新工科背景下機(jī)械專業(yè)單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程改革初探

沈曄湖 蔣全勝 朱其新

(蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009)

0 引言

單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程是一門綜合了數(shù)字電路、軟件工程以及控制技術(shù)等領(lǐng)域知識(shí)的交叉性應(yīng)用課程[1]。在一個(gè)典型的實(shí)時(shí)檢測或自動(dòng)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)通常作為系統(tǒng)的核心元器件，具有極其重要的作用，因此在工農(nóng)業(yè)、國防、交通等領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用[2]，目前已經(jīng)成為機(jī)械工程等專業(yè)的必備知識(shí)內(nèi)容，許多高校將該課程設(shè)置為機(jī)械工程專業(yè)的核心必修課。

然而現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)方法和設(shè)計(jì)在教授單片機(jī)原理與接口技術(shù)這門交叉性應(yīng)用課程時(shí)存在著如下不足：填鴨式的知識(shí)灌輸傳統(tǒng)教學(xué)模式，沒有體現(xiàn)該門課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)；把課程教學(xué)分為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分內(nèi)容，兩者相互割裂，導(dǎo)致學(xué)生無法做到兩者的融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用；教學(xué)著重傳統(tǒng)的51系列微處理器系統(tǒng)的單片機(jī)講解，沒有很好地跟進(jìn)時(shí)代的發(fā)展，從而導(dǎo)致了課程的知識(shí)點(diǎn)層面狹窄，跟不上當(dāng)前企業(yè)應(yīng)用的實(shí)際需求。

為了適應(yīng)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)架構(gòu)特點(diǎn)和用人單位的要求，對(duì)單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程整體教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)方法進(jìn)行與時(shí)俱進(jìn)的改革具有重要的意義。

1 制定符合新工科目標(biāo)的教學(xué)大綱

在傳統(tǒng)的單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)中，把課程教學(xué)分為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分內(nèi)容。教師先講理論，學(xué)生由于事先沒有接觸過單片機(jī)，對(duì)其開發(fā)流程和設(shè)計(jì)原理缺乏基本的了解，因此導(dǎo)致學(xué)習(xí)理論課主要依靠死記硬背，缺少對(duì)單片機(jī)開發(fā)的深入理解。例如對(duì)于程序設(shè)計(jì)部分內(nèi)容，學(xué)生只是把它當(dāng)作脫離運(yùn)行環(huán)境的軟件設(shè)計(jì)語言來學(xué)，沒有將其與單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的聯(lián)系。

近年來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，本質(zhì)上是要構(gòu)建以專業(yè)結(jié)構(gòu)和課程結(jié)構(gòu)為核心的工科新結(jié)構(gòu)，探索實(shí)施工程教育人才培養(yǎng)新模式，打造具有國際競爭力的工程教育新質(zhì)量，建立完善中國特色工程教育的新體系[3]。為了達(dá)成新工科的培養(yǎng)目標(biāo)，需要對(duì)課程的教學(xué)大綱進(jìn)行針對(duì)性的改革。將傳統(tǒng)的基于知識(shí)點(diǎn)講授的教學(xué)模式改變?yōu)榛陧?xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式。授課的內(nèi)容圍繞具體的應(yīng)用項(xiàng)目展開，硬件和軟件融會(huì)貫通，交叉講授；授課知識(shí)內(nèi)容根據(jù)應(yīng)用項(xiàng)目螺旋上升，由基礎(chǔ)的MCS51系列逐步過渡到STM32系列[4]，滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用場景需求；課程知識(shí)點(diǎn)講解的順序按照整個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)過程的流程進(jìn)行，便于學(xué)生在設(shè)計(jì)過程的相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)能夠具備足夠的理論知識(shí)；重構(gòu)考核模式，采用筆試、項(xiàng)目報(bào)告、項(xiàng)目展示、實(shí)物制作等多方面多維度的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生面向?qū)嶋H應(yīng)用創(chuàng)新能力的合理評(píng)估。

綜上所述，可以把本課程的目標(biāo)設(shè)定為：在理解單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入理解其對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方法；能夠初步實(shí)現(xiàn)完整應(yīng)用項(xiàng)目的全周期設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；能夠針對(duì)機(jī)械裝備控制領(lǐng)域的具體問題選用適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

2 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革探索

由于不同學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷以及動(dòng)手能力存在一定的差別，因此本文提出的基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革遵循個(gè)性化教學(xué)方式，針對(duì)不同的學(xué)生情況設(shè)計(jì)適合其發(fā)展特點(diǎn)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式，具體主要包含如下3種模式。

2.1 以賽帶學(xué)，相互促進(jìn)

該模式主要針對(duì)軟硬件基礎(chǔ)較好、學(xué)有余力的學(xué)生。在完成課內(nèi)學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科競賽（如全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽等）。在教師指導(dǎo)下合理組織隊(duì)伍，圍繞賽題進(jìn)行合理分工。通過競賽的方式帶動(dòng)面向創(chuàng)新應(yīng)用的單片機(jī)前沿技術(shù)學(xué)習(xí)。教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)程進(jìn)行合理的時(shí)間規(guī)劃，在項(xiàng)目的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)組織進(jìn)行匯報(bào)總結(jié)。由于大賽有嚴(yán)格的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在一定層面上可以督促學(xué)生嚴(yán)格按照時(shí)間進(jìn)度進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，保證學(xué)習(xí)進(jìn)度的順利開展；由于大賽均要求進(jìn)行實(shí)物展示，使得學(xué)生能夠在理論學(xué)習(xí)和軟件仿真層面之上進(jìn)行更為具體的項(xiàng)目開發(fā)工作，提升學(xué)生的動(dòng)手能力；由于大賽賽題均有一定的新穎性，因此可以培養(yǎng)學(xué)生在借鑒現(xiàn)有技術(shù)方案的基礎(chǔ)之上充分發(fā)揮想象力，大膽進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，應(yīng)用新的軟硬件開發(fā)平臺(tái)、新的設(shè)計(jì)思路，從而能夠大力培養(yǎng)這些優(yōu)秀學(xué)生的探索、創(chuàng)新能力；由于大賽一般是團(tuán)隊(duì)合作方式，因此有利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)分工合作能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生認(rèn)清自身的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，確定自己在團(tuán)隊(duì)中的最佳定位。此外通過以賽帶學(xué)的方式可以遴選出部分具有較高技術(shù)團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)能力的優(yōu)異學(xué)生，這些學(xué)生資源對(duì)于學(xué)校研究生招生和推薦頭部企業(yè)工作都是十分有益的。

2.2 企業(yè)項(xiàng)目，實(shí)戰(zhàn)演練

該模式主要面向畢業(yè)后確定直接就業(yè)的學(xué)生。此類學(xué)生對(duì)于本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)較為明確，在課程學(xué)習(xí)過程中更加側(cè)重企業(yè)急需的開發(fā)技術(shù)和自身能力的培養(yǎng)，從而提升其在就業(yè)市場的競爭力。為此教師需要結(jié)合此類學(xué)生的需求，在系部乃至學(xué)院的支持下，主動(dòng)對(duì)接當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)，并從企業(yè)需求中遴選拆解出適合學(xué)生開發(fā)學(xué)習(xí)的小項(xiàng)目，以課程項(xiàng)目的形式進(jìn)行下達(dá)，按比例計(jì)入學(xué)生課程最后的平時(shí)成績中。教師在分配項(xiàng)目的過程中需要綜合考慮項(xiàng)目的規(guī)模和難度，對(duì)于開發(fā)難度和規(guī)模相對(duì)較大的項(xiàng)目需要鼓勵(lì)學(xué)生在自由組合的基礎(chǔ)上成立2～3人組成的項(xiàng)目小組開展合作開發(fā)。教師還要協(xié)助學(xué)生與企業(yè)進(jìn)行溝通，保證學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)期間得到企業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)。教師通過每個(gè)項(xiàng)目每周提交項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告的形式掌握各項(xiàng)目小組的進(jìn)展?fàn)顩r并根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)指導(dǎo)。在課程結(jié)束前，教師通過組織項(xiàng)目答辯會(huì)的方式對(duì)各個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行考核。在條件允許的情況下，教師應(yīng)當(dāng)積極邀請(qǐng)相關(guān)企業(yè)的技術(shù)人員一同參加項(xiàng)目答辯會(huì)，并對(duì)項(xiàng)目開發(fā)成效進(jìn)行打分評(píng)估。在課程完成后，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目表現(xiàn)、項(xiàng)目成果和筆試表現(xiàn)綜合評(píng)估后擇優(yōu)向企業(yè)推薦相關(guān)學(xué)生，從而提高學(xué)生和企業(yè)一起參與到此類項(xiàng)目中的積極性。

2.3 畢設(shè)驅(qū)動(dòng)，無縫對(duì)接

該模式面向更廣泛的課程學(xué)生群體。由于本課程一般設(shè)置在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期，任課教師可以結(jié)合往年的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目中與單片機(jī)相關(guān)的開發(fā)內(nèi)容（如串口通信、無線單片機(jī)及其點(diǎn)到多點(diǎn)無線通信等），并結(jié)合課程大綱按不同的知識(shí)內(nèi)容對(duì)課題進(jìn)行分類。教師在講授相關(guān)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)時(shí)結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)的小項(xiàng)目、小實(shí)驗(yàn)、小練習(xí)，布置給學(xué)生。題目類型可以豐富多樣，例如軟件編程、軟件仿真、單片機(jī)開發(fā)板實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生根據(jù)任務(wù)的不同通過提交軟件代碼、仿真截圖、實(shí)物視頻以及項(xiàng)目報(bào)告等多種形式來展示成果。最后，教師對(duì)成果進(jìn)行評(píng)分。

筆者在講授數(shù)據(jù)采集及簡單控制程序小節(jié)過程中，結(jié)合“遠(yuǎn)程濕度測量與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)”這一畢業(yè)設(shè)計(jì)課題布置了蜂鳴音報(bào)警子系統(tǒng)設(shè)計(jì)小項(xiàng)目。該項(xiàng)目要求學(xué)生采用壓電式蜂鳴器，結(jié)合TTL系列7406或7407集成電路低電平驅(qū)動(dòng)。通過將驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接51單片機(jī)的P1.0引腳來控制壓電蜂鳴器。在軟件部分，通過定時(shí)在P1.0引腳產(chǎn)生周期為60ms的方波來使得蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警音。

通過一系列的知識(shí)點(diǎn)的練習(xí)，學(xué)生們可以更好地掌握畢業(yè)設(shè)計(jì)所需要的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)手段，使得畢業(yè)設(shè)計(jì)上手更加容易，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，同時(shí)也能促進(jìn)本課程的教學(xué)效果，最終達(dá)到一箭雙雕的目的。

3 結(jié)語

單片機(jī)原理與接口技術(shù)是一門綜合運(yùn)用軟、硬件多領(lǐng)域綜合知識(shí)并且又和應(yīng)用緊密相關(guān)的課程，在新工科背景下的機(jī)械專業(yè)人才知識(shí)體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的地位。要使機(jī)械專業(yè)學(xué)生能夠扎實(shí)理解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作、開發(fā)和應(yīng)用原理，以及面對(duì)實(shí)際問題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)使用方法是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。本文從教學(xué)大綱制定、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法等角度全面闡述了新工科背景下針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)的單片機(jī)原理課程施教改革方案，期望能夠起到拋磚引玉的作用。通過進(jìn)一步的總結(jié)與創(chuàng)新探索，相信必然能夠培養(yǎng)出更多適應(yīng)工業(yè)4.0趨勢所需要的新時(shí)期機(jī)械工程專業(yè)人才。