基于“新三中心”的單片機課程教學方案探討

重慶大學城市科技學院電氣信息學院 唐 媛 李菊芳 汪 鑫

近年來，借助于美國成功的教學改革示范，我國越來越多的學者開始關注“新三中心”論，即“以學生發(fā)展為中心、以學生學習為中心、以學習效果為中心”[1]。《單片機原理及應用》是一門具有較強實際應用的綜合性課程，是機電、自動化、電氣和物聯(lián)網等專業(yè)學生學習《嵌入式技術》、《智能化儀器儀表》等專業(yè)課程，開展畢業(yè)設計、參加工作的重要專業(yè)基礎課，在學生專業(yè)技能的培養(yǎng)中尤為重要[2]。然而，該課程內容繁雜、理論知識抽象、枯燥、跨度大，致使大多學生存在不同程度的畏懼心理[3]?；诖?，本文通過理論與實驗一體化教學、課程設計和競賽綜合訓練三個階段的教學改革與配合，聯(lián)系“新三中心”論的教育思想，逐步提高學生的科技創(chuàng)新、探究問題、實際動手以及其他智能方面能力的全面發(fā)展，培養(yǎng)緊跟社會發(fā)展需要的綜合性專業(yè)人才。

1.理論與實驗一體化教學

愛因斯坦曾說“教育不是要記住各種事實，而是要訓練大腦如何思考”。基于單片機課程理論知識和實踐應用并重的特點，我們從根本上摒棄傳統(tǒng)“講授式”教學中將理論課堂與實驗教學嚴格區(qū)分的模式，打破教材和書本中章節(jié)的限制。結合前沿科學技術及其發(fā)展趨勢，以典型的實際應用項目驅動課程教學設計，將理論和實踐教學融合統(tǒng)一。圍繞每一個獨立的項目，按照項目開發(fā)流程，制定相應的教學內容，講解相關基礎理論知識點[4]。項目任務式理論課程安排，如表1所示。

表1 項目任務式理論課程安排

課程利用單片機最小系統(tǒng)、花樣流水燈、十字路口交通燈、LED點陣廣告牌、LCD1602顯示、汽車轉向燈以及電子密碼鎖七個小項目，將單片機的內部結構、工作原理、中斷系統(tǒng)、定時計數(shù)器以及串口通信等枯燥乏味的理論知識與實際生活實例相結合，達到邊學邊做、邊做邊學的效果。教師在完整講授相關理論知識點后，立即指導學生在自己攜帶的筆記本電腦上使用 PROTEUS仿真軟件設計相應的硬件電路原理圖，并使用KEIL C51進行軟件系統(tǒng)的編譯與修改調試。最終，將KEIL C51中生成的Hex文件導入到PROTEUS硬件電路中，觀察實驗的模擬仿真效果。在實驗教學中，利用單片機實驗箱和51系統(tǒng)在線仿真開發(fā)板，可現(xiàn)場動態(tài)直觀地觀察、調試、記錄實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，并對實際結果與理論課堂中的模擬仿真效果進行對比分析。教師在教室里巡回指導，及時幫助學生解決在實際操作中遇到的困難，如程序語法出錯、實物連線混亂、程序無法燒錄等問題。為了杜絕學生之間互相抄襲、不做實驗、不思考的現(xiàn)象，教師在檢查實驗結果的同時，隨機提出一些與實踐操作相關的問題檢驗學生是否認真參與到實驗過程中。

2.課程設計

古人有云“授人以魚，不如授之以漁”，正如“新三中心”論中重視知識獲取的過程一樣。課程設計的實施過程中，不再采用“教師擬題，學生制作”的傳統(tǒng)教學模式。而是由2個學生一組，根據(jù)自己的興趣愛好和課程要求，自主設計實驗題目。老師只起到提示、引導的作用，指導學生查閱有關圖書資料或網絡資源，分析題目的可行性，確定系統(tǒng)總體設計方案。讓學生從被動的接受式教學轉變?yōu)橹鲃拥奶骄渴綄W習，積極參與到教學活動中來，激發(fā)學生的學習興趣和積極性。課程設計的具體開發(fā)流程，如圖1所示。

圖1 課程設計開發(fā)流程圖

通過上述教學改革，歷屆學生結合實際生活提出的典型課程設計題目有：基于單片機的搶答器系統(tǒng)設計、數(shù)字溫度傳感器設計、LED數(shù)字倒計時器設計以及智能交通燈設計等。如圖2所示，為學生自主設計的基于STC89C52搶答器系統(tǒng)的硬件電路仿真圖(a)和實物效果圖(b)。

每年我校都組織學生參加形式不一、規(guī)模不等、層次不同、種類豐富的電子類競賽。如：院級的“Runing Rocket”水火箭比賽、微發(fā)電裝置設計制作比賽、電子產品組裝比賽、電子設計比賽；市級的重慶市大學生“合泰杯”單片機應用設計競賽、“TI”杯重慶市大學生電子設計競賽、中國·重慶職業(yè)技能大賽；國家級的全國大學生電子設計競賽、全國大學生工程訓練綜合能力訓練競賽等等。通過積極鼓勵，引導學生根據(jù)自己的興趣選擇參加相關的競賽，對充分拓展學生自主學習專業(yè)課程、豐富課余生活、激發(fā)學習興趣起到了良好的作用。

圖2 基于STC89C52搶答器的設計

3.競賽綜合訓練

以全國大學生電子設計競賽為例，每個參賽隊伍由3名學生組成，在規(guī)定的時間內獨立完成審題、方案論證、軟硬件設計、加工制作、聯(lián)機調試以及撰寫設計報告等工作[5]。為了使學生適應比賽機制，增強參賽技能，我校在暑假期間采用四天三夜的模式，組織學生進行歷年比賽真題的集中模擬訓練。在訓練中，軟件部分要求學生掌握市場上流行的STM32、MSP430、FPGA、DSP等芯片編程，擴大自己的知識面。硬件部分，要求學生會使用Altium Designer繪制PCB板，并會使用熱轉印法腐蝕加工板子，提高自己的動手操作能力。圖3為學生模擬訓練時，制作的鎖定放大器電路實物圖。

今年我校組織8個隊伍參加2017年全國電子設計大賽，其中有2組獲得全國二等獎，2組獲得重慶市一等獎，3組獲得重慶市二等獎。這樣的成績對于一所獨立院校來說十分不易，可見我們的培養(yǎng)效果顯著。

在準備訓練以及參加各種比賽的過程中，學生從依靠外部力量到獨立發(fā)現(xiàn)并解決問題的改變，使其更容易將所學到的數(shù)模電路、傳感器技術、單片機、FPGA以及嵌入式系統(tǒng)等一系列專業(yè)課程知識進行融會貫通、綜合運用，從而獲得屬于自己的見解[6]。這不僅僅提高了他們自身的綜合能力素質，也滿足了當代社會對綜合性專業(yè)人才的需求。學生畢業(yè)后不再需要過長的理論到實踐過渡期，就能適應企業(yè)生產的需要，并獨立完成工作。

圖3 鎖定放大器電路實物圖

4.總結

本文針對單片機課程的特點和社會人才需求分析，結合“新三中心”論，深入探討了《單片機原理及應用》課程的教學改革方案。通過理論和實驗一體化教學、課程設計以及競賽綜合訓練三個階段的配合教學，循序漸進地提高學生的學習積極性和主動性，增強其自主創(chuàng)新設計、探究問題和工程實踐的能力。實踐教學證明，完成以上三步訓練的同學，對單片機相關的畢業(yè)設計，無論是從軟件仿真還是到實物制作都能很好的完成。同時，在就業(yè)過程中，具備較強的專業(yè)綜合實力，更容易獲得企業(yè)HR的青睞。

[1]趙炬明.論新三中心:概念與歷史——美國SC本科教學改革研究之一[J].高等工程教育研究,2016(3):35-56.

[2]遲少華,方華.基于案例分析的《單片機原理與應用》教改研究[J].福建電腦, 2016,32(4):162-163.

[3]王瑾.單片機原理與應用》教改探索[J].中國科技信息,2008(2):235-235.

[4]王英輝,孫文福.單片機課程改革及新教學模式的研究[J].輕工科技,2017(1):138-139.

[5]翟紅云,凌藝春.電子設計競賽促進下的單片機教學改革初步探索與研究[J].廣西大學學報(自然科學版),2008,33(s1):365-367.

[6]李敏.從電子競賽看三本院校單片機課程改革[J].電子世界,2014(16):287-288.