面向工程能力培養(yǎng)的單片機(jī)課程教學(xué)與實(shí)踐方法

神顯豪+梁貴芹

摘要：當(dāng)前大多數(shù)高校的單片機(jī)課程的教學(xué)模式主要還是以課堂授課和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，與企業(yè)的實(shí)際工程應(yīng)用存在部分脫節(jié)的弊端，因此本文以提升學(xué)生工程能力為目的，分別在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課后指導(dǎo)等環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的教學(xué)和實(shí)踐措施來強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力的單片機(jī)教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；教學(xué)；工程能力

1 目前單片機(jī)教學(xué)在工程能力培養(yǎng)上存在的問題

隨著單片機(jī)在社會中的應(yīng)用越來越廣，企業(yè)對單片機(jī)領(lǐng)域的人才有較大的需求[1]。但在高校人才培養(yǎng)計(jì)劃中，與單片機(jī)人才培養(yǎng)密切相關(guān)的是單片機(jī)原理及應(yīng)用等相關(guān)課程，也逐步在探討與開展“理論教學(xué)+實(shí)踐教學(xué)”的單片機(jī)教學(xué)模式，并已有多個高校為單片機(jī)專門安排了專門的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時，該教學(xué)方法從一定程度上改善了學(xué)生的動手能力，但實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用相對脫節(jié)，學(xué)生并未掌握單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[2]，同時在教學(xué)過程中缺乏對學(xué)生工程概念的培養(yǎng)以及企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)流程的指導(dǎo)，培養(yǎng)出來的學(xué)生缺少綜合開發(fā)能力，與企業(yè)所需要的具有工程能力人才具有很大差距。因此，故本文探討了一種基于工程能力培養(yǎng)的單片機(jī)教學(xué)方法，即在教學(xué)過程中有步驟有計(jì)劃地引入企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)的基本流程，并指導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)流程來開展項(xiàng)目開發(fā)工作，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念以及工程能力，與企業(yè)的用人需求相一致。

2 單片機(jī)教學(xué)中工程能力的具體體現(xiàn)

工科學(xué)生的工程能力包括知識的學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力，思維判斷與分析能力，工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力，表達(dá)與交流能力以及創(chuàng)造與創(chuàng)新能力[3]。對于單片機(jī)課程而言，注重培養(yǎng)的工程能力主要體現(xiàn)在：一是對單片機(jī)理論知識的學(xué)習(xí)及將其應(yīng)用到單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中的能力；二是可根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)需求說明書，結(jié)合單片機(jī)理論知識，設(shè)計(jì)出符合工程需求的單片機(jī)系統(tǒng)的能力；三是在前期積累基礎(chǔ)上的升華，對專業(yè)知識的融匯貫通，并可在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，具有優(yōu)化系統(tǒng)的能力—創(chuàng)新能力。

3 單片機(jī)教學(xué)中培養(yǎng)工程能力的具體措施

我校電子信息專業(yè)在第五學(xué)期開設(shè)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程，該課程特點(diǎn)是硬件與軟件并重，理論與應(yīng)用相結(jié)合，同時還涉及多個學(xué)科，信息量大且課時少[4]。根據(jù)單片機(jī)課程的特點(diǎn)，結(jié)合我校電子信息專業(yè)學(xué)生從前期已學(xué)習(xí)課程而具有的知識儲備（前期學(xué)習(xí)儲備課程詳見表1），以及單片機(jī)的教學(xué)與實(shí)踐，同時從課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)以及課后指導(dǎo)環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的措施來培養(yǎng)學(xué)生工程能力。

（1）理論教學(xué)環(huán)節(jié)工程能力的培養(yǎng)

通過改變教學(xué)策略—將傳統(tǒng)的以教為主的理論教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榻?學(xué)-做一體的教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生知識的學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力，提升實(shí)際工程問題的分析與解決能力。

在教學(xué)過程中，除了教師對理論知識的講解，并引入相關(guān)案例，使學(xué)生加深對知識的理解外，還引導(dǎo)學(xué)生如何自己著手來設(shè)計(jì)具有一定功能的單片機(jī)系統(tǒng)。促使學(xué)生有效融入本課程的學(xué)習(xí)，提升動手能力以及創(chuàng)新能力。具體實(shí)施步驟如下：

首先，在課堂教學(xué)初始階段，可結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)在我們實(shí)際生活中的一些應(yīng)用實(shí)例，同時通過講解應(yīng)用實(shí)例中的單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)步驟，并引入企業(yè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的流程（詳見圖1）。使學(xué)生對本課程有一個較為全面的認(rèn)識，了解本課程的學(xué)習(xí)方向以及今后的就業(yè)方向，減少職業(yè)陌生感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。比如在講到單片機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)，引腳以及單片機(jī)硬件系統(tǒng)時，除了結(jié)合單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行深入分析之外，鼓勵學(xué)生在課后就自己自主搜集感興趣并已應(yīng)用在實(shí)際中的單片機(jī)系統(tǒng)的資料，了解該產(chǎn)品的需求說明書，以及企業(yè)如何根據(jù)需求對該產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，使學(xué)生對單片機(jī)系統(tǒng)的具體應(yīng)用與設(shè)計(jì)過程有較為深入的了解，也對從事單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一方面的工作有直觀的了解。另外，還鼓勵學(xué)生將之前在《電子系統(tǒng)仿真技術(shù)》中關(guān)于protues軟件平臺的使用知識，以及在《電子電路工程實(shí)踐》中學(xué)習(xí)的如何制作與調(diào)試PCB板的知識，與在本門課程中學(xué)習(xí)的單片機(jī)系統(tǒng)知識進(jìn)行融會貫通，積極動手設(shè)計(jì)單片機(jī)硬件系統(tǒng)，并在protues上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的仿真，增強(qiáng)對單片機(jī)系統(tǒng)硬件的理解，特別是整個硬件系統(tǒng)的工作機(jī)制和如何根據(jù)所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)的需求，來設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)硬件性能的單片機(jī)系統(tǒng)。

其次，在課堂教學(xué)時，除了遵循教學(xué)大綱教學(xué)要求外，將企業(yè)單片機(jī)項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)際使用的技術(shù)，與本課程所學(xué)知識進(jìn)行對比討論，并在對在企業(yè)工作所需的，但在教學(xué)大綱中未涉及或涉及較少的知識，進(jìn)行有效補(bǔ)充。比如在講到指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計(jì)時，可補(bǔ)充如何使用keil軟件來開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的軟件，以及如何在keil中驗(yàn)證自己所寫的代碼是否正確，并可通過單片機(jī)內(nèi)部寄存器和單步執(zhí)行來查看一下執(zhí)行一些指令過程中，寄存器內(nèi)部信息的變化，使學(xué)生更為深入了解單片機(jī)指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)的工作過程以及匯編語言的程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程。另外由于匯編語言本身的局限性，目前企業(yè)在開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)時，普遍采用單片機(jī)c語言，為了學(xué)生知識可與企業(yè)需求同步，在教學(xué)中結(jié)合學(xué)生前期所學(xué)的《c語言程序設(shè)計(jì)》課程，指導(dǎo)學(xué)生如何將c語言與單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生采用單片機(jī)c語言來開展單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，并在實(shí)踐課上進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)知識的融會貫通。

（2）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)工程能力的培養(yǎng)

目前我校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時僅為為12學(xué)時，在后續(xù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，考慮到各個學(xué)生對課程知識的掌握程度不同，在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)采取驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與自主設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式來開展實(shí)踐課—實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)兩個部分來構(gòu)成，加強(qiáng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有完整的實(shí)驗(yàn)程序源代碼，相對于之前的學(xué)生只需單純地對實(shí)驗(yàn)代碼進(jìn)行運(yùn)行，觀察實(shí)驗(yàn)箱對應(yīng)的硬件之外，學(xué)生還需要根據(jù)教師的要求，對代碼進(jìn)行相應(yīng)的修改，并能清晰說明整個代碼的運(yùn)行流程以及修改依據(jù)，有效鍛煉學(xué)生分析代碼的能力以及表達(dá)能力。

自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)仍然是在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，但教師在上相應(yīng)的實(shí)踐課之前，需要對該次課所用的源碼進(jìn)行有效梳理，刪減掉一些功能性代碼，同時對需要學(xué)生自行增加的代碼，提供必要的注釋，提前提供給學(xué)生，使學(xué)生能有較為充裕的時間來復(fù)習(xí)理論知識，并可充分思考如何解決實(shí)踐課的問題。這樣，學(xué)生不僅能更深領(lǐng)會該實(shí)踐課要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，并能在通讀已經(jīng)提供的代碼和結(jié)合系統(tǒng)功能，對缺少的代碼補(bǔ)充完整?？捎行у憻拰W(xué)生讀寫程序的能力，還有解決問題的能力。而且在上實(shí)踐課時，學(xué)生是有備而來，可以盡快地投入到實(shí)驗(yàn)中，如果有深思已久，卻仍然無法解決的問題，可與老師一起探討如何解決問題，直到問題解決，增加學(xué)生成就感的同時，還可以提高學(xué)生分析與解決問題的能力，促進(jìn)師生的溝通與交流，提高學(xué)生的表達(dá)與交流能力。

（3）課后指導(dǎo)環(huán)節(jié)中工程能力的培養(yǎng)

通過加強(qiáng)《單片機(jī)原理與應(yīng)用課程》與電子信息專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合，可有效彌補(bǔ)單片機(jī)課程本身信息量大但課時偏少的問題。本專業(yè)第2學(xué)期開始，陸續(xù)開設(shè)了認(rèn)識實(shí)習(xí)（第二學(xué)期）、電子電路工程實(shí)踐（第三學(xué)期），對后續(xù)的單片機(jī)學(xué)習(xí)提供了相關(guān)的知識儲備，并與單片機(jī)課程開設(shè)的同一學(xué)期，開設(shè)了智能電子儀器設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)踐，學(xué)生可參考單片機(jī)課堂上學(xué)習(xí)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程來開展實(shí)踐環(huán)節(jié)的智能電子儀器設(shè)備的需求分析與軟硬件的設(shè)計(jì)，同時，在該實(shí)踐中對于具體產(chǎn)片的硬件設(shè)計(jì)與制作，數(shù)據(jù)采集過程中的A/D，D/A轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)顯示等部分內(nèi)容，可幫助學(xué)生在單片機(jī)學(xué)習(xí)過程中，對單片機(jī)硬件系統(tǒng)，A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口、顯示接口的理解，并通過該實(shí)踐，學(xué)生可根據(jù)產(chǎn)品的需求，對產(chǎn)品功能以及性能的實(shí)現(xiàn)方式有極大的自由，學(xué)生可根據(jù)自己的想法以及對當(dāng)前產(chǎn)品資料的查閱，然后對需要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行自主創(chuàng)新，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時第五學(xué)期學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程知識以及工程能力，可很好地服務(wù)于第六、第七學(xué)期開設(shè)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與實(shí)踐、先進(jìn)電子制造實(shí)踐與生產(chǎn)實(shí)習(xí)，乃至學(xué)生最終的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

通過在《單片機(jī)原理與應(yīng)用》理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課后指導(dǎo)三個環(huán)節(jié)加強(qiáng)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，學(xué)生不僅可以更好地掌握理論知識，還可以將理論知識有效地運(yùn)用到具體的單片機(jī)系統(tǒng)的分析中，同時在設(shè)計(jì)具體的單片機(jī)系統(tǒng)時，不再忙亂無章，而是有意識地根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的基本流程，來逐步開展系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。學(xué)生的工程觀念以及實(shí)際工程項(xiàng)目開發(fā)能力顯著提高，同時增強(qiáng)學(xué)生對未來就業(yè)的信心，為將來的就業(yè)打下一定基礎(chǔ)。

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