改革單片機(jī)課程教學(xué) 提升學(xué)生的創(chuàng)新能力

楊為民

[摘 要]單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)本科生的必修課，是學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中，教師可以通過(guò)加強(qiáng)以數(shù)字溫控儀的設(shè)計(jì)過(guò)程為例的智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例的教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生從需求分析出發(fā)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，從而加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，達(dá)到提升學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī)原理及應(yīng)用；智能儀器設(shè)計(jì)；PROTEUS

[中圖分類(lèi)號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）04-0042-02

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)本科生的必修課，是學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。但是目前該課程的教學(xué)中，教師普遍把重點(diǎn)放在單片機(jī)結(jié)構(gòu)、組成、尋址方式、指令系統(tǒng)和接口技術(shù)等內(nèi)容上，知識(shí)點(diǎn)比較分散，對(duì)于知識(shí)的綜合應(yīng)用方面重視不夠。[1]單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也經(jīng)常是通過(guò)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行一些獨(dú)立的接口實(shí)驗(yàn)等，無(wú)法讓學(xué)生掌握一個(gè)完整應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)。因此，學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)中，雖然能理解和掌握課堂上學(xué)習(xí)的知識(shí)，但是難以做到將這些知識(shí)靈活應(yīng)用，創(chuàng)新能力不足。基于以上問(wèn)題，本文提出在單片機(jī)原理與應(yīng)用教學(xué)中，增加智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從需求出發(fā)，通過(guò)分析和解決問(wèn)題，完成智能儀器的硬件、軟件設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和步驟，鍛煉專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，提高學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新能力。

一、課堂教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中，部分教學(xué)內(nèi)容比較陳舊，跟不上單片機(jī)極其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。[2]為了在課程總學(xué)時(shí)不增加的前提下加強(qiáng)智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例教學(xué)，并強(qiáng)調(diào)對(duì)單片機(jī)應(yīng)用基本概念的學(xué)習(xí)，達(dá)到以MCS51單片機(jī)為基礎(chǔ)，能夠觸類(lèi)旁通的教學(xué)目的，筆者在課程中壓縮了原來(lái)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程中一些已不常用的接口芯片（如8155、8253、8255、8279等芯片）和一些不易推廣到其他單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的技術(shù)（如MCS-51單片機(jī)串口利用第9位數(shù)據(jù)的多機(jī)通信方式）的教學(xué)課時(shí)，增加了目前廣泛應(yīng)用的SPI、I2C接口及其應(yīng)用等內(nèi)容。同時(shí)增加了以數(shù)字溫控儀為例的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，在智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例教學(xué)中，以產(chǎn)品需求分析出發(fā)，根據(jù)主要功能要求和技術(shù)指標(biāo)分析需要解決的主要技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)而確定智能儀器的技術(shù)方案，并在Proteus仿真環(huán)境下完成智能儀器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，從而提高學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新能力。

二、智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例的選取

智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例教學(xué)需要一個(gè)具體的以單片機(jī)為核心的儀器作為設(shè)計(jì)背景。該儀器應(yīng)該與本專(zhuān)業(yè)密切相關(guān)，并且在設(shè)計(jì)方案中用到盡量多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以便鍛煉學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，但是該儀器的設(shè)計(jì)方案不能過(guò)于復(fù)雜，以避免教學(xué)難度過(guò)大。經(jīng)過(guò)認(rèn)真篩選，本文選擇了以電阻爐為被控對(duì)象的數(shù)字溫控儀的設(shè)計(jì)作為智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例。溫度控制系統(tǒng)如圖1所示，溫度檢測(cè)范圍為0～1300℃，采用K型熱電偶測(cè)溫，采用NTC熱敏電阻測(cè)量冷端溫度，通過(guò)軟件對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償；采用固態(tài)繼電器控制加熱電功率對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行閉環(huán)控制。

數(shù)字溫控儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，包括模擬量輸入輸出通道、數(shù)字量輸入輸出通道、顯示可鍵盤(pán)接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、通信接口電路和電源電路等模塊，涵蓋了單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的大部分知識(shí)點(diǎn)。

三、從需求分析出發(fā)的智能儀器設(shè)計(jì)理念

在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)了很多成熟的測(cè)控電子電路知識(shí)，比如放大器電路、開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路等。但是對(duì)于在不同應(yīng)用背景下如何選擇最合適的技術(shù)方案、電路中的參數(shù)如何確定、電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在什么樣的問(wèn)題等理解并不到位?？荚囍幸惨詫?duì)問(wèn)題解答是否符合標(biāo)準(zhǔn)答案為評(píng)分依據(jù)，以至于當(dāng)面對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，學(xué)生不懂得如何靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決新的問(wèn)題。

而實(shí)際的智能儀器設(shè)計(jì)過(guò)程是從需求出發(fā)，設(shè)計(jì)方案來(lái)滿(mǎn)足需求的過(guò)程。比如數(shù)字溫控儀需求分析由于應(yīng)用的對(duì)象不同，其控溫范圍、控制精度、系統(tǒng)可靠性和成本等指標(biāo)也不相同。采用的傳感器、控制元件和控制系統(tǒng)方案也有很大的差別。所以，為了進(jìn)行數(shù)字溫控儀方案的設(shè)計(jì)，必須明確其應(yīng)用的場(chǎng)合，進(jìn)而確定其各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。在需求分析的基礎(chǔ)上提出需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，選擇解決問(wèn)題的技術(shù)方案，進(jìn)而完成溫控儀的設(shè)計(jì)。

在教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)智能儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程要從需求分析出發(fā)，設(shè)計(jì)方案要滿(mǎn)足需求的各項(xiàng)指標(biāo)，明確所采用的技術(shù)方案的意義。從講解電子電路原理與功能的傳統(tǒng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)需求設(shè)計(jì)電子電路的創(chuàng)新思維模式；建立同樣的問(wèn)題可以有不同的技術(shù)解決方案，各種技術(shù)方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有唯一正確的標(biāo)準(zhǔn)答案這一重要概念；從而將知識(shí)的被動(dòng)接受過(guò)程變?yōu)橹鲃?dòng)思考過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

四、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力培養(yǎng)

在需求分析的基礎(chǔ)上，提出為了滿(mǎn)足需求必須解決的問(wèn)題。例如：在模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)上，根據(jù)檢測(cè)溫度范圍合理選擇傳感器，根據(jù)所選的傳感器類(lèi)型以及AD轉(zhuǎn)換器的量程提出對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的功能及技術(shù)指標(biāo)要求，再設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足要求的信號(hào)調(diào)理電路，確定電路中元件和參數(shù)；在AD轉(zhuǎn)換器的選取上，考慮測(cè)量精度的要求，并綜合考慮產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)、單片機(jī)IO口資源分配等問(wèn)題，根據(jù)分辨率、AD轉(zhuǎn)換速度、數(shù)字接口方式等指標(biāo)選擇合適的AD轉(zhuǎn)換器芯片；在顯示電路設(shè)計(jì)上，根據(jù)不同的產(chǎn)品定位要求及工作環(huán)境要求，可以選擇點(diǎn)陣LCD顯示屏、LED數(shù)碼管顯示等技術(shù)方案。

解決同一問(wèn)題的技術(shù)方案可以有多個(gè)，要求學(xué)生能夠分析各種技術(shù)方案的特點(diǎn)，比較不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。從需求分析出發(fā)，提出需要解決的問(wèn)題以及需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并確定合理的技術(shù)方案。這一過(guò)程符合實(shí)際智能儀器產(chǎn)品研發(fā)的規(guī)律，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有更深入的理解的同時(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)其提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

五、智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例教學(xué)方法

智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例的教學(xué)，由于涉及基礎(chǔ)知識(shí)范圍較廣，對(duì)學(xué)生電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)的理解能力要求較高，僅靠教師在課堂上講解，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大，所以要采用一定的EDA工具軟件，通過(guò)課堂講解和課后練習(xí)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中使用EDA軟件完成智能儀器的軟硬件設(shè)計(jì)和運(yùn)行，這樣才能使學(xué)生真正體會(huì)到設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種問(wèn)題并對(duì)技術(shù)方案有更深的理解。

Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司開(kāi)發(fā)的EDA軟件，是目前較先進(jìn)的電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)交互仿真、PCB設(shè)計(jì)的平臺(tái)。它真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從電路原理圖設(shè)計(jì)、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證到形成PCB制板圖的完整仿真設(shè)計(jì)過(guò)程。[3]在教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生應(yīng)用Proteus軟件按照課堂教學(xué)的進(jìn)度同步完成硬件原理圖的設(shè)計(jì)和軟件的編程，并進(jìn)行仿真運(yùn)行。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)不同的需求，對(duì)課堂上教師講授的硬件電路和軟件模塊進(jìn)行修改，以完成不同的功能，從而提高學(xué)生對(duì)課題知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

六、結(jié)語(yǔ)

在單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)中，教師可引入智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生從需求分析出發(fā)，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的科研方法，做到理論聯(lián)系實(shí)際，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握。在教學(xué)中采用Proteus軟件，將課堂教學(xué)與硬件、軟件設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合，可以提高學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 曹建樹(shù)，代峰燕，俞建榮，李明利.應(yīng)用型工科院校單片機(jī)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（3）.

[2] 李雪，袁新芳，蔣榮，熊建橋.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)改革探索[J].科技視界，2015（36）.

[3] 袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲，張瑩.基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007（12）.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]