tǒng)設計開發(fā)的基礎能力。課程設計改革主要做了課題論證宣講、過程指導改革、規(guī)范設計報告及答辯驗收等幾個方面的工作。

1.實訓課題論證與方案宣講

課題論證是工程項目開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，方案的優(yōu)劣直接關系到后續(xù)開發(fā)難度、售后維護及產品性價比。在前期項目化教學的同時就有意識地引導學生開展橫向與縱向的知識擴展，為課程設計做準備。如“數字電壓表設計”橫向的知識擴展包括不同種類A/D轉換器的選擇、顯示器及鍵盤設計方案的比較，縱向的知識擴展包擴電壓表量程的切換、電壓表到萬用表的轉換，其他非電量，如溫度、流量、濕度、壓力的檢測，從單機儀表到組網儀表的擴展等。在學生具備一定理論知識水平與實踐能力的基礎上，教師提出課程設計的要求，并給出相應的實訓指導書，鼓勵學生開始項目化小組籌備，尋找感興趣的課題。教師指導學生到專業(yè)網站查閱資料、下載模塊。必要的時候，還可以思考題的形式讓學生寫一份相應的文獻綜述。

課程設計階段的第一個任務就是實訓課題方案論證，要求以小組為單位充分討論，進行一次公開的課題論證宣講。宣講內容主要包括設計方案選擇、設計框圖、系統(tǒng)原理說明、擬達到的技術指標及及擬解決的關鍵問題等。教師會在此過程中檢查學生的前期準備工作，包括相應芯片數據手冊、設計參考范例等，指出設計方案的優(yōu)點及不足，對可能遇到的設計問題給出參考意見，要求針對方案宣講中發(fā)現的問題再修改整理。如常做的“溫度控制系統(tǒng)設計”，要求每個課題組明確控制背景、控制精度，進而選擇合適的溫度傳感器與A/D轉換器，鼓勵學生選擇性價比高的芯片，如內置A/D轉換器的單片機，串行總線傳輸的小尺寸貼片封裝的芯片，或一體化的數字溫度傳感器等，提示學生注意溫度是大慣性控制量，需要一定的算法處理以提高控制精度。通過課題論證宣講過程的訓練，可讓學生切實感受到工程項目開發(fā)的嚴肅性及系統(tǒng)性，意識到前期準備及系統(tǒng)規(guī)劃的重要性，從而更全面深入地思考與解決問題。

2.項目化小組的開發(fā)過程訓練

課程設計以貼近實際的項目化小組的方式開展。根據課題工作量的大小及各自的興趣愛好，3～4人組成一個項目小組進行系統(tǒng)設計，包括硬件原理圖設計、控制程序編寫及調試、系統(tǒng)仿真驗證及實物制作等。項目小組的形式既能發(fā)揮不同學生的能力優(yōu)勢，又有利于鍛煉學生的團結協作及產品競爭意識。課程設計強調系統(tǒng)的整合及實踐能力的培養(yǎng)，如管理程序編寫、系統(tǒng)調試、故障排查、性能優(yōu)化等，使其更貼近工程實踐的開發(fā)過程。整個課程設計過程給予學生充分的自主學習與實踐探索的機會，從而最大限度地調動學生的學習積極性，教師主要起到啟發(fā)、把關和解決一些棘手問題的作用。對學生解決不了的難題，教師提出自己的觀點和看法，必要時指導學生進行軟硬件調試，觀察實驗現象，從而引導學生向正確的方向發(fā)展。如所做的“16×64點陣控制屏”，最先驅動方式是采用串行移位寄存器控制。當做16×16點陣實驗時，一切正常，但擴展到16×64點陣，進行字幕左右移動時，會出現重影，通過教師指導及實驗驗證，確定是串行驅動方式帶來的問題，改為并行驅動方式后，很好地解決了該問題。

3.規(guī)范設計報告及驗收答辯

課程設計后期主要完成設計報告寫作及實物驗收和答辯。通過這些手段促進學生更全面深入地掌握項目開發(fā)各方面的技能。

（1）設計報告寫作。進行設計報告寫作培訓，指導學生從課題任務、設計方案論證、設計內容、硬件及軟件工作原理、系統(tǒng)調試、仿真及實物展示等幾個方面進行闡述，并要求做實訓總結，最后的附錄按照規(guī)范格式附上完整的硬件原理圖、元器件清單表、程序清單及實物照片，成為一份有價值的技術文檔。通過培訓，學生課程設計報告整體質量較好，報告言之有物、條理清晰、結構合理、描述完整，杜絕了原來抄襲芯片手冊，缺乏實質內容的假大空形式。

（2）驗收和答辯。原來的課程設計沒有驗收答辯這個環(huán)節(jié)，不利于學生總結反思項目經驗。程設計引入驗收答辯機制，檢查學生是否認真完成課程設計及對專業(yè)知識的掌握和運用能力，也是確保考核評價真實公平的重要依據。驗收主要從系統(tǒng)設計、功能演示、硬件質量及軟件功能等幾個方面進行考核，并進行作品之間難度的對比與競爭。答辯以小組為單位進行，要求以PPT形式展示課題所做主要工作，每個組員都要回答指導教師的1至2個問題。驗收答辯促進學生對系統(tǒng)設計相關原理進行更深入地理解并總結反思項目經驗，從而從考核層面督促學生更好地學習。課程設計的改革實現了從以前重結論重報告到重過程重能力的轉變。

（三）實訓過程的考核改革

考核方式改革是實訓體系改革的重要方面。以往的實訓課程考核形式相對單一，主要以實訓產品及設計報告為考核對象，沒有細致地考核實訓過程及團隊成員知識水平的真實情況。改革的重要理念是重視創(chuàng)新思維與實踐能力的培養(yǎng)，采用形成性考核與終結性考核相結合，以能力考核為主的方式進行實訓成績的評定。考核內容主要由“綜合能力考核”（30%）、“實訓過程考核”（40%）及“總結與答辯”（30%）三部分組成?！熬C合能力考核”主要包括文獻查閱、設計方案論證及課程設計報告等部分，重點考核學生對單片機理論知識及應用能力?！皩嵱栠^程考核”主要考察學生實訓過程的軟硬件設計、編程及仿真、實驗儀器設備的使用熟練程度、系統(tǒng)的查錯與糾正等多方面的實踐能力?！翱偨Y與答辯”也是實訓考核的重要環(huán)節(jié)。通過課題總結，讓學生明白系統(tǒng)設計性價比的重要性，實驗室方案與工程實用方案的區(qū)別，課題存在的不足與可能的改進措施；驗收答辯可以讓學生對課題做全面的總結反思，端正學習態(tài)度、重視實踐過程，重視知識點的細節(jié)學習。單片機課程考核方式的改革可以從根本上杜絕“高分低能”現象的發(fā)生，是促進學生創(chuàng)新思維和應用能力提高的重要手段。

（四）課外科技實踐活動的有機結合

一些綜合性的項目開發(fā)僅靠課內實驗實訓環(huán)節(jié)的訓練是遠遠不夠的，將課內實訓與大學生課外科技實踐活動及電子競賽等環(huán)節(jié)有機結合，是培養(yǎng)專業(yè)技能、提高綜合素質的一個重要途徑。

組織成立單片機興趣小組，建立QQ交流群，將一些優(yōu)秀的單片機教程、設計范例、芯片手冊及常用的單片機開發(fā)網址等資料上傳到群里共享。每個同學的電腦上都安裝了Keil和Proteus軟件，相當于建立了一個虛擬實驗室。學生可以選擇感興趣的課題進行開發(fā)驗證，對課程實訓過程中的一些技術問題在群里相互討論并進行進一步的完善，教師也會針對一些難點問題在線答疑。對一些基礎較好、能力較強的學生，推薦他們進入創(chuàng)新實驗室進行更進一步的學習。

創(chuàng)新實驗室是學生進行課余科技實踐活動的平臺，配備了完善的電子儀器、單片機開發(fā)裝置及刻版機等設備。學生可以選擇實訓過程中一些難點課題或綜合性較強的課題再進行研究，也可以結合大學生創(chuàng)新實驗課題及大學生電子競賽課題進行研究，甚至可以承擔教師主持的研究課題中的一部分內容開展工作。學生在教師指導和高年級學長帶領下，獨立進行系統(tǒng)設計、編程調試、仿真驗證、電路刻版直至實物完成，最后寫出課題報告。實驗室還要經常召開講座，介紹一些新型單片機及先進設計方法，并進行設計作品的講評。通過這些多模塊、多層次的課外科研訓練與實踐訓練，學生能夠將單片機及其他相關學科知識融會貫通，具有一定的單片機系統(tǒng)綜合開發(fā)經驗，為今后從事相關工作打下了良好基礎。

參考文獻：

[1]謝輝，陳立萬，陳強.以“工程素質”與“創(chuàng)新能力”為導向的電子信息應用本科人才培養(yǎng)模式的構建[J].教育與職業(yè)，2012（273）：109-110.

[2]嵇萍，徐香梅.面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的單片機課程教學改革探索[J].蘇州市職業(yè)大學學報，2014（1）：88-89.

[3]謝輝，陳立萬，王悅善.“理實一體化”單片機課程項目導向型教學法的探索與實踐——以重慶三峽學院為例[J].職教通訊，2011（16）：46-47.

[4]謝輝，李洪兵，李焱.單片機應用技術[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5]葛浩，林其斌.單片機課程設計教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（10）：138-140.

[6]鄭梁，胡冀，徐平原，高惠芳，秦會斌.單片機課程設計的創(chuàng)新教育模式研究與實踐[J].電子電氣教學學報，2009，31（9）：99-101.

[7]王敏杰.以職業(yè)能力為本位的實訓教學考評模式探討[J].中國職業(yè)技術教育，2009（11）：33-34.

[8]張曉群.單片機實驗教學改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].西安建筑科技大學學報，2011，30（3）：94-96.

（責任編輯：張維佳）

Abstract： To solve some of the problems in SCM training curriculum， such as the loose connection between theory and practice and the， lack of application-oriented engineering training， the paper introduces some reforms in these regards. By introducing project organization models for theory teaching and project development models for practical training， theory and practice can be more closely related. Second， SCM curriculum is redesigned by adding subject introduction， reviews， and project evaluation so that the students can get more opportunities to improve their problem solving ability and independent learning ability. Third， special interest groups are integrated with college students' innovative experiments program so as to promote positive interaction both inside and outside the classroom. It proves that the multi-level and multi-module reforms in SCM training help to improve the students' application ability and all-around ability， therefore worth promoting.

Key words：single-chip computer training course； educational reform； application-oriented talents