機(jī)械類專業(yè)單片機(jī)課程教學(xué)改革與學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)

郭冰菁 趙書尚 韓建海

河南科技大學(xué) 河南洛陽(yáng) 471003

隨著自動(dòng)化水平的提高及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)以其體積小、集成度高、靈活性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、智能控制、通訊傳輸、工況監(jiān)測(cè)與管理等功能。根據(jù)IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”(Devices used to control,monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代，單片機(jī)的出現(xiàn)使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬(wàn)種產(chǎn)品可以通過(guò)內(nèi)嵌電子裝置來(lái)獲得更好的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。迄今為止，51系列單片機(jī)仍然是最為成功的、各種嵌入式芯片中簡(jiǎn)單而典型的一類芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)此芯片原理與接口擴(kuò)展的學(xué)習(xí)，為高級(jí)別芯片(如DSP，ARM等)的學(xué)習(xí)與開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。因此，單片機(jī)原理與接口技術(shù)是各工科院校機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，而且大多數(shù)是考試課，學(xué)好單片機(jī)對(duì)學(xué)生掌握先進(jìn)的專業(yè)技術(shù)知識(shí)、獲得實(shí)用的職業(yè)技能、拓寬自己的就業(yè)面、增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

1 課程教學(xué)的改革

單片機(jī)原理與接口技術(shù)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，只有理論聯(lián)系實(shí)際，采用“由面到點(diǎn)再到面”的基礎(chǔ)與實(shí)例相結(jié)合的教學(xué)方法，配合相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，聯(lián)系后續(xù)課程設(shè)計(jì)，組成興趣小組參加相關(guān)競(jìng)賽或科研項(xiàng)目，因材施教，才能在掌握單片機(jī)技術(shù)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)、分析解決問(wèn)題的能力，并在學(xué)習(xí)中提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。因此該課程應(yīng)強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過(guò)程中，從單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和職業(yè)綜合素質(zhì)作為課程教學(xué)改革的目標(biāo)。

1.1 科學(xué)的教學(xué)體系

改革現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)模式，在課程教學(xué)上以重視基礎(chǔ)理論、強(qiáng)化實(shí)踐、重在應(yīng)用為指導(dǎo)思想，將理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽有機(jī)結(jié)合起來(lái)，組成科學(xué)而有效的課程教學(xué)體系。教學(xué)體系中各環(huán)節(jié)相互支撐，通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)的反饋，調(diào)整理論教學(xué)的內(nèi)容與方法，查漏補(bǔ)缺，適當(dāng)引導(dǎo)。

1.2 采用基礎(chǔ)與實(shí)例相結(jié)合的教學(xué)模式，改革教學(xué)方法

在單片機(jī)課程教學(xué)中，按傳統(tǒng)教學(xué)方法分硬件、軟件、接口三部分講解時(shí)，硬件部分抽象，學(xué)生難以理解；軟件部分需要邏輯思維，同時(shí)其編程直接針對(duì)硬件，與其他語(yǔ)言編程有很大區(qū)別，學(xué)生難以掌握；接口設(shè)計(jì)是軟、硬件的結(jié)合擴(kuò)展，前面知識(shí)沒(méi)有掌握，接口設(shè)計(jì)難以學(xué)會(huì)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法造成該課程教學(xué)效果差，學(xué)生死記硬背應(yīng)付考試，學(xué)完就忘，不會(huì)應(yīng)用?；诙嗄甑慕虒W(xué)經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)單片機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，筆者以實(shí)用性、實(shí)踐性為原則，采用“從面到點(diǎn)再到面”的教學(xué)模式，以實(shí)際典型項(xiàng)目為主線，貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，講解涉及的原理、通用性較強(qiáng)的接口電路及編程，提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用能力。教學(xué)模式的改革如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)與實(shí)例相結(jié)合的教學(xué)模式示意圖

教學(xué)過(guò)程首先從“面”開(kāi)始，介紹單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例，并選擇典型實(shí)例作為課程主線，對(duì)于機(jī)械類專業(yè)，可選用工業(yè)通用測(cè)控系統(tǒng)作為典型實(shí)例。其次，進(jìn)入“點(diǎn)”的學(xué)習(xí)，將該系統(tǒng)分解為5個(gè)模塊：傳感器、數(shù)據(jù)采集、主控單元、人機(jī)交互、控制輸出。針對(duì)每個(gè)模塊，基于單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，完成各個(gè)模塊及模塊接口的設(shè)計(jì)。最后，回到“面”，即結(jié)合其他課程，如測(cè)試技術(shù)、電工電子技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)，將各模塊綜合起來(lái)，構(gòu)成完整的系統(tǒng)。通過(guò)這種“由面到點(diǎn)再到面”的基礎(chǔ)與實(shí)例相結(jié)合的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們了解了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路與過(guò)程，知道了各門課程之間的銜接，真正提高了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和工程素質(zhì)。

1.3 改革考核方法，注重學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)

教學(xué)方法的改革帶來(lái)考核方法的相應(yīng)改革，兩者相得益彰，既達(dá)到教學(xué)目的，也培養(yǎng)了學(xué)生的工程素質(zhì)。因此，考核方法應(yīng)突出課程的工程應(yīng)用性特點(diǎn)。采用筆試、大作業(yè)及實(shí)驗(yàn)三方面考核。筆試成績(jī)占70%，包括基礎(chǔ)理論和綜合提高題目?jī)刹糠?。基礎(chǔ)理論主要對(duì)單片機(jī)基礎(chǔ)硬件知識(shí)、簡(jiǎn)單程序編寫、定時(shí)器與中斷知識(shí)的考核，綜合提高題目是對(duì)接口電路設(shè)計(jì)及配套軟件的考核。大作業(yè)成績(jī)占20%，用大作業(yè)取代各章后面的小習(xí)題，學(xué)生按宿舍分組，便于平時(shí)討論，自己擬題或選擇指定的題目，隨著課堂教學(xué)的深入，逐步完成，每人承擔(dān)題目中的一部分內(nèi)容，不得重復(fù)，最終依據(jù)學(xué)生的完成情況和提交文字報(bào)告等進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)考核占10%，由實(shí)驗(yàn)教師完成，學(xué)生將大作業(yè)的內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試，或自己焊接某一模塊后進(jìn)行調(diào)試，或從做過(guò)的基本實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)抽取一個(gè)考核，主要考核學(xué)生的動(dòng)手能力。

2 單片機(jī)一體化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建立

培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，需要給他們提供一個(gè)良好的平臺(tái)。針對(duì)教材內(nèi)容，本教研室開(kāi)發(fā)并制作了專用的51單片機(jī)一體化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，已投入到教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)中。

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)集成了豐富的硬件資源，采用模塊化設(shè)計(jì)與布局，并且為學(xué)生提供了多種接口，使學(xué)生可以靈活構(gòu)建各種系統(tǒng)方案。模塊包括：CPU核心及I/O接口模塊、復(fù)位電路模塊、電壓基準(zhǔn)源電路、模擬量輸出模塊、串行AD模塊、串行DA模塊、并行AD模塊、并行DA模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、RS232通訊模塊、RS485通訊模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、蜂鳴器模塊、16×16點(diǎn)陣LED模塊、8位數(shù)碼管顯示模塊、LCD模塊、矩陣式鍵盤模塊、PS/2鍵盤接口模塊、獨(dú)立式按鍵模塊、電源模塊、溫度傳感器模塊、紅外收發(fā)模塊、SPI總線串行EEPROM模塊、I2C總線串行EEPROM模塊、串轉(zhuǎn)并模塊、138譯碼模塊、反向電路模塊、頻率發(fā)生模塊、LED指示燈模塊、開(kāi)關(guān)輸入模塊等。并提供小型步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)作為執(zhí)行元件。

由此可見(jiàn)，上述模塊和配件應(yīng)用于機(jī)械類專業(yè)教學(xué)，可以方便地構(gòu)成各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，如，數(shù)據(jù)采集儀、溫度控制器、步進(jìn)電機(jī)控制器、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等，完全與教材及教學(xué)內(nèi)容配套。學(xué)生使用方便、直觀，可以基于此平臺(tái)完成從選題、制定設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試檢測(cè)到編寫文檔資料等開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。通過(guò)這樣的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生掌握了單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的流程和方法。培養(yǎng)學(xué)生具備一定的綜合分析、設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力，并通過(guò)大作業(yè)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力、自我學(xué)習(xí)能力、資料檢索與綜合運(yùn)用能力、協(xié)作能力與創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)改革對(duì)學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)

在目前的教學(xué)改革中，始終堅(jiān)持應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，幫助學(xué)生盡快盡早完成從學(xué)習(xí)者到設(shè)計(jì)者的轉(zhuǎn)變，這是本課程教學(xué)改革的核心思想。

經(jīng)過(guò)近幾年的教學(xué)實(shí)踐，在開(kāi)展單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革后，學(xué)生熟悉了工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)過(guò)程，積極參加“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽以及我校的大學(xué)生訓(xùn)練計(jì)劃競(jìng)賽等，工程素質(zhì)、協(xié)作能力、自我管理能力、工作規(guī)劃和解決問(wèn)題的能力明顯加強(qiáng)，而這些正是學(xué)生在日后職業(yè)生涯中應(yīng)具備的能力。

在今后的教學(xué)過(guò)程中，隨著各個(gè)環(huán)節(jié)教學(xué)效果的反饋和單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們將逐步調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)模式，結(jié)合專業(yè)方向，培養(yǎng)出適合時(shí)代發(fā)展需要的工程實(shí)踐型復(fù)合人才。

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