基于校企合作縱橫管理的單片機教學(xué)改革

馮興樂， 張海鷗， 孫朝云， 屈八一

(長安大學(xué) 信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

0 引言

單片機又稱單片微控制器，是將CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O端口集成在單芯片上的計算機，也是一種將硬件和軟件相結(jié)合的小型計算機，由于具有體積小、成本低、性能高的特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器等領(lǐng)域[1～2]。近年來，許多高校競相開設(shè)“單片機應(yīng)用技術(shù)”課程，以適應(yīng)社會對相關(guān)人才的迫切需求。但是該課程實踐性強，對教師的工程素質(zhì)和學(xué)校的實驗條件要求高。鑒于各學(xué)校的教學(xué)方法和教學(xué)質(zhì)量參差不齊，為此，本文依托我校的電子信息工程專業(yè)綜合改革試點，圍繞該課程實踐教學(xué)，開展并研究了基于“基于校企合作縱橫管理”的一體化教學(xué)方法，并因此獲得了省級教學(xué)成果獎，在此，為了分享我們的教改經(jīng)驗，撰文供廣大教學(xué)工作者參考和借鑒。

1 單片機教學(xué)存在問題及分析

通常，“單片機應(yīng)用技術(shù)”課程的教學(xué)分為理論講授和實踐練習(xí)兩部分。理論教學(xué)重點講述硬件組成、指令、匯編、接口等知識，各校差別不大。實踐教學(xué)分為單功能驗證和綜合開發(fā)實驗，各校的實踐教學(xué)方法和管理流程存在較大差異。在調(diào)研各校教學(xué)情況的基礎(chǔ)上，將存在的普遍問題歸納如下：

1.1 理論實踐割裂，重理論輕實踐

理論教學(xué)內(nèi)容老化，大多選用10年前出版的教材，主要介紹單片機的存儲結(jié)構(gòu)，指令集等知識，對單片機的開發(fā)環(huán)境和項目開發(fā)流程介紹較少，講授的C51系列和當(dāng)前主流的430單片機有一定的差距[3]。過分依賴幻燈片，將多媒體教學(xué)理解為單一的幻燈片，對照幻燈片講解程序代碼，學(xué)生的參與感較差。

實踐教學(xué)方面，普遍缺乏開展實踐教學(xué)的硬件條件，例如：實驗室和實驗器材不足；加之，學(xué)校缺乏對從事實踐教學(xué)的教師工作量的客觀評價體系，教師不愿投入精力做實驗。

1.2 實驗順序混亂，綜合性不強

實驗環(huán)節(jié)是單片機課程中非常重要的一環(huán)，但是傳統(tǒng)教學(xué)中，大多都在實驗箱上完成，實驗內(nèi)容為單一的驗證性或訓(xùn)練性實驗，這些實驗電路固定，學(xué)生只需連幾根線、編寫簡單的程序就可實現(xiàn)功能，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的創(chuàng)新能力[4]。

實驗順序沒有遵循學(xué)生的認知規(guī)律，致使學(xué)生完成了實驗內(nèi)容，依然不了解單片機開發(fā)項目的完整過程和方法，不具備綜合設(shè)計與分析的能力。沒有按照一定的知識梯度，循序漸進地設(shè)置系列性實驗，首先安排啟蒙性的實驗，再由易到難，安排一些驗證性實驗，當(dāng)學(xué)生對實驗操作有相當(dāng)?shù)母行哉J識之后，再引入綜合性實驗，然后再組織參加科技創(chuàng)新競賽類活動。

1.3 缺乏具有工程背景的師資隊伍

目前很多高校在招聘教師時，要求35歲以下，博士學(xué)歷以上，這就導(dǎo)致符合條件的教師，基本沒有在企業(yè)和科研院所工作的經(jīng)歷，對工程項目不熟悉，缺少工程師思維方式[5～7]。另外，學(xué)校的考核體系里重視論文發(fā)表，而工程實踐類的課程很難有理論和技術(shù)創(chuàng)新，教師缺乏提高自身工程實踐能力和科研開發(fā)能力的內(nèi)在動力。另外，缺乏企業(yè)工程師和校內(nèi)教師崗位的流通渠道，難以建設(shè)“雙師型”師資隊伍[8]。

2 解決思路

基于校企合作縱橫管理的單片機教學(xué)改革是我們解決上述問題的基本思路，這條思路體現(xiàn)如下：

2.1 創(chuàng)建產(chǎn)學(xué)研基地，完善輪崗制度

我院依托專業(yè)綜合改革和工程碩士培養(yǎng)機制的特殊政策，加強校企合作。打破人才引進的年齡和學(xué)歷限制，建立校內(nèi)教師和校外工程師輪崗制度，建立開放式的“柔性”人才引進常態(tài)機制，不求所有，但求所用，建立全方位、多渠道、立體式的師資培訓(xùn)模式。

一方面，企業(yè)工程師通過學(xué)校的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，或攻讀相應(yīng)的學(xué)位，提升理論層次，使之能適應(yīng)高校的理論教學(xué)，甚至流動到高校中，成為短期或正式教師。聘請研究所、企業(yè)中的高級工程師作為兼職教師或工程碩士校外導(dǎo)師，這些經(jīng)驗豐富的工程師了解企業(yè)需求，知道技術(shù)如何落地，能將企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理及技術(shù)改進等方面的最新情況傳遞給學(xué)生，擴大學(xué)術(shù)視野，縮短學(xué)生畢業(yè)到企業(yè)后的適應(yīng)期。

另一方面，拓寬中青年教師到企業(yè)兼職的渠道，通過共建企業(yè)實習(xí)實訓(xùn)基地、專題實驗室、博士后工作站等方式，加強校企合作的廣度和深度，針對企業(yè)需求，結(jié)合信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的二次創(chuàng)業(yè)需求，為企業(yè)開設(shè)旨在提高產(chǎn)品信息化、智能化水平的短期研討班、講習(xí)班；讓青年教師在企業(yè)中有用武之地。

在校企合作的教學(xué)過程中，我校教師以理論授課為主，實踐引導(dǎo)為輔。企業(yè)工程師以指導(dǎo)綜合實驗和科技競賽為主。將學(xué)生所學(xué)的理論知識和實際緊密結(jié)合起來，學(xué)以致用。

2.2 優(yōu)化教學(xué)計劃

將教學(xué)實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計深度整合，教學(xué)內(nèi)容按照學(xué)生認知的特點，遵循由易到難，層層遞進，先局部后整體，先感性后理性的原則，讓學(xué)生循序漸近地提升自己的動手能力。下面以我院電子信息專業(yè)綜合改革為例，介紹教學(xué)計劃的優(yōu)化思路。

電子信息專業(yè)的課程分為電子類、計算機類和信息處理類。將單片機的實踐教學(xué)作為貫穿電子類和計算機類課程的主線，能夠達到由點到面、融會貫通、事半功倍的效果。優(yōu)化后的教學(xué)計劃如圖1所示。

基于“項目驅(qū)動法”的單片機教學(xué)分為三個階段。

第一階段包括第1和第2學(xué)期。通過專業(yè)導(dǎo)論，為學(xué)生引入諸如LED循環(huán)顯示、驅(qū)動蜂鳴器演奏音樂、驅(qū)動LCD液晶顯示屏等項目簡介，讓學(xué)生對單片機的基本功能有一個感性的認識，同時對計算機編程環(huán)境有初步的認識，從而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。這點對學(xué)生后期的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果非常重要。

圖1 教學(xué)計劃進度

第二階段包括第3到第5學(xué)期。重點以單片機的設(shè)計理念為主線，以模擬電子和數(shù)字電子的課程實驗為基礎(chǔ)，在掌握經(jīng)典電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計單片機外圍的數(shù)據(jù)采集，信號調(diào)理，顯示電路等。進一步夯實單片機編程和電路設(shè)計的基礎(chǔ)。此階段的控制和處理的核心電路基本不變，作為輸入的傳感器可以靈活變化。另外通過生產(chǎn)實習(xí)，學(xué)生掌握電路板設(shè)計、電裝調(diào)試方面的基本技能。

第三階段包括第6到第8學(xué)期。重點以開發(fā)企業(yè)課題和參與科技競賽為主。這些綜合創(chuàng)新性題目，從企業(yè)中來，又為企業(yè)服務(wù)。通過學(xué)生參與企業(yè)的實際課題，了解企業(yè)研發(fā)項目的完整過程，體會學(xué)以致用的樂趣，培養(yǎng)團隊精神，為畢業(yè)后走向社會打下良好的基礎(chǔ)。參與科技競賽則是前期學(xué)習(xí)成果的一次檢驗，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力大有裨益，而獲獎證書也將增加學(xué)生就業(yè)的競爭力。

2.3 學(xué)習(xí)團隊

針對電子信息類專業(yè)學(xué)生在不同階段的學(xué)習(xí)特點，分配不同性質(zhì)的任務(wù)。如表1所示:

表1 大學(xué)生學(xué)習(xí)特點以及任務(wù)分配表

針對高校學(xué)生流動性強的特點，必須建立分工明確的團隊管理制度，以及規(guī)范有序的文檔管理制度，才能發(fā)揮人才培養(yǎng)過程中“傳幫帶”的優(yōu)勢，將實踐教學(xué)常態(tài)化、制度化。重點關(guān)注以下方面：

(1)團隊分工明確。指導(dǎo)教師宏觀把握小組的選題和學(xué)習(xí)進度。高年級同學(xué)負責(zé)技術(shù)攻關(guān)和文檔整理，為低年級同學(xué)答疑解惑，提供技術(shù)支持。低年級同學(xué)負責(zé)項目中的具體工作。在任務(wù)分工方面，根據(jù)個人學(xué)習(xí)情況和研究興趣，分配硬件設(shè)計，軟件編程，仿真測試和文檔整理等工作。

(2)根據(jù)企業(yè)項目和科技競賽的時間要求，建立項目節(jié)點管理體系，堅持每周例會，通報各小組的進展情況。

(3)和諧的團隊文化。前期通過高年級同學(xué)的宣傳和實物展示，讓新生有較好的體驗效果，減輕同學(xué)們的畏難情緒和思想顧慮，樹立自信，建立QQ、微信等項目交流群。同時組織小組技能比賽，相互學(xué)習(xí)，共同進步。

3 典型案例

本節(jié)以兩個實際案例為例，介紹基于校企合作的“課題(縱)+專業(yè)(橫)”管理模式和工作流程。

3.1 組織管理模式

單片機教學(xué)系統(tǒng)組織管理模式的示意圖如圖2所示。其中項目A為油箱液位檢測系統(tǒng)，項目B為PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 管理模式框圖

1)“橫向”組建相同專業(yè)后備人才庫

來自相同專業(yè)領(lǐng)域但能力水平允許存在差異的學(xué)生，由企業(yè)工程師牽頭，組建專業(yè)小組后備人才庫，對于單片機類的課題，主要分為硬件、軟件、文檔管理三大類。在低年級的學(xué)生中，按照第2節(jié)介紹的程序，當(dāng)具有一定興趣或基礎(chǔ)后，即可申請加入后備人才庫中相應(yīng)的硬件、軟件、文檔類專業(yè)小組，即使暫時沒有課題，該小組成員也要定期進行技術(shù)交流，開展單元型驗證實驗、研討以往的科技競賽內(nèi)容等，通過實戰(zhàn)演習(xí)，提升自己的能力。一旦有課題，這些人員即可組建課題小組，投入戰(zhàn)斗。

2)“縱向”組建課題小組

一旦有企業(yè)課題或科技競賽，即可組建新的課題小組。采用導(dǎo)師團隊、組長、成員三級責(zé)任制，導(dǎo)師團隊包括校內(nèi)指導(dǎo)教師和校外工程師，負責(zé)選題，確定任務(wù)分解的邊界，解答疑難問題和督促進度等；組長由研究生和高年級本科生擔(dān)任，負責(zé)具體任務(wù)分配，召集小組例會，講解程序代碼等；成員負責(zé)具體電路設(shè)計和調(diào)試，軟件代碼的編寫和測試，文檔的書寫和整理等。一旦本課題結(jié)束，這些成員又要回到專業(yè)小組后備人才庫，等待下一次課題的到來。

3.2 工作流程

下面從縱向角度，詳細介紹項目A:油箱液位檢測系統(tǒng)課題組的組織管理流程。工作流程如圖3所示。

圖3工作流程圖

該課題通過超聲波傳感器實時監(jiān)測槽車運輸過程中油箱液位變化，其拓撲結(jié)構(gòu)包括下位機(超聲波傳感器)、中間機(430單片機控制板)、上位機(PC顯示終端)。下位機采集液位信息，中間機負責(zé)信息處理，用戶可設(shè)定報警區(qū)間和聲光警報形式。上位機負責(zé)顯示液位值，后臺數(shù)據(jù)管理等。

從功能角度看，包含系統(tǒng)初始化，串口通訊，液晶顯示，定時器，按鍵五個函數(shù)模塊。系統(tǒng)上電之后，主程序首先調(diào)用初始化模塊設(shè)置各I/O口。通訊模塊通過串口接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后在液晶顯示模塊顯示液位值。定時器模塊負責(zé)定時中斷，控制蜂鳴器和發(fā)光二極管報警。按鍵模塊實現(xiàn)人機交互，設(shè)置報警門限值。

工作流程如下：

(1)任務(wù)分工：組長負責(zé)課題進度，需求分析和概要設(shè)計，劃分軟件與硬件架構(gòu)的邊界，組織成員進行方案設(shè)計和論證，制作PPT匯報文檔和對外宣傳匯報等。

(2)方案設(shè)計實施：方案設(shè)計包括硬件和軟件兩部分，從硬件角度看，包括單片機、傳感器及外圍電路；從軟件角度看，包括主程序、初始化模塊、串口通信模塊、顯示模塊、獨立按鍵模塊和定時器模塊六部分。盡管在專業(yè)小組中將人員分為硬件電路和軟件編程兩類，但由于單片機是用軟件來驅(qū)動底層硬件的系統(tǒng)，硬件和軟件之間的邊界并不清晰，尤其是在電路調(diào)試和軟件測試階段，很難確定是軟件問題還是硬件問題，需要軟硬件人員的充分交流與協(xié)作。這也有助于提高學(xué)生的軟硬件綜合素質(zhì)。

(3)文檔整理：由于學(xué)校人才培養(yǎng)的流動性，保證存檔文件的規(guī)范性和可讀性是固化教學(xué)改革成效的重要因素。本課題的文檔整理工作包括①撰寫產(chǎn)品說明書；②硬件工作原理，原理圖和PCB圖；③軟件開發(fā)環(huán)境；④源程序代碼；⑤整理技術(shù)文檔；⑥視頻錄像資料。文檔整理流程如圖4所示：

圖4文檔整理流程圖

在所有的文檔中，軟件代碼的可讀性尤為重要，應(yīng)有翔實規(guī)范的代碼注釋和說明文檔。圖5給出了層次化的程序結(jié)構(gòu)圖。

圖5 程序結(jié)構(gòu)圖

最后，視頻錄像可以彌補文檔中不便于文字?jǐn)⑹龅膬?nèi)容，以口語化方式對每個模塊的技術(shù)實現(xiàn)文檔加以說明。此外，還要錄制Readme 文件，讓后來者對整個文檔資料有一個宏觀的認識，同時也能得到一些入門秘籍。可邀請屏幕錄像專家用軟件完成上述工作。

4 結(jié)語

經(jīng)過4年的專業(yè)綜合改革實踐，學(xué)生收獲頗豐，顯現(xiàn)出很強的就業(yè)競爭力。心得體會如下：

4.1 團隊合作是基礎(chǔ)

盡管各課題組是獨立的，但分工不分家?？v向上，要知道任務(wù)上下游的關(guān)系和接口；橫向上，注意和其它課題組相同角色成員(友軍)的交流，并對該領(lǐng)域的共同關(guān)注的問題進行技術(shù)研討。

4.2 節(jié)點管理是保障

千斤重擔(dān)人人挑，個個頭上有指標(biāo)。作為一個團隊合作，必須要求所有成員在規(guī)定時間內(nèi)完成分配的任務(wù)，不能因為少數(shù)人的拖沓和退出，影響整體進度。

4.3 學(xué)生自治是目標(biāo)

在運行初期，在人員分組和方案設(shè)計等方面，學(xué)生存在一定的盲目性，需要教師作為組織者加以引導(dǎo)，但在理順學(xué)生自治的管理體系后，教師主要負責(zé)提供場地、設(shè)備和材料等硬件條件，營造一個自由民主、寬容和諧的學(xué)習(xí)氛圍。只有實現(xiàn)學(xué)生自我管理，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。