優(yōu)化單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)教學(xué)，提升學(xué)生綜合能力

沙愛軍 郭麗紅

摘要：單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)是一門重要的實(shí)踐課程，牽涉到學(xué)生多個(gè)能力的培養(yǎng)。在相關(guān)理論學(xué)時(shí)縮減的情況下，依然需要提升學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)踐能力，獨(dú)立查閱資料、分析問題、解決問題的能力以及語言表達(dá)和撰寫文檔等能力。為此，需要銜接好相關(guān)的理論課程、優(yōu)選課程設(shè)計(jì)題目，做出精心的組織安排，并對(duì)考核、文檔撰寫等提出要求。結(jié)合我院通信工程專業(yè)的實(shí)際情況，對(duì)如何優(yōu)化單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)，以及在設(shè)計(jì)過程中培養(yǎng)學(xué)生上述各種能力進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì);能力培養(yǎng);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）33-0117-02

新時(shí)代，對(duì)工程技術(shù)人員的工程素養(yǎng)提出了較高的要求，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)是我院繼《單片機(jī)原理及應(yīng)用B》課程之后開設(shè)的一門實(shí)踐性課程，學(xué)生綜合運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)，通過對(duì)一個(gè)小型項(xiàng)目進(jìn)行單片機(jī)軟件、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試，加深對(duì)單片機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理的理解，掌握單片機(jī)小型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法，從而增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、分析解決問題的能力。在此過程中，還可培養(yǎng)學(xué)生查閱科技資料和撰寫科技報(bào)告的能力，訓(xùn)練學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，為未來設(shè)計(jì)大中型系統(tǒng)，以及成為一個(gè)合格的工程復(fù)合人才打下良好的基礎(chǔ)。

1單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)教學(xué)面臨的問題

本院通信專業(yè)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的體系由相關(guān)支撐課程以及48學(xué)時(shí)的理論教學(xué)和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、1周課程設(shè)計(jì)以及大四時(shí)一個(gè)月的綜合性的軟硬結(jié)合的專業(yè)實(shí)訓(xùn)組成。

在實(shí)際教學(xué)中，由于通信技術(shù)日新月異，為了納入一些新技術(shù)，對(duì)一些課程課時(shí)進(jìn)行了調(diào)整，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程由原先的64學(xué)時(shí)壓縮為48學(xué)時(shí)（含8課時(shí)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)），主要講解51單片機(jī)的基本原理，匯編語言編程，C語言編程，5l單片機(jī)的片內(nèi)資源，以及51單片機(jī)的片外接口中的存儲(chǔ)器擴(kuò)展、串并口擴(kuò)展、鍵盤接口、數(shù)碼管接口，其目的主要是用有限的課時(shí)，讓學(xué)生掌握單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的基本原理，以及基本的學(xué)習(xí)方法。而其他的如液晶顯示接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、單總線接口、12C接口、SPI接口等內(nèi)容則留給學(xué)生自學(xué)或者在需要的時(shí)候自己去查閱相關(guān)資料。單片機(jī)原理及應(yīng)用課程內(nèi)容見圖1。

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)要達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生的能力，為學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)大中型單片機(jī)系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)，很顯然如果僅僅按照課堂上所講的內(nèi)容來做課程設(shè)計(jì)，則所做題材的可選余地相對(duì)較少，也不利于拓展學(xué)生的綜合能力，為此，我們需要選擇合適的課程設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，同時(shí)優(yōu)化課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及組織安排。

2優(yōu)化單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及組織安排，提升學(xué)生多方面能力

2.1選擇合適的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)平臺(tái)

本課程設(shè)計(jì)平臺(tái)采用nKDE-51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以方便學(xué)生自由組合，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)行數(shù)十種實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括六個(gè)功能模塊，包含的主要資源有：單片機(jī)、1602字符點(diǎn)陣LCD顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤、紅外接收模塊、繼電器、蜂鳴器、實(shí)時(shí)鐘（RTC）芯片PCF8563、E2PROM存儲(chǔ)器芯片24C16、溫度傳感器芯片DSl8820、串行A/D變換芯片TLCl549、串行D/A變換芯片TLC5619、RS-232串行通信、以太網(wǎng)接口以及其它擴(kuò)展的輸入輸出接口等。該系統(tǒng)能為課程設(shè)計(jì)提供較好的平臺(tái)。

2.2精心選擇課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，將重要內(nèi)容涵蓋其中

為了讓學(xué)生能綜合運(yùn)用各種知識(shí)，同時(shí)，也讓學(xué)生設(shè)計(jì)的系統(tǒng)豐富多彩，和實(shí)際聯(lián)系的更緊密一些，培養(yǎng)學(xué)生帶著解決實(shí)際問題去探索、查閱、解決新的問題的能力，我們適當(dāng)將一些本來由學(xué)生自學(xué)的內(nèi)容引入進(jìn)來，以達(dá)到這方面的目的。

我們精心選擇了一些題目，這些題目的基本內(nèi)容在課堂上已經(jīng)講過，但也會(huì)有一部分片外接口和芯片的內(nèi)容是課堂上未講，要求學(xué)生自學(xué)。由于課程設(shè)計(jì)只有一周時(shí)間，既要注意拓展學(xué)生能力，同時(shí)，又要避免太難打擊學(xué)生積極性，需要控制題目難度：一方面，在每個(gè)題目中只增加一、兩個(gè)相關(guān)的未學(xué)的芯片，另一方面，將題目分為基本功能和擴(kuò)展功能，學(xué)生可以在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上擴(kuò)展功能，學(xué)生還可主動(dòng)思考添加更多的模塊并實(shí)現(xiàn)更多的擴(kuò)展功能，提升能力和成績等級(jí)，這樣既兼顧了基本面，也有利于能力高同學(xué)的突破。

提供的部分題目列舉如下：

1）電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)?；竟δ埽河凶詣?dòng)計(jì)時(shí)功能，能顯示計(jì)時(shí)時(shí)間（數(shù)碼管顯示或1602液晶模塊，有啟動(dòng)鍵、停止鍵和清零鍵，整點(diǎn)報(bào)時(shí)，鬧鐘功能，當(dāng)時(shí)間到時(shí)蜂鳴器提醒。擴(kuò)展功能：通過按鍵/串口設(shè)定時(shí)間，利用模擬12C時(shí)序控制PCF8563時(shí)鐘芯片等來實(shí)現(xiàn)。

2）帶存儲(chǔ)播放功能的簡易電子琴設(shè)計(jì)

基本功能：利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器、行列式鍵盤和數(shù)碼管，來控制并顯示和產(chǎn)生不同頻率的聲音。擴(kuò)展功能：實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和再播放的內(nèi)容等。

3）數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

基本功能：通過單片機(jī)編程，完成通過IO端口模擬總線時(shí)序控制串行了LCl549進(jìn)行A/D變換的程序，同時(shí)顯示實(shí)測電壓值（十進(jìn)制電壓值）（在四位LED數(shù)碼管上或在1602上液晶模塊上顯示）。擴(kuò)展功能：通過軟件設(shè)定閾值/通過按鍵設(shè)定閾值/通過串口設(shè)定報(bào)警閾值，超過規(guī)定電壓值，則報(bào)警（蜂鳴器、LED燈閃爍）。

4）DSl8820數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

基本功能：通過IO端口模擬單總線時(shí)序控制DSl8820，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量，并顯示實(shí)測電壓值（十進(jìn)制電壓值）（在四位LED數(shù)碼管上或在1602上液晶模塊顯示）。擴(kuò)展功能：通過軟件設(shè)定閾值/通過按鍵設(shè)定閾值/通過串口設(shè)定報(bào)警閾值，超過規(guī)定溫度值，則報(bào)警（蜂鳴器、LED燈閃爍）。

其他的題目還包括：低頻信號(hào)源設(shè)計(jì)，編寫單片機(jī)通過10端口模擬總線時(shí)序控制了LC5615進(jìn)行D/A變換，產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波、梯形波和正弦波的程序;IC卡讀寫器設(shè)計(jì)，編寫單片機(jī)通過IO端口模擬12C時(shí)序控制24C16讀寫的程序，通過鍵盤/串口對(duì)24C16E2PROM進(jìn)行模擬充值，通過LED/LCD實(shí)時(shí)顯示卡內(nèi)的實(shí)際金額等。

2.3優(yōu)化組織，注重細(xì)節(jié)，在課程設(shè)計(jì)中提升工程素養(yǎng)

1）編寫好指導(dǎo)書，起到指導(dǎo)示范作用

配合所使用的課程設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，指導(dǎo)書中一方面要對(duì)涉及的相關(guān)芯片的原理、外圍引腳等做合適的介紹，同時(shí)，也可以提供相關(guān)的連線參考、操作步驟以及基本的例程供學(xué)生學(xué)習(xí)、模仿。但也不能面面俱到，要留下余地供學(xué)生自我探索、查閱資料。

2）提前做好選題工作，提升學(xué)生自我認(rèn)知能力

在課程設(shè)計(jì)前的一周甚至更久，將題目和選題要求等發(fā)放給學(xué)生，進(jìn)行選題，一人一題，要求學(xué)生預(yù)先了解相關(guān)課題的要求和所用到的知識(shí)點(diǎn)以及相關(guān)芯片。題目本身難度不同，學(xué)生自身能力也有差距，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力和興趣，選擇不同的題目。同時(shí)，也要避免班級(jí)選擇同一個(gè)題目的人數(shù)過多，影響教學(xué)效果。學(xué)生也可以自己選擇相關(guān)的題目，難度應(yīng)不低于上述課題，并得到指導(dǎo)教師批準(zhǔn)。

3）科學(xué)安排好課程設(shè)計(jì)周的任務(wù)，因材施教，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手，提升學(xué)生實(shí)際能力。

課程設(shè)計(jì)的一周里，是學(xué)生能力提升的重要階段。在這一周里，首先要科學(xué)安排好時(shí)間。

教師用0.5天首先講解相關(guān)的原理以及要求，然后學(xué)生用1天完成課題初步設(shè)計(jì)，確定總體結(jié)構(gòu)和硬、軟件框圖，搭建硬件電路泡括對(duì)新接觸模塊加強(qiáng)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)），優(yōu)化設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)，再用1.5天完成基本功能的編程和調(diào)試，用1.5天完成系統(tǒng)擴(kuò)展功能的編程和調(diào)試以及0.5天進(jìn)行答辯驗(yàn)收。

在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，指導(dǎo)教師每天保證足夠的時(shí)間來指導(dǎo)學(xué)生，回答學(xué)生提出的問題。要鼓勵(lì)學(xué)生將理論和實(shí)踐結(jié)合起來。對(duì)于能力強(qiáng)的同學(xué)，要啟發(fā)其思考，要求其進(jìn)一步加以鉆研，加以創(chuàng)新、改進(jìn)、優(yōu)化、提升系統(tǒng)功能，例如，如何用串口助手來控制單片機(jī)上的多個(gè)設(shè)備，以及如何將單片機(jī)上的多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)給單片機(jī)，再如，若實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量該如何修改設(shè)計(jì)方案等等。對(duì)于能力一般的同學(xué)，則要求其不能滿足于模仿接線和改寫指導(dǎo)書上的例程，要求其掌握基本的原理，腳踏實(shí)地地弄懂硬件連線的原理，進(jìn)行程序的編寫以及弄懂軟硬件協(xié)同工作的過程，避免其濫竽充數(shù)，使得每個(gè)學(xué)生工程能力在其自己的基礎(chǔ)上都有所提升。在答辯驗(yàn)收階段，則讓學(xué)生利用有限的幾分鐘時(shí)間，由學(xué)生自我介紹和提問相結(jié)合，鍛煉其口頭表達(dá)能力。此外還要加強(qiáng)每個(gè)階段的考核。考核成績由考勤占10%，設(shè)計(jì)與調(diào)試占30%，答辯占30%，設(shè)計(jì)報(bào)告占30%等組成，成績按分優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五檔。

3認(rèn)真撰寫報(bào)告，提高學(xué)生文檔撰寫以及表達(dá)能力

在完成課程設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)后，還應(yīng)該撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，報(bào)告撰寫能力是一個(gè)本科大學(xué)生所必備的基本的能力，可以完整描述課程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，也是課程設(shè)計(jì)的總結(jié)和升華，但一些理工科學(xué)生報(bào)告書寫卻不夠如人意。一方面是部分同學(xué)重視不夠，態(tài)度不端正造成的，部分同學(xué)認(rèn)為課程設(shè)計(jì)的主體任務(wù)已經(jīng)完成，相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)掌握，不愿浪費(fèi)較多時(shí)間來撰寫報(bào)告，導(dǎo)致報(bào)告內(nèi)容粗制濫造，格式混亂，錯(cuò)別字較多，語句不通順，甚至將別的地方類似的內(nèi)容直接復(fù)制到自己的報(bào)告中，還有些同學(xué)則是語言表達(dá)能力欠缺：比如詳略不當(dāng)，重點(diǎn)不突出。為了讓學(xué)生的報(bào)告撰寫能力在課程設(shè)計(jì)階段得到訓(xùn)練，我們規(guī)定了設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容應(yīng)包括的內(nèi)容：課題名稱及要求;系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案（畫出系統(tǒng)框圖、方案的論證與比較等內(nèi)容）;系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)（畫出系統(tǒng)的硬件電路接線圖、軟件流程圖）;編程與調(diào)試（源程序及解釋、調(diào)試步驟、遇到的問題及解決方法）;功能展示;設(shè)計(jì)總結(jié)等。其中，要求對(duì)原理、方案和所實(shí)現(xiàn)的過程、特色創(chuàng)新部分要加以重點(diǎn)書寫。同時(shí)還制定了一個(gè)word模板，從摘要、目錄、頁碼、標(biāo)題、正文的字體和段落、圖表、參考文獻(xiàn)、附錄等角度給出了一個(gè)較為規(guī)范的參考，讓學(xué)生能模仿、訓(xùn)練、提高，為未來畢業(yè)論文的撰寫以及走上工作崗位撰寫相關(guān)文檔打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)。

4結(jié)論

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)是一門重要的實(shí)踐課，通過一個(gè)星期的實(shí)踐訓(xùn)練，達(dá)到了如下目的：（1）將理論和實(shí)踐、軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試結(jié)合起來，使學(xué)生學(xué)會(huì)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)小型的單片機(jī)系統(tǒng)，提高了理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題，解決問題的能力，也為未來的更復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了較好的基礎(chǔ);（2）進(jìn)行了研究性和自主性的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)中課題可能涉及部分未學(xué)的知識(shí)，需要學(xué)生有選擇性地學(xué)會(huì)搜集相關(guān)的材料，吃透其中的關(guān)鍵，并運(yùn)用到自己的課題中，極大地提升了學(xué)生們的自主學(xué)習(xí)能力，提高了他們的積極性和成就感;（3）鍛煉了學(xué)生表達(dá)能力和撰寫報(bào)告的能力。驗(yàn)收階段的答辯和撰寫相應(yīng)的總結(jié)報(bào)告，分別從口頭表達(dá)和文字表達(dá)角度鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力，從而提升了學(xué)生的整體工程素養(yǎng)。