單片機課程設(shè)計應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)研究

郭 玉，王陳寧，唐 飛，劉 娟，黃 忠

（安慶師范大學(xué) 電子工程與智能制造學(xué)院，安徽 安慶 246133）

單片機在工業(yè)自動化、智能儀器儀表、消費類電子產(chǎn)品、武器裝備等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。單片機課程設(shè)計是一門綜合性實踐課，內(nèi)容包括硬件電路和軟件設(shè)計。鑒于單片機實踐性及綜合性強，課程設(shè)計實踐至關(guān)重要。開設(shè)“單片機課程設(shè)計”一方面可以鞏固和加深單片機及相關(guān)控制電路專業(yè)課程中所掌握的實驗技能，另一方面有利于提高學(xué)生綜合運用電子技術(shù)知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。而本院教學(xué)所使用的硬件電路直接采用購買的開發(fā)板，學(xué)生只需要簡單地連線便完成了硬件設(shè)計，這導(dǎo)致學(xué)生對單片機控制的設(shè)計過程認識不夠深刻，嚴(yán)重影響學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。按照培養(yǎng)計劃，一般課程設(shè)計在每學(xué)期期末的1～2周進行，由于時間緊迫，所以答辯時間縮短、提問問題簡單化，這樣所有學(xué)生全部能通過，從而導(dǎo)致學(xué)生在制作過程中往往敷衍了事，其綜合運用能力、獨立解決問題能力及團隊協(xié)作精神等得不到鍛煉和培養(yǎng)。為解決以上問題，本文從單片機綜合設(shè)計選題、具體實施及考核幾個環(huán)節(jié)進行了改革。

1 單片機綜合設(shè)計的選題原則

課程設(shè)計的目的是培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、獨立分析問題、解決問題的能力及創(chuàng)新能力。單片機課程設(shè)計的綜合性題目主要有“電子鐘/秒表的設(shè)計、倒計時器設(shè)計、步進電機的控制、簡易計數(shù)器的設(shè)計、音樂播放器的設(shè)計、無線遙控器的設(shè)計、頻率計的設(shè)計、……”。選題的基本原則是題目內(nèi)容應(yīng)盡量體現(xiàn)出單片機在電子電路、自動化中的控制作用，針對不同專業(yè)，題目應(yīng)有一定的區(qū)分度，且具有一定的實際價值。例如，可選擇社會上急需的研發(fā)項目，進行簡化后作為課題，或者學(xué)生感興趣的科研課題。題目難易程度要適中。題目太難會使學(xué)生產(chǎn)生畏懼而失去信心，太簡單則達不到設(shè)計目的。指導(dǎo)老師可以根據(jù)學(xué)生的實際情況布置不同難易程度的內(nèi)容，經(jīng)過參與及努力，使學(xué)生都能完成任務(wù)并有所收獲，從而提高學(xué)生的興趣和積極性。例如，設(shè)計一電子鐘，可以先讓學(xué)生完成基本功能，顯示時時-分分-秒秒，之后再加時間調(diào)整、鬧鐘及整點報時等復(fù)雜功能，這樣就可以依據(jù)內(nèi)容差異來調(diào)節(jié)題目的難易程度。本課程培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生能夠綜合運用所學(xué)的理論知識進行一些基本技能的訓(xùn)練，題目內(nèi)容應(yīng)當(dāng)是所學(xué)單片機、電子技術(shù)等知識的綜合，如果涉及未學(xué)的知識，則需要老師進行補充講解。例如，電子鐘硬件電路內(nèi)容所涉及的1S定時、數(shù)碼管顯示、計數(shù)、單片機控制等部分，同學(xué)們已完成相應(yīng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對硬件電路的實現(xiàn)不會畏懼，會自覺進行設(shè)計，從而提高了同學(xué)們學(xué)習(xí)和參與的主動性。

2 單片機綜合設(shè)計的教學(xué)方法

教學(xué)方法的好壞直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。在整個設(shè)計過程中，要最大限度地調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高動手能力。以電子鐘為例，在單片機課程教學(xué)中，應(yīng)科學(xué)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)。

（1）科學(xué)布置實驗任務(wù)。指導(dǎo)老師根據(jù)各組同學(xué)的能力水平下達不同的任務(wù)書。例如，電子鐘的任務(wù)書除了要寫明基本功能為顯示格式時時-分分-秒秒，還要有時間調(diào)整功能，要具有整點報時、鬧鐘等附加功能。顯示可以采用數(shù)碼管，也可以為LCD1602。除了寫明要求之外，老師還要完成以下工作：（i）詳細講解設(shè)計中所用的未學(xué)的電路控制原理及軟件設(shè)計思路，例如，LCD1602如何顯示、單片機控制電路原理；（ii）指導(dǎo)學(xué)生查資料、分析文獻、確定本組設(shè)計方案及選擇元器件。指導(dǎo)老師一般要求每組同學(xué)下載5篇文獻，告訴大家如何進入期刊網(wǎng)下載電子鐘相關(guān)文獻，并教會學(xué)生如何從參考文獻中提取有用信息，從而確定電子鐘的電路設(shè)計方案；（iii）完成實物調(diào)試之后，告知文檔的撰寫格式、最終作品達到的效果及驗收情況。答辯時，每組同學(xué)需要演示制作的電子鐘實物，所有實驗小組均要展示任務(wù)書要求的基本功能，能力強的學(xué)生則可以添加附加功能。根據(jù)演示功能強弱，給出相應(yīng)的答辯成績。

（2）應(yīng)用Proteus軟件先進行仿真。Proteus軟件建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等主流單片機，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到輸入輸出的效果。例如電子鐘設(shè)計通過Proteus軟件畫出電路原理圖，并仿真實現(xiàn)其功能，如圖1所示，按下開始鍵，電子鐘開始工作，1 s到了顯示就加1，按下復(fù)位鍵，顯示又從0開始?；赑roteus軟件，每組同學(xué)可以按照自己的題目要求及確定的方案，先進行電路原理圖的設(shè)計與程序調(diào)試，通過不斷地修改電路與調(diào)試程序，最終仿真實現(xiàn)本組課程設(shè)計的要求和功能。這樣加深了同學(xué)們對硬件電路中器件功能的理解，并且能直觀地顯示結(jié)果，為后續(xù)硬件電路設(shè)計及軟件實現(xiàn)提供理論依據(jù)。

圖1 電子鐘仿真圖（a）初始狀態(tài)和（b）按下開始鍵時的狀態(tài)

（3）焊接硬件電路。電子和自動化專業(yè)的學(xué)生要具有較強的動手能力。為了提高學(xué)生的實際動手能力，單片機課程設(shè)計要求同學(xué)自己焊接電路板，不能采用購買的完整板，即根據(jù)題目要求購買相應(yīng)的散裝元件，如圖2所示。然后根據(jù)電路原理圖進行焊接，如圖3所示。在此過程中，學(xué)生可以認識并掌握相關(guān)元器件的功能，學(xué)會如何布置電路，復(fù)習(xí)常用測量儀器（如萬用表、信號發(fā)生器、示波器等）的功能，并學(xué)會如何排查電路焊接中遇到的問題。這樣就不會出現(xiàn)學(xué)生不認識基本元器件、不清楚電路硬件連接等問題，從而提高了學(xué)生的實際動手與及時處理問題的能力。

圖2 電子鐘散裝元件

（4）編寫、調(diào)試軟件程序。完成硬件電路焊接后，同學(xué)們根據(jù)題目任務(wù)需要完成相應(yīng)的軟件程序的編寫與調(diào)試工作。傳統(tǒng)做法是軟件程序的編寫在課下自由完成，這樣很多同學(xué)存在抄寫行為，甚至一人做了多個題目的程序。為了避免出現(xiàn)這類問題，統(tǒng)一安排學(xué)生到機房編寫、調(diào)試軟件程序，指導(dǎo)老師現(xiàn)場指導(dǎo)，并要求學(xué)生每次都要匯報填寫軟件程序調(diào)試進展情況、出現(xiàn)的問題及解決問題的方法。

（5）撰寫文檔。文檔撰寫是對硬件電路功能原理、程序功能實現(xiàn)及調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題等進行書面總結(jié)，可以提高學(xué)生的理論水平及理解能力。以前很多學(xué)生抄襲別人的論文，出現(xiàn)了文中電路與程序不一致、電路圖出錯及圖標(biāo)不清晰等問題。改革后使用統(tǒng)一的文檔模板，要求學(xué)生書寫文檔時，所有電路原理圖均采用專業(yè)軟件（Proteus或Protel）繪制，表格必須是三線表格，不允許出現(xiàn)不清晰的圖表。

3 單片機綜合設(shè)計的考核方式

考核是檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)效果的一種方式，根據(jù)本課程的設(shè)計要求，其成績評定也作相應(yīng)的改革。其最終成績由答辯（50%）、平時（30%）和文檔（20%）3部分成績組成，每個實驗組中的每位同學(xué)成績可能不相同。3部分成績評定原則如下。

（1）答辯成績。每個實驗組答辯時間為10 min左右，其中，3 min介紹項目功能、設(shè)計思想、方案和實現(xiàn)；2 min實物演示；5 min答疑。在答疑過程中，每位同學(xué)均要參與，且未答出的問題其他同學(xué)可以補充回答。老師根據(jù)實際功能演示、原理介紹和回答問題等情況給出每個學(xué)生的答辯成績。

（2）文檔成績。答辯組老師根據(jù)設(shè)計報告的撰寫水平、文檔的規(guī)范性、電路原理功能及軟件實現(xiàn)思路的介紹，給出文檔成績。

（3）平時成績。指導(dǎo)教師根據(jù)每位學(xué)生在設(shè)計過程中體現(xiàn)的理論知識掌握、查閱資料能力、分析和解決問題的能力、實踐動手能力及主動性給出平時成績。

最后，指導(dǎo)老師根據(jù)以上3類成績按照權(quán)重給出每位同學(xué)的總成績。

4 結(jié)論

綜上所述，本論文分析了本院電子與自動化專業(yè)的單片機課程設(shè)計教學(xué)過程中的不足，在教學(xué)選題的設(shè)計、教學(xué)方法及考核方式等環(huán)節(jié)進行了改革嘗試。通過幾學(xué)期的實施，證明該方法是有效的。研究發(fā)現(xiàn)，大部分同學(xué)能夠理解如何通過單片機進行簡單的控制及設(shè)計，能夠熟練掌握常用的電子元件功能及電路焊接技巧，還有小部分同學(xué)具有一定的軟硬件開發(fā)能力、獨立解決問題的能力和創(chuàng)新能力。