“卓越班”單片機相關(guān)課程教學改革探索與實踐

張 妍，林永君，程海燕

(華北電力大學 自動化系，河北 保定 071000)

“卓越班”單片機相關(guān)課程教學改革探索與實踐

張 妍，林永君，程海燕

(華北電力大學 自動化系，河北 保定 071000)

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的主要目標是培養(yǎng)工程創(chuàng)新和工程實踐能力兼具的卓越工程師，圍繞這一培養(yǎng)目標，針對自動化專業(yè)“卓越計劃”試點班的單片機相關(guān)課程的具體特點和存在的問題，從教學大綱的修訂、課程內(nèi)容的調(diào)整，實踐環(huán)節(jié)和考核方式的改革等方面進行了大膽的嘗試，使課堂教學、實踐教學、課外競賽等環(huán)環(huán)相扣、相輔相成，實踐結(jié)果初見成效。

卓越計劃；單片機；教學改革

2010年，教育部提出了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃(以下簡稱卓越計劃)。該計劃的主要目標是：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、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才[1]。華北電力大學作為首批卓越計劃實施高校之一，在自動化專業(yè)成立了卓越計劃試點班?；趯W校電力行業(yè)特色和創(chuàng)辦研究型大學的定位，以及授課教師在工程技術(shù)方面的豐厚經(jīng)驗，對該試點班進行了單片機與嵌入式系統(tǒng)課程的教學改革，目標是著重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和工程實踐兩大能力。本教學改革針對該課程的具體特點和存在的實際問題，對“單片機與嵌入式系統(tǒng)”從理論教學、實踐教學和評價體系等各方面進行了大膽的探索和實踐。

1 課程特點和存在的問題

“單片機與嵌入式系統(tǒng)”課程是我校自動化專業(yè)的專業(yè)必修課，特點是技術(shù)更新快、實踐性強、綜合性強[2-3]。單片機誕生至今已經(jīng)有幾十年的歷史，其性能不斷提高，相應(yīng)的教學內(nèi)容也要求及時更新。該課程屬于工程技術(shù)類課程，側(cè)重于具體技術(shù)在工程中的應(yīng)用，理論并不難懂，而對學生實踐動手能力要求較高。單片機以“C語言程序設(shè)計”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“微機原理及應(yīng)用”等為先修課程并且與它們聯(lián)系緊密，綜合性強，學生入門較難。

該課程傳統(tǒng)的教學方式主要以“傳授—接受”式教學為主，即以教師講授為主，學生課堂聽講為輔，課下配以一定學時的實驗，這樣的教學方式使學生處在被動狀態(tài)，無法主動參與整個教學活動，難以激發(fā)學生的學習興趣[4]。我校自動化課程學時安排為課堂教學24學時，實驗8學時，共計32學時，學時短、實驗少。課堂教學一般是以51系列單片機為例，先介紹硬件結(jié)構(gòu)，接著是匯編指令和軟件編程，然后是單片機系統(tǒng)的擴展和定時器、中斷、I/O接口，最后是應(yīng)用實例，部分教學內(nèi)容陳舊；實驗設(shè)置主要以基礎(chǔ)驗證性實驗為主，和工程實際尤其是與自動化工程領(lǐng)域脫節(jié)。課程考核方式以期末試卷考試為主，容易造成學生的被動記憶，難以調(diào)動學生學習的積極性。

“卓越計劃”強調(diào)培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力，顯然，我校單片機及相關(guān)課程目前的教學模式達不到“卓越計劃”培養(yǎng)目標。針對以上存在的問題，本文對自動化專業(yè)“卓越計劃”試點班的單片機及相關(guān)課程進行了一系列的改革探索。

2 理論教學改革

2.1 修訂相關(guān)課程教學進程

在大部分理工類高校的自動化專業(yè)培養(yǎng)方案中，單片機與嵌入式系統(tǒng)為微機原理及應(yīng)用的后繼課程。由于學時所限，這兩門課程一般分別安排在第5學期和第6學期。這樣的課程結(jié)構(gòu)存在以下弊端：

1) 由于都屬于微型計算機類的課程，兩門課程在基本原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及指令系統(tǒng)等內(nèi)容上有一定程度的重復。

2) 作為非計算機專業(yè)，學習微機原理及應(yīng)用的目的之一是為單片機與嵌入式系統(tǒng)的學習打下基礎(chǔ)，但兩門課程安排在不同的學期使得本應(yīng)順理成章的內(nèi)容“有縫銜接”，學生在單片機與嵌入式系統(tǒng)的學習上不能“趁熱打鐵”。

3) 第5學期的微機原理及應(yīng)用以8086CPU為主的教學內(nèi)容已顯陳舊且實驗主要以驗證性為主，而與工程實際聯(lián)系更為緊密的單片機與嵌入式系統(tǒng)安排在第6學期，學時短、實驗少。

4) 第6學期專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課扎堆，學生應(yīng)接不暇，部分學生還要忙于考研，難有精力和時間參加科技競賽和創(chuàng)新實踐項目，而這些項目有利于創(chuàng)新思維和工程實踐能力培養(yǎng)，且大部分課題基于單片機和嵌入式系統(tǒng)，使學生感覺課程雖然學完，但“學無所用”。

因此，對卓越班的單片機及相關(guān)課程作了調(diào)整：將原來的微機原理及應(yīng)用和單片機及嵌入式系統(tǒng)兩門課程整合成一門課程，課程改為“微計算機原理與嵌入式系統(tǒng)”，安排在第4學期，共72學時。學生先修課程C語言程序設(shè)計在第2學期完成，而模擬電路和數(shù)字電路在第3學期完成，課程銜接合理。二年級的學生相對于三年級來說課業(yè)量少，可以有更多精力和時間參與到科技競賽和創(chuàng)新實踐項目中來，實現(xiàn)教學和實踐相互促進。

2.2 調(diào)整課程內(nèi)容

1) 將微機原理和單片機及嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容整合。抓住原理共通點，強調(diào)應(yīng)用不同點。

將80×86系列CPU和51系列單片機以及ARM系列嵌入式芯片的相關(guān)概念、結(jié)構(gòu)、原理統(tǒng)一編排，抓住其作為微處理器共性的部分，再強調(diào)在具體使用中不同的地方，在各個章節(jié)中的原理及應(yīng)用都要對80×86、51單片機及ARM系列嵌入式芯片進行比較說明。

2) 匯編語言點到為止，編程工具首選C語言。

由于現(xiàn)代單片機處理速度的提高、存儲空間的增加，開發(fā)環(huán)境編譯器性能的提升，匯編語言在單片機的開發(fā)中已經(jīng)不再占有主導地位，而C語言由于在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性和可維護性上有明顯的優(yōu)勢，已成為大部分工程師在單片機及嵌入式應(yīng)用開發(fā)中的主要選擇。因此，在教學中只要求學生了解匯編語言的優(yōu)缺點以及匯編與C語言的混合編程方法，對匯編程序通過簡單編程實例了解其應(yīng)用過程即可。授課重點放在介紹嵌入式C語言與基于PC機的C語言的異同點上，這樣學生上手快，易入門。

3) 結(jié)合工程實際與時俱進，摒棄陳舊過時的內(nèi)容。

部分教學內(nèi)容比如存儲器和接口的擴展等，是由于早期微型計算機和單片機的性能限制才存在的，隨著現(xiàn)代單片機及嵌入式芯片性能的不斷提高，有些方法早已摒棄不用，芯片類型也已更新?lián)Q代，隨之而來又有新的需要考慮的問題。因此，對一些已經(jīng)不具有實用價值的芯片，在課堂上不再做介紹，而是把目前最常用的芯片型號及設(shè)計方法等相關(guān)內(nèi)容更新到課堂。

4) 增加Altium designer等工程中常用的電路設(shè)計與仿真軟件等教學內(nèi)容。

工程實際中的單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)離不開Altium designer、Proteus等電路設(shè)計及PCB板制作軟件，通過電路圖的繪制、印刷電路板的布置可以讓學生熟悉一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)硬件開發(fā)過程，使教學內(nèi)容更加工程化、實用化。

總之，課程內(nèi)容的調(diào)整能夠拓寬學生的知識面，真正實現(xiàn)知識性、實用性、新穎性、靈活性的有效統(tǒng)一。

2.3 改革課程教學方式

現(xiàn)代教學較為推崇“研究型”教學，在教學環(huán)節(jié)中增加更多的互動環(huán)節(jié)，積極引導學生對所學內(nèi)容進行深入挖掘，強調(diào)學生的自主學習能力，培養(yǎng)學生的科學探索能力[4]。卓越班課堂容量小，并有學校的軟硬件資源支持，更有利于開展研究型教學。本文采取“傳授—接受”式教學和研究型教學相結(jié)合的方式，將教學目標分解，以階段性目標為導向，讓學生成為課堂教學的主角。

1) 對課程內(nèi)容的學習從問題開始，讓學生在分析問題、解決問題的過程當中加深對理論知識的掌握。帶著問題去學習，更有利于激發(fā)學生的學習興趣。教學目標中的基礎(chǔ)知識點在提出問題后，可以直接在課堂討論中解決；而難以理解的重點難點可以設(shè)計為課堂作業(yè)(實驗)的形式，通過課下的自主學習結(jié)合課上討論來掌握，讓學生在尋找某個結(jié)果的過程中，學會搜集資料、思考請教，提高學習積極性、鍛煉實踐動手能力。

2) 分析問題的過程中指導學生學會用編程工具和仿真軟件進行驗證，并充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。通過瀏覽國內(nèi)外單片機著名網(wǎng)站和論壇，從更多的渠道獲得開發(fā)經(jīng)驗與技巧，拓寬知識面，解決問題往往可以事半功倍。利用電子郵件、學校網(wǎng)絡(luò)教學平臺和QQ群，在課下也可以對學生進行及時指導。

3) 結(jié)合多種競賽，培養(yǎng)學習興趣，促進學習自主性。在教學過程中，引導并鼓勵學生發(fā)揮自己的創(chuàng)新性思維，結(jié)合所學知識積極參加智能車競賽、挑戰(zhàn)杯競賽，電子設(shè)計大賽、創(chuàng)新實踐項目等相關(guān)科技競賽，通過競賽達到學有所用、學有所獲。這些競賽的操作過程類似于工程項目的開發(fā)過程：系統(tǒng)分析—總體設(shè)計—硬件設(shè)計—軟件設(shè)計—仿真調(diào)試—硬件調(diào)試—程序固化—成品測試，當學生帶著任務(wù)去學習時，單片機的理論知識成為解決問題的必要條件，從而激發(fā)學生學習的主動性。

3 實踐教學改革

對于實踐性特別強的課程，只有理論知識不進行動手實踐只能是紙上談兵。而動手實踐是工程師的基本能力，一方面要求學生能夠?qū)⒄n堂所學知識轉(zhuǎn)換為實踐動手能力；另一方面還要讓學生具有初步的工程開發(fā)意識和能力[2]。學校為卓越班提供了優(yōu)越的實驗條件：專門配備了獨立的開放型實驗室，兩人一臺高配置計算機，配備電源、示波器、萬用表、改錐、鑷子、電烙鐵、焊錫、面包板、杜邦線、萬用板等實驗工具與耗材，并有一定的實驗經(jīng)費支持，這些為實踐教學的改革創(chuàng)造了條件。

3.1 實驗過程改革

為充分發(fā)揮學生學習的自主性，對各實踐環(huán)節(jié)的安排，教師只提出實驗內(nèi)容和基本要求，由學生分組(每組兩人)自行設(shè)計實驗內(nèi)容，完成元器件選擇、電路設(shè)計、仿真、PCB板(或面包板、實驗板)制作。

學生在實驗前要做充分的準備工作，1學時實驗課需要學生有3～4學時甚至更長時間的課外準備。實驗前學生提出所用的實驗材料、擬達到的實驗?zāi)康摹嶒灢襟E等，教師認可其方案后由實驗室統(tǒng)一提供實驗材料(部分材料可以由學生自行采購或申請樣品)。

實驗過程中，教師主要負責實驗的安全性和可行性檢查，看其是否滿足實驗要求，實驗是否合理，是否有新穎點或不足之處，即時要求學生改進不足之處。

實驗完成后學生寫出實驗總結(jié)，教師根據(jù)實驗過程和總結(jié)給出實驗成績。

3.2 實驗內(nèi)容改革

增加實驗學時的比例，注重實驗設(shè)計的工程化。為了讓學生易上手、肯鉆研，由入門到精通，一開始給出基本系統(tǒng)板，再逐步引導學生自行設(shè)計電路和參數(shù)，選擇器件、焊接電路和調(diào)試。實驗也由簡到難設(shè)計為入門練手級實驗、基礎(chǔ)驗證性實驗、綜合設(shè)計性實驗以及研究性的課程設(shè)計。

1)入門練手級實驗

這類實驗旨在讓學生鞏固先修的模擬電路和數(shù)字電路知識，并掌握相關(guān)開發(fā)軟件和仿真軟件的使用。例如：首次實驗要求利用模擬電路中學過的知識設(shè)計方波發(fā)生器并焊接電路，單電源和雙電源可切換工作且方波占空比可調(diào)。通過該實驗，讓學生掌握電路設(shè)計軟件的使用、常用電子元件的選型和基本的電子工藝焊接技能，為后繼的復雜電路設(shè)計和制作打好基礎(chǔ)。

2)基礎(chǔ)驗證性實驗

實驗為學生入門后熟悉單片機的使用而設(shè)置。實驗室提供給每位學生一套基于STC89C52單片機的最小系統(tǒng)開發(fā)板，對接口部分的驗證性實驗都可以在其上進行。例如：按鍵控制流水燈，LED燈定時閃爍，按鍵控制數(shù)碼管增一減一、定時中斷數(shù)碼管增一、簡單的串口收發(fā)實驗。通過實驗，讓學生較快地熟悉單片機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程。

3)綜合設(shè)計性實驗

這類實驗有助于鍛煉學生的工程思維和創(chuàng)新思維。如定時器產(chǎn)生調(diào)制脈沖控制LED燈的漸亮漸滅、檢測紅外光且增強抗干擾能力、編程仿真實現(xiàn)對一階對象的PID控制、對實際對象電加熱爐爐溫進行閉環(huán)控制并串口通信至上位機、編程實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中的多任務(wù)模式等。這些實驗不僅對單片機及嵌入式知識縱向綜合，更注重知識結(jié)構(gòu)橫向綜合，特別是與同學期的工程控制理論課程內(nèi)容結(jié)合，讓學生更加明晰自動化專業(yè)的知識架構(gòu)，對學有所用體會深刻。

4)同步進行研究性課程設(shè)計

以往的課程設(shè)計環(huán)節(jié)通常安排在課程全部學完之后，而卓越班的課程設(shè)計指定為智能汽車的設(shè)計，從汽車選型拆解、元器件選型、檢測電路和控制電路及驅(qū)動電路設(shè)計、電路板制作和軟件設(shè)計與調(diào)試都由每位學生獨立完成，基本要求是智能汽車能夠自動循跡。研究型課程設(shè)計貫穿于整個學期，并進行了目標分解，各子目標包含在基礎(chǔ)實驗和綜合實驗的環(huán)節(jié)當中。該實踐環(huán)節(jié)是對單片機相關(guān)知識的靈活應(yīng)用，有利于學生工程能力和創(chuàng)新能力的全面提升。

4 評價體系改革

其中，自選設(shè)計大作業(yè)于開課兩周內(nèi)由學生自由分組(最多兩人)，通過廣泛查找資料，根據(jù)自己感興趣的方向選題，設(shè)計基于單片機的小型應(yīng)用系統(tǒng)，完成軟硬件設(shè)計并調(diào)試通過。學生的自選題目非常豐富，例如：紅外防盜窗設(shè)計、超聲波測距、手持式紅外測溫儀、基于藍牙通訊的手機遙控智能車、無線對講機等等。這些題目既結(jié)合了課程內(nèi)容，又注重了實用性，可加入學生自己的思考和創(chuàng)意，對學生創(chuàng)新能力和工程能力的培養(yǎng)大有裨益。

設(shè)計初步完成后在課堂上用PPT進行演示，教師和其他學生可以給出更好的建議。學生利用課余時間在實驗室完成軟硬件設(shè)計，教師進行階段性檢查，并給予必要的指導。最終作品完成后在實驗室進行公開演示。

自選設(shè)計大作業(yè)的評定采用“自評+互評+他評”的方式，即學生的自我評價、對他人作品的評價和教師的評價，這樣的評價方式綜合了主觀和客觀因素，能給學生相對更為公平的成績。

這樣的考查方式不僅激發(fā)了學生的學習興趣、提高了自主學習能力、拓寬了知識結(jié)構(gòu)，而且與課堂教學、實踐環(huán)節(jié)相輔相成，讓學生真正成了教學過程中的主角。

5 結(jié)束語

本文對自動化專業(yè)卓越班的單片機課程的教學改革可以說是大膽的嘗試，雖然是首次嘗試，但從教學大綱的制定，到課程內(nèi)容的調(diào)整，實踐環(huán)節(jié)和考核方式的改革，都經(jīng)過全面的思考和精心的設(shè)計，使課堂教學、實踐教學、課外競賽等環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、相輔相成。經(jīng)首次改革實踐，卓越班的學生普遍反映收獲頗豐，有強烈的成就感，不僅對單片機產(chǎn)生了濃厚的興趣，正有對自動化專業(yè)有了更深刻的認識，在大量實驗的反復調(diào)試過程中豐富了經(jīng)驗、鍛煉了動手能力、增強了團隊合作意識。已有多名學生申請到了校級、省級、國家級的創(chuàng)新訓練項目，部分學生經(jīng)過學校選拔參加全國智能汽車大賽、全國電子設(shè)計大賽、機器人大賽等科技競賽。圍繞提高工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標，教學改革初見成效，也得到了相關(guān)教師和學生的認可。好的開始是成功的一半，仍需要不斷探索，進一步推進卓越班單片機課程的建設(shè)，為卓越工程師的培養(yǎng)提供可借鑒的經(jīng)驗。

[1]林?。白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計劃”通用標準研制[J]．高等工程教育研究，2010(4)：21-29．

[2]崔勇，袁海文，王秋生，等．卓越工程師培養(yǎng)目標下的單片機教學改革探討[J]．中國電力教育，2013(5)：80-85．

[3]曲貴波，喬爽，吳東艷，等．基于“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的單片機課程實踐教學的研究與探討[J]．黑龍江教育學院學報，2013(2)：55-56．

[4]孫萊祥，張曉鵬．研究型大學的課程改革與教育創(chuàng)新[M]．北京：高等教育出版社，2005．

[5]趙月靜，陳繼榮，張永弟．單片機原理及應(yīng)用課程創(chuàng)新實踐教學改革[J]．實驗技術(shù)與管理，2013，30(1)：176-179．

[6]王秀梅．以學生為本 構(gòu)建全方位開放的實踐教學體系[J]．實驗技術(shù)與管理，2013,30(2)：1-4．

[7]趙曉聞，劉寧．基于工程思維視角的我國“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[J]．現(xiàn)代教育管理，2013(2)：69-70．

Teaching Reform Exploration and Practices of Single Chip Microcomputer Related Course in Outstanding Engineers Class

ZHANG Yan, LIN Yongjun, CHENG Haiyan

(Department of Automation，North China Electric Power University，Baoding 071000，China)

The main purpose of “Plan for Educating and Training Outstanding Engineers” is to cultivate outstanding engineers with engineering innovative and practice ability. According to the characteristics and problems existing in single chip microcomputer related course，the theory teaching, practice teaching and evaluation method are reformed. Practice shows that the reform has achieved initial effect.

outstanding engineers；single chip microcomputer；teaching reform

2015-01-09；修改日期:2015-01-30

張 妍(1980-)，女，碩士，講師，主要從事單片機與嵌入式系統(tǒng)、微機原理及應(yīng)用方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.059