卓越工程師計劃下的微機原理課程教學(xué)設(shè)計

許雪林　張國安　陳敏　陳樂

摘要：針對卓越工程師計劃下培養(yǎng)創(chuàng)新能力強，適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高素質(zhì)、高質(zhì)量工程技術(shù)人才的教學(xué)研究方向和要求，提出微機原理教學(xué)改革方案，闡述方案的設(shè)計與實施，即微機原理課程教學(xué)圍繞一個簡單的項目設(shè)計展開，教學(xué)過程使用自主研發(fā)的硬件實驗平臺和軟件架構(gòu)，課程設(shè)計以項目實例設(shè)計和實施，從而提高學(xué)生的創(chuàng)造能力、開發(fā)能力、獨立分析和解決問題能力以及協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：卓越工程師計劃；微機原理課程；項目設(shè)計；合作學(xué)習(xí)

1、卓越工程師計劃下的微機原理課程教學(xué)研究方向和要求

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱卓越工程師計劃）的目的是培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和實行人才強國戰(zhàn)略服務(wù)。2010年福建工程學(xué)院人選首批卓越工程師計劃試點高校名單。

學(xué)校入選后，為卓越工程師計劃制定了相應(yīng)專業(yè)的培養(yǎng)計劃，包含學(xué)校培養(yǎng)標準、企業(yè)學(xué)習(xí)階段培養(yǎng)方案等，這些計劃都在穩(wěn)步實施過程中。學(xué)校卓越工程師計劃的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和通信工程專業(yè)培養(yǎng)實施方案中，包含了技術(shù)知識和推理能力、個人職業(yè)技能和職業(yè)道德、團隊協(xié)作和交流技能、企業(yè)和社會綜合運用等能力培養(yǎng)。實施方案的目的是希望學(xué)生能夠在畢業(yè)后順利融入企業(yè)，為企業(yè)培養(yǎng)合格的人才。

卓越工程師計劃下，微機原理課程的改革方向是致力于培養(yǎng)學(xué)生在微機系統(tǒng)實時控制等領(lǐng)域中的創(chuàng)造能力、開發(fā)能力、獨立分析問題和解決問題的能力以及協(xié)作能力，提高學(xué)生在微機系統(tǒng)工程領(lǐng)域中的綜合素質(zhì)。

2、微機原理課程教學(xué)改革方案的提出

在卓越工程師背景下，為了保證教學(xué)和企業(yè)更好地接軌，達到卓越工程師計劃下的微機原理課程教學(xué)研究方向和要求，我們提出以項目開展的微機原理教學(xué)改革方案。以項目開展教學(xué)的方案需要具備一定條件，如實驗平臺開發(fā)、企業(yè)方案文檔和具有工程實踐經(jīng)驗的教學(xué)人員等。只有滿足這些條件后，才能較好地開展以項目為基礎(chǔ)的微機原理課程教學(xué)改革。

微機原理課程是福建工程學(xué)院的精品課程，經(jīng)過多年的積累，其教學(xué)團隊已具有豐富的工程實踐經(jīng)驗并自行研發(fā)了微機原理的實驗平臺。這些都為實施以項目為基礎(chǔ)開展教學(xué)的方案打下基礎(chǔ)。以項目開展的微機原理教學(xué)改革方案主要包含以下幾個方面的內(nèi)容。

1）整個微機原理課程的課堂教授和實驗以一個項目的設(shè)計為主線。

課堂教學(xué)所選擇的項目不能太難，需要考慮學(xué)生整體的接受能力。項目內(nèi)容需要涵蓋微機原理整個課程的知識點，需要針對該項目開發(fā)相應(yīng)的硬件實驗平臺和軟件框架。硬件實驗平臺涉及的內(nèi)容必須考慮整體學(xué)生的操作能力。軟件框架要考慮工程性，要容易閱讀且便于二次開發(fā)，因此軟件框架采用了模塊化設(shè)計。開發(fā)語言的選取要考慮能夠和硬件緊密結(jié)合的匯編語言，并通過引導(dǎo)幫助學(xué)生理解使用匯編語言的優(yōu)越性。

2）微機原理課程設(shè)計以項目方案形式開展。

微機原理的課堂教學(xué)結(jié)束后，教師會安排一次課程設(shè)計實訓(xùn)。在課程設(shè)計過程中，設(shè)計的項目均模仿現(xiàn)實小家電產(chǎn)品。學(xué)生在現(xiàn)有的實驗平臺和軟件架構(gòu)上進行產(chǎn)品開發(fā)，也可以在課堂項目上進行二次開發(fā)。課程設(shè)計中模仿企業(yè)要求，項目開發(fā)從需求分析開始，然后是硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，最后是操作手冊的書寫。整個過程均需用文檔記錄下來。

3）學(xué)生以合作小組形式開展學(xué)習(xí)和設(shè)計。

在教學(xué)手段上，我們還采用合作小組的形式。在企業(yè)中，團隊合作能力是工程師必須具備的一種能力，因此在教學(xué)中，學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)和程序設(shè)計也采用小組形式。課堂學(xué)習(xí)時，通過以強帶弱的方式提高學(xué)生的整體知識水平，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的責任心。課程設(shè)計時，模擬企業(yè)團隊合作的方式將學(xué)生組成小組進行產(chǎn)品設(shè)計。

這樣通過項目帶動、團隊合作的方案，我們培養(yǎng)出符合卓越工程師計劃的具有綜合工程實踐能力的微機控制人才。

3、方案的實施

以項目開展的微機原理教學(xué)改革方案具體實施內(nèi)容包括以下幾個方面。

1）課堂授課融合項目的實施過程。

微機原理授課內(nèi)容采用5l單片機，需要教授的51單片機知識點有內(nèi)存結(jié)構(gòu)、I/0接口、外部中斷、定時中斷和串行中斷等。為了讓所有學(xué)生都能在順利掌握微機原理課程知識點的同時具備一定的動手能力，我們在課程內(nèi)容上進行改革。首先，課程團隊自行開發(fā)了一個硬件實驗平臺，配備了最基本的實驗電路如數(shù)碼管、矩陣按鍵、DA/AD轉(zhuǎn)換等，能夠涵蓋51單片機中的最基本內(nèi)容。相應(yīng)實驗平臺的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其次，在軟件設(shè)計上進行模塊化搭建。在實驗平臺提供基本硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計一個小項目多功能時鐘實例，包含顯示、調(diào)校、鍵盤、AD轉(zhuǎn)換等功能，每個功能均采用模塊化設(shè)計。同時，為了配合51芯片結(jié)構(gòu)的描述，我們采用匯編語言增強學(xué)生對硬件底層結(jié)構(gòu)的理解。最后，將該實例中的功能進行拆分并融合到教學(xué)內(nèi)容中進行講解。項目軟件主流程如圖2所示，實例模塊和課程知識點的對照見表1。通過這樣的方式，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步融入到工程設(shè)計的理念中，讓理論和實踐緊密結(jié)合。

在實驗方面，同樣圍繞多功能時鐘展開。這里多強調(diào)工程實踐性，如按鍵抖動的軟硬件處理、復(fù)位時間、實時時鐘的精確時間處理等。例如，在自行開發(fā)的實驗平臺上設(shè)置點觸式按鍵進行外部中斷調(diào)校時，由于沒有采用硬件消抖，導(dǎo)致學(xué)生在設(shè)計過程中使用中斷服務(wù)程序中的軟件延時進行按鍵消抖。教師結(jié)合學(xué)生的設(shè)計思路并對其進行分析，引出中斷的目的是提高CPU效率，而采用在中斷服務(wù)程序中加延時的方法明顯降低了CPU的效率；還有復(fù)位延時的處理，讓學(xué)生明白一個電路整體復(fù)位成功是指整個電路復(fù)位就緒，而不單指MCU復(fù)位就緒。一個個的實驗分析，讓學(xué)生把握了軟硬件消抖的工程使用場合。實驗內(nèi)容設(shè)置見表2。

課程教學(xué)中利用Proteus進行仿真，從而提高學(xué)生的理解水平，提供原理圖讓學(xué)生做實驗預(yù)習(xí)時先進行仿真預(yù)測，然后進行上機實踐。通過預(yù)測和實測的對比，學(xué)生能更加理解工程實踐的含義。endprint

除了期末考試外，還實行實驗考核，主要針對開展的實驗和小項目的軟硬件設(shè)計進行考核，其中包含很多基礎(chǔ)知識的考核，如譯碼電路的識別、軟件模塊的閱讀等內(nèi)容。實驗考核將記錄到個人平時考核成績中。通過實驗考核，教師能夠清楚地了解學(xué)生對整個課程實踐的掌握程度，為后續(xù)的課程設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2）合作小組教學(xué)手段的實施。

在教學(xué)手段上，模擬企業(yè)小組項目開發(fā)模式，將學(xué)生分組，同時也模擬開發(fā)團隊的項目階段總結(jié)方式對每節(jié)課進行課程總結(jié)。小組成員在課堂學(xué)習(xí)中都有自己的任務(wù)，完成任務(wù)的情況將記錄到個人平時考核成績中。小組成員在開始組隊時自愿申請，同時為了鼓勵能力強的學(xué)生帶隊，我們規(guī)定只有組長才有評優(yōu)的權(quán)利，這樣可以激發(fā)能力強學(xué)生的積極性。組長在課程學(xué)習(xí)過程中的責任和義務(wù)是督促和幫助小組成員。小組成員必須獨立或在組長的幫助下完成每節(jié)課的總結(jié)和思考題。組長通常固定不變，小組成員的角色輪換扮演。課程學(xué)習(xí)小組成員角色任務(wù)模型如圖3所示。

在學(xué)習(xí)過程中，教師通過觀察可以將小組進行拆分并重新分組，很好地防止了互助流于形式的情況。穩(wěn)固的三角關(guān)系既帶動能力弱學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又鍛煉能力強學(xué)生的溝通交流能力，提高了成績的公平性，最重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的團隊責任心，為學(xué)生畢業(yè)后進入企業(yè)更好地進行團隊協(xié)作和交流打下基礎(chǔ)。

3）以產(chǎn)品開發(fā)過程開展課程設(shè)計。

微機原理課程設(shè)計主要以小組形式開展項目設(shè)計。項目可以由小組成員根據(jù)生活中的小家電產(chǎn)品（如熱水器的控制器、門禁、保險箱等）提出產(chǎn)品方案，經(jīng)教師審核通過后進行項目設(shè)計。這樣，不同的小組可以根據(jù)自身的能力和興趣進行項目開發(fā)，即使是能力較弱的小組也可以在教學(xué)原有項目的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，從而全面提高學(xué)生的軟硬件動手水平，保證讓每一個學(xué)生都參與設(shè)計，提高了學(xué)生的自信心，從而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。設(shè)計過程中，模擬企業(yè)項目要求實施，如需求分析、方案選擇、功能模塊的劃分乃至設(shè)計過程中變量的命名規(guī)則，同時小組要明確分工，每天進行文檔總結(jié)。最后進行課程設(shè)計答辯，可以按小組進行，課程設(shè)計成績先由小組組長根據(jù)小組成員的表現(xiàn)給出小組成員的個人成績，再結(jié)合答辯成績進行綜合評定，項目中所寫的需求分析報告、設(shè)計文檔、總結(jié)文檔以及考勤等均可作為綜合評定的依據(jù)。

通過課程設(shè)計的鍛煉，學(xué)生既掌握了生活中小家電產(chǎn)品的設(shè)計過程，又提高了動手能力和團隊協(xié)作溝通能力。這些能力的培養(yǎng)均符合卓越工程師計劃的要求。

4、結(jié)語

學(xué)校加入卓越工程師計劃后，微機原理課程的上述改革方案在通信專業(yè)、電子技術(shù)專業(yè)和計算機專業(yè)中實施開展，一直得到學(xué)生的好評，畢業(yè)生的動手能力也得到了企業(yè)認可。下一步我們的工作是要對實驗平臺進行擴展，如增加無線通信等，讓學(xué)生在課程設(shè)計中能夠得到更好的拓展和鍛煉，同時更加貼切實際生活產(chǎn)品的設(shè)計。endprint