結(jié)合學(xué)科競賽進(jìn)行單片機(jī)課程改革

吳定會， 張秀麗

（1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息化中心，江蘇 無錫 214121）

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，國內(nèi)外各大IT公司紛紛投入巨資加快嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)，由此導(dǎo)致了單片機(jī)人才的需求猛增。學(xué)校的單片機(jī)課程具有入門簡單、靈活多變、綜合性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在學(xué)生就業(yè)和職業(yè)生涯發(fā)展中起到了不可忽視的作用。

全國大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程的實(shí)踐活動(dòng)［1］。飛思卡爾智能車競賽極大地促進(jìn)了高校自動(dòng)化類課程的建設(shè)。在該項(xiàng)競賽的引導(dǎo)下，江南大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)不斷優(yōu)化培養(yǎng)計(jì)劃，引進(jìn)新技術(shù)，進(jìn)行專業(yè)課程教學(xué)改革。飛思卡爾智能車競賽牽涉到控制、數(shù)據(jù)采集和信號的處理，在實(shí)際制作時(shí)牽涉單片機(jī)的知識，學(xué)生只有在熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，才能完整地制作出軟硬一體的智能車，綜合應(yīng)用所學(xué)的電子知識。結(jié)合智能車競賽的單片機(jī)教程，在我院的教改中成效顯著，對學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提升起到了關(guān)鍵的作用。

1 現(xiàn)有單片機(jī)課程教學(xué)模式分析

1.1 理論課時(shí)多且重復(fù)率高

目前大部分高校的單片機(jī)教學(xué)模式是先原理后設(shè)計(jì)、先理論后實(shí)驗(yàn)。在教室進(jìn)行理論教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在不同時(shí)間、不同空間完成各自的教學(xué)內(nèi)容，且課堂教學(xué)占主導(dǎo)地位［2］。這種模式將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)隔離，致使抽象的知識不能及時(shí)消化吸收，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心。自動(dòng)化專業(yè)單片機(jī)系統(tǒng)課程群主要有微機(jī)原理與接口技術(shù)（40學(xué)時(shí)）、單片機(jī)原理及應(yīng)用（48學(xué)時(shí)）、DSP原理及應(yīng)用（40學(xué)時(shí)）、嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用（40學(xué)時(shí)），課程零散，無系統(tǒng)性，教學(xué)中未能發(fā)揮各課程間的協(xié)調(diào)優(yōu)勢。這個(gè)課程群中理論學(xué)時(shí)占比重過大，課程重復(fù)率高，微機(jī)原理與接口技術(shù)對8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)介紹，并講授了匯編語言；嵌入式原理及應(yīng)用也是講解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)以及基于51的匯編語言；同樣的DSP和嵌入式系統(tǒng)也是講解各自微處理器的原理和匯編語言，這樣重復(fù)的講解硬件結(jié)構(gòu)及匯編指令，內(nèi)容相似，學(xué)生聽課興趣降低，授課效果差。

1.2 缺乏偏硬件的實(shí)踐環(huán)節(jié)

學(xué)校由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不完善、師資有限等原因，在實(shí)踐教學(xué)中往往只是簡單進(jìn)行軟件編程訓(xùn)練，而對于硬件設(shè)計(jì)訓(xùn)練則偏少，甚至沒有。在單片機(jī)教學(xué)中，往往是講了指令系統(tǒng)后，才安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是實(shí)驗(yàn)室基本上都是采用實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱上已經(jīng)把各個(gè)典型的模塊固化，學(xué)生實(shí)踐的時(shí)候只需要連上導(dǎo)線，按照說明書上的步驟，就可以寫程序、編譯、下載和觀察結(jié)果。學(xué)生雖然對整個(gè)流程很熟悉，但是卻缺乏對實(shí)驗(yàn)原理的思考。這種現(xiàn)象的本質(zhì)是實(shí)驗(yàn)箱硬件部分固定、程序固定，學(xué)生相互之間抄襲嚴(yán)重，以至于一個(gè)學(xué)期的課程結(jié)束后，大部分人還是沒有掌握單片機(jī)的原理。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一與社會需求脫節(jié)

現(xiàn)在單片機(jī)課程所配備的實(shí)驗(yàn)器材均是多年沒有更新，而且學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所給定的步驟一步步驗(yàn)證，沒有自主發(fā)揮的空間。這使得學(xué)生所學(xué)與工業(yè)界所需越來越遠(yuǎn)?，F(xiàn)在社會所需是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的第一實(shí)踐方向，就是要實(shí)現(xiàn)各類傳感器設(shè)備的互聯(lián)互通，形成智能化功能的網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還停留在流水燈、數(shù)碼管、液晶屏等等，完全沒有體現(xiàn)出機(jī)電一體化和工業(yè)信息化的趨勢，沒有緊跟時(shí)代潮流。

對于單片機(jī)這門比較抽象和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程來說，若不能在講授理論課的同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)，并馬上把抽象的理論與實(shí)際聯(lián)系起來，就難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.4 課程考核內(nèi)容單一

在考核形式上，只進(jìn)行筆試，考核書本上的理論知識，學(xué)生也只是死記硬背，沒有達(dá)到掌握嵌入式課程的學(xué)習(xí)目的［3］。對于學(xué)生應(yīng)該結(jié)合課程學(xué)習(xí)、專業(yè)特點(diǎn)、時(shí)間安排和興趣愛好提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)方案或設(shè)計(jì)構(gòu)想，并在一個(gè)較寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和靈活的選擇時(shí)間內(nèi)完成。出于課時(shí)緊張的原因，教師也沒有積極鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出自己的實(shí)驗(yàn)思路和構(gòu)思，降低平時(shí)成績的占比，單片機(jī)課程的最終成績大部分來自最后筆試成績。因此學(xué)生更不愿把時(shí)間放在實(shí)踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致惡性循環(huán)。

2 采用競教結(jié)合模式的課程改革方案

2.1 優(yōu)化課程群體系，整合課程群教學(xué)內(nèi)容

微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用、單片機(jī)原理及應(yīng)用、DSP原理及應(yīng)用、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用這幾門課程需要進(jìn)行梳理，整合各課程的教學(xué)大綱和教學(xué)任務(wù)，建成以“單片機(jī)系統(tǒng)”校級精品課程為主線、構(gòu)建統(tǒng)一課程多媒體課件和網(wǎng)站、實(shí)現(xiàn)課程群有機(jī)結(jié)合的單片機(jī)系統(tǒng)教學(xué)平臺。主要思路如圖1所示：

圖1 改進(jìn)后的課程教學(xué)模式

單片機(jī)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用按照所使用處理器的不同可分為：單片機(jī)微處理器系統(tǒng)、嵌入式微控制器系統(tǒng)、嵌入式DSP處理器系統(tǒng)、嵌入式片上系統(tǒng)，因此單片機(jī)系統(tǒng)課程群即以核心部件技術(shù)為中心，以MCU、EDA、DSP、MPU等單片機(jī)相關(guān)技術(shù)的掌握和應(yīng)用為目標(biāo)，最后圍繞單片機(jī)課程群及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系中所設(shè)置的許多專業(yè)基礎(chǔ)課，建立一個(gè)單片機(jī)方向的課程體系。

2.2 建立“以競促教、競教結(jié)合”的教學(xué)平臺

飛思卡爾杯智能車競賽是以競速為基本的競賽形式，輔助以創(chuàng)意賽和技術(shù)方案賽等多種形式，最終制作一部能夠自主識別道路的模型汽車，按照指定路線行進(jìn)，并符合預(yù)先公布的其他規(guī)則，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。智能車競賽包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié)、要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)、協(xié)同工作，能夠初步體會一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目及設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程。這個(gè)競賽融合科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋了自動(dòng)控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。

學(xué)校將學(xué)科競賽納入實(shí)踐課程體系之中，學(xué)生自愿報(bào)名參加，學(xué)生完成規(guī)定的任務(wù)后可獲得相應(yīng)的學(xué)分［4］。首先，智能車競賽只提供基本的車模，所有硬件電路都需要自己制作完成，學(xué)生為了能參加比賽，必須設(shè)計(jì)自己的原理圖，并針對自己的硬件設(shè)計(jì)對應(yīng)的嵌入式軟件。由于不同組別機(jī)械完全不一樣，學(xué)生相互之間沒有任何參考，所有過程必須獨(dú)立完成。競賽的苛刻條件大大提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，提高了課程的完整性，使學(xué)生能夠真正掌握嵌入式技術(shù)。智能車競賽是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的競賽，涉及的專業(yè)知識面很寬，需要三個(gè)參賽人員共同配合，每個(gè)人對自己的職責(zé)負(fù)責(zé)，同時(shí)又要協(xié)助隊(duì)友完成整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)，提高小車的性能和車速。這培養(yǎng)了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)配合能力，使其在就業(yè)之后能夠很快融入企業(yè)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)。最后，學(xué)校應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參加以飛思卡爾智能車競賽為代表的學(xué)科競賽，對獲獎(jiǎng)的學(xué)生給予優(yōu)秀畢業(yè)生和免試研究生的資格，從制度上吸引學(xué)生參與到單片機(jī)課程學(xué)習(xí)中，而不是簡單地應(yīng)付考試。

2.3 考試模式改革

在考核方法上應(yīng)該改變傳統(tǒng)應(yīng)試教育的方式，采取筆試和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法，對未完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生不允許參加考試。為了提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，應(yīng)該大幅提高平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)成績的占比，學(xué)生筆試占總成績的40%，實(shí)驗(yàn)室成績占總成績的40%，平時(shí)成績占總成績的20%。對于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目己艘屿`活，更加人性化，學(xué)生必須三人一個(gè)團(tuán)隊(duì)自由組隊(duì)，根據(jù)自己的興趣選擇相應(yīng)的課題。每個(gè)課題有若干個(gè)相應(yīng)的考核點(diǎn)，比如altium designer軟件使用的熟練程度，原理圖繪制的標(biāo)準(zhǔn)，PCB制版是否考慮電磁兼容，布局是否合理，所編寫的單片機(jī)程序是否達(dá)到了基本功能。每個(gè)課題均不一樣，防止學(xué)生偷懶出現(xiàn)相互之間抄襲的情況，參與學(xué)生只要成功實(shí)現(xiàn)基本功能就能獲得不錯(cuò)的成績，獲得相應(yīng)的學(xué)分。

2.4 結(jié)合工程教育模式推動(dòng)校企合作的教學(xué)方式

工程教育最早由美國麻省理工、瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)提出并實(shí)施，其核心是以產(chǎn)品生命周期上的四個(gè)環(huán)節(jié)——構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行代表四個(gè)教育和實(shí)踐環(huán)節(jié)，將學(xué)生培養(yǎng)成工程人才，而培養(yǎng)工程人才的定位最終要落實(shí)到培養(yǎng)過程之中，為此要做好實(shí)踐教學(xué)、能力培養(yǎng)、產(chǎn)學(xué)合作、創(chuàng)新教育和特色發(fā)展五個(gè)方面的工作。

為了確保學(xué)生所學(xué)能夠跟上社會潮流所需，需要成立校企合作技術(shù)研究小組。根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容廣泛、課時(shí)少、工程性強(qiáng)的特點(diǎn)，理論教學(xué)采用對基本理論、知識點(diǎn)進(jìn)行精講，對大信息量采用講座式多媒體教學(xué)方法，讓企業(yè)參與學(xué)生技術(shù)研究小組，企業(yè)可以為學(xué)校競賽提供開發(fā)平臺，為學(xué)生提供實(shí)習(xí)機(jī)會，而學(xué)?？梢詾槠髽I(yè)輸送單片機(jī)系統(tǒng)方面的人才。在課程考核的實(shí)踐環(huán)節(jié)，由企業(yè)給出課題，讓學(xué)生所經(jīng)歷的項(xiàng)目真正是企業(yè)所需。

3 結(jié)語

在飛思卡爾競賽的推動(dòng)作用下，各種教改方法在單片機(jī)課程中靈活運(yùn)用，極為有效地提高了教學(xué)效果。改進(jìn)的教學(xué)模式適當(dāng)?shù)販p少了理論課時(shí)數(shù)，重復(fù)的課程得以減少，大大提高了實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)。從對兩屆學(xué)生的教學(xué)效果來看，學(xué)生的動(dòng)手能力得到了大幅的提高，競教結(jié)合的方式讓我校學(xué)生在飛思卡爾智能車競賽、全國大學(xué)生機(jī)器人競賽及大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等競賽中屢獲佳績，獲獎(jiǎng)率逐年提高。學(xué)生通過新的課程開闊了視野，改進(jìn)是合理、成功的，符合新時(shí)期培養(yǎng)工程人才的需求。

［1］張曉冬，蘇玉玲，李繼光，等.以智能車競賽為依托提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力探索［J］.職業(yè)教育研究，2014（1）：125-127.

［2］吳愛萍，盛黨紅.應(yīng)用型本科院校單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教改探索［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2010（11）：69-70.

［3］譚明.高校綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的研究［J］.湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（12）：140-141.

［4］張小崗，秦玉軍.研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)及實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011，14（1）：37-39.