面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《單片機(jī)原理》教學(xué)改革探索

陳 朋 楊東勇

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州310023)

1 課程改革背景

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品、智能手持設(shè)備和測(cè)控裝置等在日常生活中隨處可見。近年來，社會(huì)對(duì)從事單片機(jī)開發(fā)人才的需求也日趨增加。如當(dāng)下流行的可穿戴設(shè)備（智能手環(huán)，智能手表等產(chǎn)品）通過藍(lán)牙4.0等方式與手機(jī)交互信息；工業(yè)應(yīng)用的一些手持設(shè)備通過Wi-Fi或ZigBee等方式與其他設(shè)備交互信息，為降低開發(fā)成本，現(xiàn)在很多生產(chǎn)商已經(jīng)推出了內(nèi)嵌協(xié)議棧的芯片，如CC254X，CC31XX等系列。各大芯片生產(chǎn)商還推出了Cortex-M3、Cortex-M4架構(gòu)的資源豐富又相對(duì)廉價(jià)的單片機(jī)芯片。單片機(jī)的不斷推陳出新，也促使著單片機(jī)原理課程教學(xué)內(nèi)容需要跟住潮流。

2 課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

由于單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，《單片機(jī)原理》作為國(guó)內(nèi)外眾多高校的一門重點(diǎn)專業(yè)課程。該課程需要理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，通常放在較高年級(jí)，等學(xué)生有一定軟件硬件功底之后再教學(xué)。然而，傳統(tǒng)教學(xué)方式學(xué)生往往只停留在課本上，教學(xué)的主要以51單片機(jī)居多，逐塊介紹單片機(jī)功能，使用匯編指令對(duì)寄存器操作，再結(jié)合一些驗(yàn)證性試驗(yàn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)。這里存在的問題是教學(xué)內(nèi)容不能及時(shí)更新，與主流公司相關(guān)芯片技術(shù)脫機(jī)比較嚴(yán)重，而且實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)手段比較陳舊，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與一些新的技術(shù)關(guān)系不密切。另外，在學(xué)習(xí)單片機(jī)原理課程前，大多數(shù)高校自動(dòng)化、電子信息類等專業(yè)會(huì)安排C語言，微機(jī)原理等先行課程，單片機(jī)之后會(huì)安排嵌入式原理，DSP原理與應(yīng)用等課程。以匯編語言為主的單片機(jī)教學(xué)，呈現(xiàn)和先行課程存在部分內(nèi)容重復(fù)，和后續(xù)課程則脫節(jié)較大的問題。此外，不少高校的單片機(jī)課程都是以教師為主，學(xué)生被動(dòng)接收，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，甚至導(dǎo)致一些有興趣的學(xué)生還會(huì)因?yàn)檫@種枯燥的學(xué)習(xí)方式而產(chǎn)生逆反心理，失去興趣或信心[1]。單片機(jī)這類要求學(xué)生有較高動(dòng)手能力的課程，采用傳統(tǒng)的期終筆試來確定成績(jī)的方式也存在弊端，無法衡量學(xué)生的實(shí)際水平。

針對(duì)上述問題，筆者結(jié)合多年單片機(jī)教學(xué)和嵌入式項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，積極探索單片機(jī)原理教學(xué)方法改革，使用Cortex-M4內(nèi)核的TM4C1294系列芯片作為授課載體，從匯編語言過渡到C語言，從寄存器操作過渡到調(diào)用庫(kù)函數(shù)，并編寫教案與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，研發(fā)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過豐富實(shí)例調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通過緊密結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的或各類課外科技競(jìng)賽的簡(jiǎn)化開放性實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用，在資源豐富的多功能開發(fā)板上培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新意識(shí)。

3 單片機(jī)原理教學(xué)改革思路

面對(duì)新的授課載體，教師采用新的教學(xué)思路，借鑒國(guó)際上先進(jìn)的CDIO模式——構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)[2]，以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)踐主動(dòng)地獲取知識(shí)，將獲取的新知識(shí)與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，讓學(xué)生在具體的問題情景中積極思考、主動(dòng)探索，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的綜合能力，提高教與學(xué)的效果[3]。我們采用了以下四個(gè)方面進(jìn)行單片機(jī)原理教學(xué)：

3.1 精選教學(xué)內(nèi)容，緊跟社會(huì)需求

作為一門理論緊密聯(lián)系實(shí)際的專業(yè)課程，教學(xué)的內(nèi)容也需要及時(shí)更新，跟上社會(huì)需求，當(dāng)學(xué)生看到所學(xué)知識(shí)在社會(huì)中確實(shí)有廣泛應(yīng)用時(shí)，學(xué)習(xí)熱情自然被激發(fā)。

在講授單片機(jī)片外設(shè)備接口 （External Peripheral Interface，EPI）時(shí)，我們結(jié)合了多媒體設(shè)備的TFT彩屏顯示案例，學(xué)生面對(duì)的不再是傳統(tǒng)的寄存器配置以及復(fù)雜的TFT初始化，而是能在TFT上通過程序繪制各種圖形，甚至是動(dòng)態(tài)正弦波，大大吸引了學(xué)生興趣。隨后講授同步串行接口SSI時(shí)，我們又在TFT顯示的基礎(chǔ)上增加了觸摸功能。學(xué)生通過簡(jiǎn)單的初步調(diào)試，就能將TFT液晶屏，變成一塊手繪板，學(xué)習(xí)興趣自然大大提升。這種學(xué)有所得的感受，讓傳統(tǒng)枯燥的學(xué)習(xí)變成了“玩”單片機(jī)，提高了學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。

3.2 結(jié)合前期課程，強(qiáng)化課程關(guān)聯(lián)

在前期的課程中，大多數(shù)學(xué)生都已經(jīng)學(xué)習(xí)過C語言、微機(jī)原理、模擬電路、數(shù)字電路等課程，也有相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)或是在PC機(jī)上模擬，或是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)綜合性試驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固先前所學(xué)，在我們的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，搭載了TFT觸摸屏、SD卡、AD、DA、數(shù)碼管、LED燈、矩陣鍵盤、加速度計(jì)和紅外接收器等豐富的片外資源，以及通用的外設(shè)接口。學(xué)生可以重現(xiàn)先前課程所學(xué)，如C和匯編混合編程，EEPROM，F(xiàn)LASH的操作和數(shù)碼管的顯示等實(shí)驗(yàn)，是對(duì)前期課程的綜合應(yīng)用與鞏固。

3.3 配合課外科技，開放設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

各類課外科技競(jìng)賽是培養(yǎng)和考驗(yàn)學(xué)生綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的良好平臺(tái)，著重考核學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)的能力、創(chuàng)新意識(shí)、獨(dú)立工作能力和實(shí)驗(yàn)綜合技能[4]。筆者所在信息學(xué)院近年來學(xué)生參與常見課外科技競(jìng)賽如 “全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，“挑戰(zhàn)杯”，“飛思卡爾智能汽車比賽”，以及各大企業(yè)組織的一些競(jìng)賽，幾乎都要用到單片機(jī)。這些競(jìng)賽傳統(tǒng)的51單片機(jī)無論從資源還是從速度上，都已經(jīng)跟不上。而TM4C1294系類單片機(jī)則以豐富的資源和較快的處理速度能滿足學(xué)生在課外科技競(jìng)賽中的需求，不受資源限制。筆者也引入了開放綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生結(jié)合競(jìng)賽要求，發(fā)揮自己想象。最后提交作品中，有學(xué)生做出了重力感應(yīng)游戲，射擊游戲和簡(jiǎn)易多媒體播放器等優(yōu)秀成果。開放實(shí)驗(yàn)作為課程考核的依據(jù)之一，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，主動(dòng)和同學(xué)、老師交流方案，最終獨(dú)立完成設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神，達(dá)到教學(xué)目的。

3.4 結(jié)合科研項(xiàng)目，豐富實(shí)踐環(huán)節(jié)

對(duì)于學(xué)習(xí)興趣濃厚，且有一定成果的學(xué)生，吸引到科研課題和開發(fā)項(xiàng)目中來，分配相關(guān)任務(wù)，讓學(xué)生進(jìn)一步提升鞏固單片機(jī)知識(shí)，在真實(shí)的項(xiàng)目中，學(xué)生會(huì)更深入去考慮單片機(jī)原理，不斷思考創(chuàng)新，優(yōu)化已有成果。也可從具體項(xiàng)目中，提煉出一些畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，供本科生選題，有利于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力與自主研究意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，為社會(huì)輸送創(chuàng)新型人才。

4 成果與總結(jié)

筆者經(jīng)過在學(xué)院內(nèi)一學(xué)期的試點(diǎn)教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)單片機(jī)新技術(shù)學(xué)習(xí)興趣濃厚，多名學(xué)生主動(dòng)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，借用開發(fā)平臺(tái)在課后自主實(shí)驗(yàn)。課程改革在課外科技競(jìng)賽方面也取得了很好的成果，2014年的浙江省電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽我院學(xué)生獲A類題一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)（其中一等獎(jiǎng)?wù)憬」?個(gè)名額），其中一項(xiàng)一等獎(jiǎng)還獲得了TI杯專項(xiàng)獎(jiǎng)。通過單片機(jī)新技術(shù)配合全新研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，豐富的例程與生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生為中心的教育方式，能極大提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高動(dòng)手能力，也培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神，保證了教學(xué)質(zhì)量，并達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

［1］尤曉萍,林育茲.基于創(chuàng)新實(shí)踐的單片機(jī)教學(xué)方法探索[J].教育教學(xué)論壇,2015(1)：238-239.

［2］喬莉,劉寅生.基于 CDIO的單片機(jī)課程教學(xué)改革方法探索[J].黑龍江科技信息,2012(33)：196-196.

［3］渠麗巖.讓學(xué)生在快樂中學(xué)習(xí)：談案例教學(xué)法在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育,2009(18)：93-95.

［4］劉輝,王新輝,張文希.從電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽看單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào),2006,20(5)：98-100.