應(yīng)用型單片機(jī)工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新與實(shí)踐

何尚平，方玲，羅小青，吳靜進(jìn)

(1.南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息學(xué)科部，江西 南昌330029;2.國家開放大學(xué) 教育學(xué)院，北京100081)

單片機(jī)作為典型、具有代表性的嵌入式系統(tǒng)，并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，目前各類院校很多專業(yè)已經(jīng)普遍開設(shè)了單片機(jī)及其相關(guān)課程，并作為學(xué)習(xí)各種微處理器、控制器的基礎(chǔ)［1-2］。

單片機(jī)作為一門實(shí)踐性、技術(shù)性很強(qiáng)的課程，在學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的同時(shí)，最終在于掌握實(shí)際應(yīng)用。目前，大部分院校開設(shè)了課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)訓(xùn)、工程訓(xùn)練等單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)［3-4］，以南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息學(xué)科部為例，為加強(qiáng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，針對(duì)實(shí)踐性、技術(shù)性很強(qiáng)的多門重要專業(yè)技術(shù)課程，分別對(duì)應(yīng)開設(shè)了相關(guān)工程訓(xùn)練項(xiàng)目，歷經(jīng)數(shù)年的創(chuàng)新與改革，逐漸形成了一整套融應(yīng)用型人才培養(yǎng)貫穿全過程的單片機(jī)工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，完全模擬產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)過程，已成為提高學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)能力的重要手段［5-6］。經(jīng)過探索和研究，針對(duì)性地就各個(gè)環(huán)節(jié)總結(jié)提出了有關(guān)具體策略和措施。

1 提出任務(wù)要求

要使單片機(jī)工程訓(xùn)練起到良好效果，指導(dǎo)教師應(yīng)先策劃確定一個(gè)能付諸實(shí)踐教學(xué)要求，符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)所需，工作量適中，與實(shí)際產(chǎn)品接近，且具有一定吸引力能使學(xué)生感興趣的項(xiàng)目，并結(jié)合單片機(jī)工程訓(xùn)練具體項(xiàng)目，明確提出任務(wù)與要求和項(xiàng)目作品功能及性能指標(biāo)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上全面著手開展訓(xùn)練。如基于單片機(jī)的液顯電子時(shí)鐘項(xiàng)目應(yīng)完成下列任務(wù)要求:(1)演示作品時(shí)使用液晶準(zhǔn)確顯示當(dāng)前時(shí)鐘日歷(年月日星期時(shí)分秒)，日歷時(shí)鐘具有按鈕設(shè)定功能，并顯示清晰、穩(wěn)定;(2)電路圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、完全;(3)元器件安裝規(guī)范，焊接到位，外觀優(yōu)美;(4)其它擴(kuò)展功能，由學(xué)生自由發(fā)揮。

2 布置工程訓(xùn)練安排

一個(gè)適合的單片機(jī)工程訓(xùn)練教學(xué)進(jìn)度安排是單片機(jī)過程性有效實(shí)施的前提，開展單片機(jī)工程訓(xùn)練項(xiàng)目前，應(yīng)制定出詳細(xì)的工程訓(xùn)練安排，包括日程安排、實(shí)踐場(chǎng)所地點(diǎn)安排和指導(dǎo)教師安排，并結(jié)合項(xiàng)目具體任務(wù)與要求，做好工作內(nèi)容安排。工程訓(xùn)練安排應(yīng)明確、清晰、循序漸進(jìn)，方可保障工程訓(xùn)練的有序順利進(jìn)行，以便于加強(qiáng)過程執(zhí)行、管理和監(jiān)控［5］。

3 關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)

一個(gè)單片機(jī)工程訓(xùn)練項(xiàng)目涵蓋使用到方方面面很多知識(shí)，不僅是單片機(jī)課程內(nèi)容，結(jié)合項(xiàng)目任務(wù)要求，還涉及到其它一些課程、學(xué)科和專業(yè)，彰顯交叉融合性。如基于單片機(jī)的液顯電子時(shí)鐘項(xiàng)目，除了要學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)之外，還涉及數(shù)字電路、模擬電路、電工電子、電路制板與仿真等課程知識(shí)，因此，雖然工程訓(xùn)練安排在單片機(jī)理論學(xué)習(xí)之后，學(xué)生掌握一定的單片機(jī)理論知識(shí)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，但還需根據(jù)具體工程訓(xùn)練項(xiàng)目所涉及的相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，進(jìn)行針對(duì)性的學(xué)習(xí)，并且應(yīng)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師其中指導(dǎo)為主，教師講解為輔，指導(dǎo)教師應(yīng)提前給學(xué)生準(zhǔn)備好相關(guān)學(xué)習(xí)資料，并結(jié)合學(xué)生自主查找所需資料，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)解決工程實(shí)際的能力。

4 基本技能訓(xùn)練

為完全模擬產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)真題真做，單片機(jī)工程訓(xùn)練務(wù)必要求實(shí)際制作出作品，因此需要制作電路板，涉及到PCB繪制、制板和電路安裝、焊接技術(shù)等，工程訓(xùn)練期間應(yīng)安排出一定的時(shí)間講授、演示并使學(xué)生通過訓(xùn)練掌握這些基本技能，得到衍生提高，熟悉掌握多項(xiàng)技術(shù)［5］。

5 軟硬設(shè)計(jì)

此環(huán)節(jié)是單片機(jī)工程訓(xùn)練項(xiàng)目最重要的環(huán)節(jié)，綜合利用所學(xué)知識(shí)和技能，理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合單片機(jī)工程訓(xùn)練項(xiàng)目任務(wù)和要求及性能指標(biāo)參數(shù)，要求學(xué)生先自主進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，務(wù)必先提出設(shè)計(jì)思路、應(yīng)用系統(tǒng)框架，然后再在自主設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用系統(tǒng)框架的指引下，進(jìn)行硬件、軟件分工，并進(jìn)行硬件電路器件選型，最后設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的整體硬件電路，同時(shí)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，劃分出軟件模塊，根據(jù)軟件流程圖編寫應(yīng)用程序。期間指導(dǎo)教師要著力進(jìn)行指導(dǎo)，以學(xué)生自主設(shè)計(jì)為主，并根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)進(jìn)度情況、效果及遇到的問題及時(shí)指引。指導(dǎo)教師還應(yīng)加強(qiáng)過程執(zhí)行、指導(dǎo)、管理與監(jiān)控，布置好檢查，制定出考評(píng)細(xì)則，并杜絕學(xué)生抄襲，這樣可使學(xué)生逐步了解設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，掌握設(shè)計(jì)思路，提高設(shè)計(jì)能力，這是掌握單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)的重中之重。

6 系統(tǒng)仿真

目前，國內(nèi)外推出了許多基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的單片機(jī)軟硬仿真平臺(tái)。如單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件仿真開發(fā)平臺(tái)有兩個(gè)常用的工具軟件:Keil和Proteus ISIS［7］，它們簡單易用，大部分單片機(jī)應(yīng)用電路都可以通過其進(jìn)行仿真和調(diào)試，如基于單片機(jī)的液顯電子時(shí)鐘項(xiàng)目完全可以通過Keil和Proteus ISIS進(jìn)行仿真和調(diào)試。因此，指導(dǎo)教師通過一定的講授和指導(dǎo)，學(xué)生既可借助這些現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，又可進(jìn)行仿真和調(diào)試，邊設(shè)計(jì)邊仿真，邊調(diào)試邊完善，直到成功為止，不但減少了開發(fā)調(diào)試成本，還拓展了學(xué)生的開發(fā)調(diào)試渠道，提高了學(xué)生使用現(xiàn)代EDA軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。

7 硬件制作

一個(gè)完全的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路確定之后，學(xué)生需要將硬件電路制作出來，制作硬件電路的方法較多:簡單的電路可以用面包板搭接，也可以用萬能板焊接，繁雜的電路可以用敷銅板熱轉(zhuǎn)印腐蝕制板或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制板。目前大部分院校使用敷銅板熱轉(zhuǎn)印蝕刻制板法較多，此方法比較接近工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制板法，并且此方法還要求學(xué)生在工程訓(xùn)練期間需掌握Altium Designer、Power PCB、Proteus ARES等PCB行業(yè)中常用的印制電路板繪圖軟件的使用，借助其繪制好電路板PCB圖。

8 整體調(diào)試

任何一項(xiàng)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)開發(fā)期間都需要進(jìn)行調(diào)試，以達(dá)到所要求的功能和性能參數(shù)，促使學(xué)生掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)調(diào)試、使用測(cè)試儀器設(shè)備、分析問題、解決問題的能力。單片機(jī)硬件電路板制作出來之后，應(yīng)先安排學(xué)生利用萬用表、示波器、邏輯分析儀等各種實(shí)驗(yàn)儀器分模塊進(jìn)行調(diào)試，并編寫模塊測(cè)試程序，單個(gè)模塊調(diào)試成功之后，再進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)。發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)先獨(dú)立分析，而后組織學(xué)生共同探討解決問題，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，并利用各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行整體調(diào)試的能力，從整體調(diào)試中探究提高。

9 產(chǎn)品包裝、成品定型

如若條件允許，可以安排學(xué)生對(duì)單片機(jī)工程訓(xùn)練項(xiàng)目作品按照產(chǎn)品特征進(jìn)行外觀包裝創(chuàng)意設(shè)計(jì)并進(jìn)行具體實(shí)踐，使單片機(jī)工程訓(xùn)練項(xiàng)目作品成為一項(xiàng)“準(zhǔn)產(chǎn)品”，不但可以加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)意能力，還可極大提高學(xué)生的積極主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣。最終需要制定出細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)作品進(jìn)行考評(píng)和測(cè)演，并按照產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)完之后，可以發(fā)回給學(xué)生，這樣不但可使學(xué)生體驗(yàn)到一種成就感，還可作為今后就業(yè)找工作最有力的“簡歷”。

10 實(shí)施與效果

針對(duì)應(yīng)用型單片機(jī)工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新與改革具體方案策略和措施，我們以南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院省級(jí)精品資源共享課和省級(jí)精品在線開放課“單片機(jī)原理與應(yīng)用”工程訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，進(jìn)行了具體實(shí)踐，通過不斷總結(jié)與完善，取得了較好的實(shí)踐教學(xué)效果:第一，由于單片機(jī)工程訓(xùn)練前讓學(xué)生預(yù)知了任務(wù)與要求，并提前下發(fā)了單片機(jī)工程訓(xùn)練相關(guān)學(xué)習(xí)資料和安排了資料查找學(xué)習(xí)，學(xué)生準(zhǔn)備得更加精準(zhǔn)和充分，對(duì)單片機(jī)工程訓(xùn)練任務(wù)與要求、目標(biāo)更加明確;第二，開展單片機(jī)工程訓(xùn)練初對(duì)前期預(yù)習(xí)的考核，對(duì)不積極學(xué)生前期預(yù)習(xí)起到了監(jiān)督作用，達(dá)到了較好的預(yù)習(xí)效果;第三，循序漸進(jìn)的有過程有檢查的詳細(xì)的單片機(jī)工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)安排，可使指導(dǎo)教師和學(xué)生很好地把控整個(gè)單片機(jī)工程訓(xùn)練的節(jié)奏與進(jìn)度，學(xué)生清楚每次課應(yīng)開展的學(xué)習(xí)內(nèi)容和完成的任務(wù)及作業(yè)，更有助于工程訓(xùn)練過程性實(shí)施與管理;第四，由于工程訓(xùn)練課前安排了預(yù)習(xí)，課內(nèi)可使用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)形式，指導(dǎo)教師僅需講解主要知識(shí)和技術(shù)及學(xué)生前期學(xué)習(xí)中遇到的集中問題和疑點(diǎn)，整個(gè)單片機(jī)工程訓(xùn)練課內(nèi)學(xué)習(xí)則以學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索、基本技能訓(xùn)練、教師其中指導(dǎo)、互動(dòng)交流為主，教師講解演示為輔，較好地提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)探索能力，加強(qiáng)了交流與互動(dòng)，并可安排更充足的基本技能訓(xùn)練和軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)間;第五，采用了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件仿真開發(fā)平臺(tái)Keil和Proteus ISIS進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)，提高了學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代EDA軟件的能力和進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的意識(shí);第六，要求學(xué)生最終必須將單片機(jī)作品實(shí)物實(shí)際制作調(diào)試出來，并進(jìn)行包裝定型，使單片機(jī)工程訓(xùn)練項(xiàng)目作品成為一項(xiàng)“準(zhǔn)產(chǎn)品”，較好地提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、調(diào)試能力、分析測(cè)試能力，學(xué)生積極性更高，有獲得感和成就感。

據(jù)上述分析，“提出任務(wù)要求—布置工程訓(xùn)練安排—資料學(xué)習(xí)—基本技能訓(xùn)練—軟硬設(shè)計(jì)—系統(tǒng)仿真—硬件制作—整體調(diào)試—產(chǎn)品包裝—成品定型”一整套單片機(jī)工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可行性強(qiáng)，容易組織與實(shí)施，各個(gè)環(huán)節(jié)都起到了擴(kuò)寬學(xué)生知識(shí)面，拓展學(xué)生技能和技術(shù)的作用，可有效促進(jìn)學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)能力，提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，符合應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)所需［8-12］。

11 結(jié)語

面對(duì)我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需人才新要求新形勢(shì)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，突出實(shí)踐應(yīng)用能力與協(xié)調(diào)創(chuàng)新能力培養(yǎng)已成共識(shí)，由此，在深化實(shí)踐教學(xué)改革與創(chuàng)新方面，如何提高類似工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，確保實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)效果至關(guān)重要，本文以南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息學(xué)科部單片機(jī)工程訓(xùn)練為具體案例，創(chuàng)新性提出一整套融應(yīng)用型人才培養(yǎng)貫串全過程的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的確定實(shí)施方案，這種安排好實(shí)踐教學(xué)每一個(gè)環(huán)節(jié)，抓好每一個(gè)過程，注重教學(xué)過程性，加強(qiáng)教學(xué)過程管理，提高工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的做法，值得推廣和借鑒。