“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)分析

陳新芬 黃文明

摘要：“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)課，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以培養(yǎng)出學(xué)生的技術(shù)實(shí)踐能力。為了提高畢業(yè)生的就業(yè)競爭力，文章從創(chuàng)新性項(xiàng)目開發(fā)教學(xué)、綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)、利用開放性教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置、課外興趣實(shí)踐、課程考核形式等幾個(gè)方面，探討了單片機(jī)教學(xué)改革實(shí)踐，旨在提高學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)能力、創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；教學(xué)；創(chuàng)新；實(shí)踐

在我國《中國制造2025》綱要的驅(qū)使下，在進(jìn)行大學(xué)生的單片機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中，不能只局限于傳統(tǒng)的理論灌輸?shù)慕逃绞?，不能忽略了社?huì)需求和學(xué)生動(dòng)手能力及創(chuàng)新思維的提高。針對該問題，本文結(jié)合現(xiàn)階段大學(xué)生單片機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的實(shí)際情況，探索應(yīng)當(dāng)如何提高大學(xué)生在單片機(jī)設(shè)計(jì)方面的動(dòng)手能力和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新開發(fā)能力，促使學(xué)生能力的提高，更好地服務(wù)于未來的社會(huì)需求。

1 項(xiàng)目教學(xué)具備創(chuàng)新性

單片機(jī)課程具備很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性，真正意義上掌握了該課程的學(xué)生，應(yīng)該具備以下幾方面的能力：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)，電路板設(shè)計(jì)，元器件選型，焊接及軟件程序編寫，軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。為了培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，必須改變傳統(tǒng)的學(xué)科知識傳授的教學(xué)方式，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以項(xiàng)目案例的形式展開教學(xué)。正在進(jìn)行教學(xué)的項(xiàng)目案例，應(yīng)該貼近目前行業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)際。單片機(jī)課程軟硬件知識點(diǎn)，分散在這些項(xiàng)目案例之中，學(xué)生熟悉掌握了項(xiàng)目案例的設(shè)計(jì)開發(fā)，自然就掌握了單片機(jī)課程的各項(xiàng)知識點(diǎn)。項(xiàng)目案例既能夠體現(xiàn)不同型號單片機(jī)的共性知識，又能夠體現(xiàn)單片機(jī)發(fā)展趨勢，比如現(xiàn)在比較熱門的技術(shù)：人機(jī)接口技術(shù)、通信技術(shù)、智能鈴聲技術(shù)、盆栽自動(dòng)灌溉技術(shù)、變頻控制技術(shù)、自動(dòng)避障車技術(shù)，IC卡應(yīng)用技術(shù)、溫濕度控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)等。這就要求項(xiàng)目案例的教學(xué)中，要能夠包含這些最新技術(shù)的應(yīng)用，利用上述高新技術(shù)，正確引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生的知識面才會(huì)開闊，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，為學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供前提條件。

2 展開綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)

2.1課程設(shè)計(jì)

學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，源自學(xué)生遇到問題，需要發(fā)揮創(chuàng)新性思維來解決，源自課程體系中所學(xué)知識的綜合運(yùn)用、靈活運(yùn)用。單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)就需要用到各門課程的知識，所以課程教學(xué)的后期，需要配套有對應(yīng)的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生，一般前期都學(xué)過“電子電路”“電路板設(shè)計(jì)與PCB板設(shè)計(jì)”“傳感器與檢測技術(shù)”“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”等課程，在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生分組，2-3人_組，利用一周的時(shí)間來完成一個(gè)綜合性的基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的作品。這個(gè)作品的命題可以是開放式的、自由命題，也可以來自教師的橫向課題的子項(xiàng)目，也可以來自目前各級各類大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，智能車，機(jī)器人大賽的賽題。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不是紙上談兵，而是來自實(shí)際的問題解決的需求。學(xué)生為了完成既定命題下的課程設(shè)計(jì)，中間的實(shí)踐環(huán)節(jié)會(huì)遇到各種問題，在問題的驅(qū)動(dòng)下，創(chuàng)新性地解決問題，完成課程設(shè)計(jì)，能力得以提升。

通過課程設(shè)計(jì)，學(xué)生能鞏固和掌握單片機(jī)基本原理，并在此基礎(chǔ)上使學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力得到大幅提升。圍繞工程教育的特點(diǎn)和國際工程師認(rèn)證要求，側(cè)重創(chuàng)新能力和素質(zhì)培養(yǎng)的要求，明確課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的能力指標(biāo)：（1）圍繞課題設(shè)計(jì)要求，綜合運(yùn)用課程體系知識，給出系統(tǒng)解決方案，并具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、測試的能力。（2）具有運(yùn)用信息網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)手冊、說明書查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。（3）能夠就系統(tǒng)解決方案、過程與結(jié)果，通過書面報(bào)告和口頭陳述清晰地表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn)。

最終教師制定具體的評分原則，分別對方案設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)、硬件制作、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試結(jié)果、設(shè)計(jì)報(bào)告和口頭陳述進(jìn)行考評。

2.2小型智能產(chǎn)品開發(fā)

為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)能力，創(chuàng)新問題解決能力，無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子大類專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃中有一個(gè)集中實(shí)訓(xùn)的環(huán)節(jié)，即小型智能產(chǎn)品開發(fā)實(shí)訓(xùn)。

集中實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)為期兩周，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自主定題，兩人_組，共同完成一個(gè)智能產(chǎn)品的開發(fā)任務(wù)。近兩年實(shí)踐完成情況來看，學(xué)生做得比較多的實(shí)訓(xùn)作品有：智能尋跡避障小車、智能窗戶設(shè)計(jì)、智能搶答器、基于單片機(jī)的任意波形發(fā)生器、溫室溫濕測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、簡易電子琴設(shè)計(jì)、多樣彩燈控制系統(tǒng)、電子秤設(shè)計(jì)、自控打鐘鈴設(shè)計(jì)。 經(jīng)過小型智能產(chǎn)品的開發(fā)制作，學(xué)生體驗(yàn)了從繪制草圖、設(shè)計(jì)單片機(jī)電路、手工制作電路板、程序燒寫、調(diào)試電路板，最后完成單片機(jī)組裝的實(shí)踐機(jī)會(huì)。在作品制作完成過程中，兩人一組的學(xué)生，各有分工，—人主要負(fù)責(zé)硬件電路的設(shè)計(jì)與元器件選型與焊接制作，另—人負(fù)責(zé)軟件程序的編寫與調(diào)試、下載。兩人在完成任務(wù)的過程中，各有分工又需要通力合作，負(fù)責(zé)硬件的學(xué)生也要能夠熟悉軟件部分的操作，負(fù)責(zé)程序編寫的學(xué)生，也要有一定的硬件電路制作能力，能夠在后期的組裝、程序下載、排錯(cuò)環(huán)節(jié)得心應(yīng)手。在智能產(chǎn)品開發(fā)制作過程中，學(xué)生會(huì)遇到問題，有解決問題的需求，查找資料，創(chuàng)新性地解決問題，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力得以提升。

3 利用開放性教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱用于完成基礎(chǔ)類驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對單片機(jī)基礎(chǔ)知識的理解和掌握。比如：I/O口實(shí)驗(yàn)、鍵盤顯示實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)等。

同時(shí)，每個(gè)學(xué)生配備開放式實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，開發(fā)板以STC89C52為控制核心，采用USB線供電，H340型USB轉(zhuǎn)串口下載線，另配5V穩(wěn)壓電源及光盤資料。STC89C52核心板上整合了8位LED、6個(gè)獨(dú)立按鍵、4位共陽極數(shù)碼管、1個(gè)蜂鳴器、1個(gè)繼電器、16腳和20腳兩組液晶接口，紅外接收頭（H1838）接口以及、溫感DS18820接口。該核心板能夠完成I/O端口實(shí)驗(yàn)、中斷二級嵌套實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)等，兩塊板可以進(jìn)行串口通信。只要有一臺電腦，學(xué)生在哪都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在機(jī)房課堂上，學(xué)生跟隨教師完成課內(nèi)訓(xùn)練內(nèi)容。課外，學(xué)生可以在宿舍、家庭等場所繼續(xù)實(shí)驗(yàn)練習(xí)，這種方式便于在學(xué)生中形成共同學(xué)習(xí)單片機(jī)的氛圍。理論教學(xué)與“實(shí)物”相結(jié)合之后，使得單片機(jī)教學(xué)中所涉及的抽象內(nèi)容變得直觀易懂了，使得學(xué)生直觀具體地認(rèn)識和了解單片機(jī)的實(shí)際工作和應(yīng)用方式。在教學(xué)中為學(xué)生提供電路板的完整電路原理圖，將課堂教學(xué)的內(nèi)容和其“實(shí)物”聯(lián)系起來，并逐步讓學(xué)生學(xué)會(huì)讀圖、識圖，為設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用電路打好基礎(chǔ)，逐步培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新能力。

4課外興趣實(shí)踐

4.1鼓勵(lì)參加各類賽事

對部分單片機(jī)技術(shù)掌握非常好的學(xué)生，鼓勵(lì)他們積極參加江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，省、市級的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，機(jī)器人大賽以及各類由地區(qū)行業(yè)企業(yè)主辦的智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)大賽。這類大賽一般以單片機(jī)為核心主控元件，配以外圍傳感器相關(guān)電路，執(zhí)行相應(yīng)的功能。由此把多門課程有機(jī)結(jié)合并拓展，進(jìn)一步提高實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力、理論水平，增強(qiáng)創(chuàng)新意識。參加比賽的學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，合理分工合作，按照賽事要求，完成設(shè)計(jì)與制作調(diào)試，過程中遇到問題，學(xué)生通力合作有效解決。這個(gè)任務(wù)的完成過程中，培養(yǎng)了參賽學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，有效解決問題的實(shí)踐動(dòng)手能力，創(chuàng)新性解決問題的能力水平得到提升。

4.2社會(huì)實(shí)踐鍛煉

系統(tǒng)的培養(yǎng)計(jì)劃包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)、科技競賽、企業(yè)實(shí)習(xí)等。無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用電子專業(yè)大二的學(xué)生，在二年級下學(xué)期有一個(gè)企業(yè)參觀實(shí)習(xí)體驗(yàn)周。目前無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院的做法是將這部分學(xué)生由帶隊(duì)老師帶領(lǐng)，進(jìn)入到無錫市公共實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。無錫市公共實(shí)訓(xùn)基地是在地方產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展急需高技能人才的背景下，由市政府公共財(cái)政投入建設(shè)的面向全社會(huì)開放的公共服務(wù)平臺。目前己成為國家級高技能人才公共實(shí)訓(xùn)基地，建成并投入使用的有110個(gè)實(shí)訓(xùn)鑒定室，涵蓋現(xiàn)代制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、現(xiàn)代信息技術(shù)、現(xiàn)代電工電子技術(shù)等八大實(shí)訓(xùn)門類?；乩锏碾姽る娮蛹夹g(shù)實(shí)訓(xùn)室有我們專業(yè)高度相關(guān)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，貼合市場開發(fā)需求，符合當(dāng)下行業(yè)應(yīng)用主流機(jī)型。實(shí)習(xí)周校內(nèi)帶隊(duì)老師將學(xué)生帶入進(jìn)去后，里面有專門的技術(shù)師傅介紹設(shè)備如何使用，感受設(shè)備運(yùn)行的控制功能，學(xué)生現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí).傾聽師傅講解。學(xué)生在實(shí)習(xí)周內(nèi)能夠接觸到非常豐富的企業(yè)生產(chǎn)一線的設(shè)備，開闊了視野，激發(fā)了興趣。

一周的實(shí)習(xí)體驗(yàn)，對提升學(xué)生的實(shí)踐能力顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對電子大類專業(yè)的學(xué)生，可以利用無錫地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，尋求校企合作渠道。在校企深度合作的基礎(chǔ)上，可以實(shí)施目前的最新做法，簽訂企業(yè)訂單班，冠名班。無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院大三學(xué)生需要完成企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)一年，企業(yè)訂單班的學(xué)生進(jìn)入對口企業(yè)，直接上崗訓(xùn)練，利用企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，項(xiàng)目開發(fā)需求，來激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)力。在校期間的學(xué)習(xí)，接觸的單片機(jī)型號有限，一般都是比較經(jīng)典的型號。學(xué)生可以利用在企業(yè)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，接觸到當(dāng)下生產(chǎn)一線普遍使用的機(jī)型，了解最前沿的科技咨詢。

5 改革傳統(tǒng)課程考核形式

考核方法的改革是推動(dòng)教學(xué)改革的有力措施，建立有利于學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性能力的考核體系，對學(xué)生進(jìn)行多方面、多角度、多形式、多層次的綜合評價(jià)，更符合創(chuàng)新教育的要求。傳統(tǒng)的期末閉卷考試的形式，考核面比較單一，無法完成對學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)過程中各種表現(xiàn)的一個(gè)綜合性考量。期末閉卷考試的形式，形成不了對學(xué)生督促學(xué)習(xí)的作用。所以除了期末閉卷考試之外，還需要有期中綜合性大作業(yè)檢查、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)考核、課堂小測驗(yàn)等形式，確保對學(xué)生形成一個(gè)客觀、公正、合理，能起到督促課程學(xué)習(xí)作用的考核體系。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核，主要通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行考核，形式過于單一，大部分實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，抄襲嚴(yán)重，難以提高學(xué)生的積極性。因此，對實(shí)驗(yàn)成績的評定不能簡單地看實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確，而要以實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程、分析和處理問題的思路、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范程度和實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫內(nèi)容等來綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)成績。鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)，自行實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。對通過查閱資料、獨(dú)立思考并解決實(shí)驗(yàn)中問題、有新穎設(shè)計(jì)方法的學(xué)生，從實(shí)驗(yàn)成績上給予肯定。

期中綜合性大作業(yè)可以是學(xué)生小組的形式來完成任務(wù)。學(xué)生2-3人為一組，每組學(xué)生可以自主選題，也可以在教師的輔導(dǎo)下完成選題任務(wù)。在選題確定的情況下，然后進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，可以是實(shí)物形式的制作調(diào)試，完成一個(gè)實(shí)際的小作品，也可以是PROTEUS仿真的形式，完成原理圖繪制與程序編寫和調(diào)試。同時(shí)將過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)記錄下來，形成紙質(zhì)綜合設(shè)計(jì)報(bào)告，教師根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告以及完成作品，進(jìn)行過程性成績評定。