“汽車單片機及局域網(wǎng)”課程鏈教學實踐研究*

馬 錚 龔福明

(武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065)

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化的發(fā)展，“汽車單片機及局域網(wǎng)”已經(jīng)成為汽車智能技術(shù)專業(yè)核心課[1]。該課程包含汽車單片機以及汽車局域網(wǎng)兩大部分[2]。前者要求學生掌握單片機的工作原理及系統(tǒng)設(shè)計，融合了模擬電路、數(shù)字電路等硬件知識以及C語言、匯編語言等軟件知識，內(nèi)容瑣碎且較為復雜；后者主要要求學生掌握汽車總線工作原理，內(nèi)容相對抽象。

現(xiàn)有專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)中，通常采用先專業(yè)基礎(chǔ)課(“汽車電工電子基礎(chǔ)”“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”“C語言程序設(shè)計”)，后專業(yè)核心課(“汽車單片機及局域網(wǎng)”)，課程教學內(nèi)容間既密切相關(guān)，又有鮮明的層次化特點，具有遞進式的“鏈式”關(guān)系[3]。但在實際教學過程中發(fā)現(xiàn)，該課程鏈之間存在銜接不緊密，教學內(nèi)容相對獨立，實踐內(nèi)容綜合性不強等問題，導致學生缺乏系統(tǒng)性的學科理念。針對此類具體的問題，目前國內(nèi)還沒有系統(tǒng)性的深入研究，只是針對“汽車單片機及局域網(wǎng)”這門課程，從課程設(shè)計[4]、教學模式[5]、實驗安排[6]等方面進行簡單的教學優(yōu)化。

為此，本文分析了以“汽車單片機及局域網(wǎng)”為中心的課程鏈教學現(xiàn)狀，課程間相互關(guān)系、關(guān)聯(lián)知識點[7]，并依據(jù)關(guān)聯(lián)知識點探索設(shè)計綜合性實訓項目，對課程鏈的教學內(nèi)容進行整合優(yōu)化，使不同課程間知識點、技能點融會貫通，形成系統(tǒng)性學科知識體系，并以其中一項目展開實踐教學探索。

一、課程鏈教學現(xiàn)狀分析

“汽車單片機及局域網(wǎng)”是汽車智能技術(shù)專業(yè)核心課程，與其相關(guān)的課程分別是“汽車電工電子基礎(chǔ)”“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”以及“C語言程序設(shè)計”，這四門課形成汽車智能技術(shù)中的“控制大課”，課程間關(guān)系如圖1所示。

由于“汽車電工電子基礎(chǔ)”是汽車專業(yè)群平臺課，主要講述電工電子基礎(chǔ)知識以及汽車電路基礎(chǔ)知識，偏向于理論基礎(chǔ)，為此本文未對其展開深入分析。

“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”及“C語言程序設(shè)計”均設(shè)置在大一下學期，前者主要培養(yǎng)分析、設(shè)計數(shù)字電路及專用集成電路芯片能力；后者旨在培養(yǎng)學生程序設(shè)計、開發(fā)與測試能力?！捌噯纹瑱C及局域網(wǎng)”設(shè)置在大二上學期，是以51單片機為研究對象，通過程序編寫、外圍電路搭建從而控制相關(guān)電氣設(shè)備，旨在培養(yǎng)學生具備汽車單片機系統(tǒng)應(yīng)用、程序設(shè)計以及車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的能力，是軟、硬件綜合能力的體現(xiàn)。

圖1 課程關(guān)系圖

在實際教學中發(fā)現(xiàn)以“汽車單片機及局域網(wǎng)”為中心的課程鏈存在以下問題。

1.在課程設(shè)置中，“C語言程序設(shè)計”與“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”是“汽車單片機及局域網(wǎng)”的基礎(chǔ)，存在時間跨度，這將導致課程銜接不足，并使部分技能點、知識點被分散，再加上新知的遺忘速率導致部分學生在學習新課時感到吃力。

2.在授課模式中，“C語言程序設(shè)計”主要以理論講解為主，雖然有開設(shè)編程實訓，但缺乏控制、應(yīng)用對象，學生只會編寫程序但不明白如何利用程序控制電氣設(shè)備的工作?！捌噯纹瑱C及局域網(wǎng)”是對“C 語言程序設(shè)計”這門課的鞏固與提升。

3.在知識結(jié)構(gòu)中，“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”研究的是硬件部分，主要是芯片及電路的設(shè)計，沒有涉及程序控制。而“汽車單片機及局域網(wǎng)”是軟、硬件的綜合體現(xiàn)。教學中發(fā)現(xiàn)，這兩門課存在相對獨立的現(xiàn)象，知識體系相對單一未能形成綜合立體結(jié)構(gòu)。

二、課程鏈實踐項目分析與設(shè)計

(一)關(guān)聯(lián)知識點分析

“汽車單片機及局域網(wǎng)”與“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”“C語言程序設(shè)計”這兩門課存在較強的“鏈式”關(guān)系，為了將這些課程內(nèi)容層層遞進，并進行有效的交叉融合，本節(jié)以“汽車單片機及局域網(wǎng)”為中心對其他兩門課的知識點進行了分析，梳理了內(nèi)在關(guān)聯(lián)，如圖2所示。

圖2 課程鏈關(guān)聯(lián)知識點

圖2僅列舉了部分關(guān)聯(lián)知識點。由分析可知，“C語言程序設(shè)計”中所有知識點均在“汽車單片機及局域網(wǎng)”中進行了實際應(yīng)用，體現(xiàn)在軟件應(yīng)用方面，編程基礎(chǔ)的強弱決定了“汽車單片機及局域網(wǎng)”掌握速度的快慢?！皵?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”的很多知識點在“汽車單片機及局域網(wǎng)”中重復出現(xiàn)，但側(cè)重點不同，前者側(cè)重于電子元器件的原理及集成電路的設(shè)計，屬于電路硬件部分；后者側(cè)重于電氣設(shè)備的控制，是對前者的拓展應(yīng)用。

(二)課程鏈實踐項目設(shè)計

為提高課程鏈銜接的緊密性，使學科知識有機融合，本節(jié)依據(jù)課程鏈關(guān)聯(lián)知識點分析，以實踐項目為載體，通過實踐任務(wù)將課程之間的關(guān)聯(lián)知識點串聯(lián)起來，設(shè)計綜合性實驗項目，拓展知識的廣度及深度，其中課程鏈綜合實踐項目設(shè)計如表1所示。

表1中A、B、C分別代表的是“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”“汽車單片機及局域網(wǎng)”及“C語言程序設(shè)計”。表中每一個實踐項目都融合了這三門課程的知識點。

表1 課程鏈綜合實踐項目設(shè)計

實踐任務(wù)中，項目3-7可采用兩種方法進行設(shè)計，方法1是采用已有電子元器件搭建硬件電路，是“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程常用方法，學生利用Multisim仿真軟件以實現(xiàn)電路的設(shè)計與仿真。方法2是以單片機AT89C51為中心搭建外圍電路，利用程序控制實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計，是軟硬件的綜合應(yīng)用，其中軟件程序編寫采用仿真軟件Keil Uvision4。為了展開詳細研究，文章以項目7“流水彩燈的設(shè)計”[8]為例展開實踐探索研究。

三、綜合項目探索實施

項目實踐要求采用不同方法實現(xiàn)“8位流水彩燈的控制”。方法1為硬件電路設(shè)計法，利用Multisim仿真軟件，通過對軟件中555定時器、譯碼器、發(fā)光二極管等元器件，設(shè)計硬件電路圖，從而實現(xiàn)流水彩燈的控制。方法2為軟硬綜合設(shè)計法，利用Keil Uvision4編寫程序并進行調(diào)試，調(diào)試成功后生成.HEX文件并下載到單片機開發(fā)板，并搭建外圍電路，從而實現(xiàn)流水彩燈的控制。兩種方法是對課程鏈知識點的綜合應(yīng)用。

(一)硬件電路設(shè)計法

電路主要由555定時器、同步4位二進制計數(shù)器74HC163、74LS138譯碼器[9]等芯片組成，外加電阻、電容等元器件，電路設(shè)計與仿真圖如圖3所示。

圖3 8位流水彩燈電路圖

圖中555定時器組成多諧振蕩器，以輸出一定頻率的矩形脈沖。74HC163是同步4位二進制計數(shù)器。由于項目要求為“8位流水彩燈”，為此，僅采用74HC163的A、B、C三位，最高位D空出，其輸出值在000-111之間循環(huán)變化。74HC163的輸出作為74LS138譯碼器輸入(A、B、C)，輸出為8位數(shù)據(jù)(Y0-Y7)，由于74LS138譯碼器輸入為高電平輸出為低電平，因此，需將LED陰極與其相連，當Y0-Y7中有一個輸出為低時，LED點亮，該電路的8個發(fā)光二極管即可形成流水彩燈。

(二)軟、硬綜合設(shè)計法

設(shè)計分析：利用51單片機的P1端口控制外圍電路數(shù)碼管點亮與熄滅；首先點亮連接在單片機P1.7口的發(fā)光二極管，延遲一定時間后熄滅；再點亮連接在P1.6口的發(fā)光二極管，延遲一定時間后熄滅，以此類推直到點亮連接在P1.0口的發(fā)光二極管，延遲一定時間熄滅后再從P1.7口開始，如此反復循環(huán)即可形成流水彩燈的效果。其中系統(tǒng)設(shè)計圖如圖4所示，對應(yīng)的部分程序代碼如圖5所示。

硬件電路中，單片機80C51的P1.0-P1.7端口與發(fā)光二極管LED相連，采用共陽極連接，P1.0-P1.7端口輸出低電平有效，LED點亮，與方法1中LED1-LED7工作原理相同。在單片機8051外圍，開關(guān)S與8051的9號端口“RES”相連組成復位電路；電容C1、C2以及晶振U3形成一定頻率的矩形脈沖與8051的18、19號端口相連，該部分與方法1中555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器原理相似。

軟件程序中，P1端口輸出為0X7F，即01111111(B)，即P1.7口為低電平0，與其相連的發(fā)光二極管LED點亮(共陽極)；當執(zhí)行語句“P1=_cror_(P1,1)”時，端口右移一位即10111111(B)，P1.6口為低電平0，發(fā)光二極管LED點亮，在延時一段時間“delay(5000)”后熄滅。利用Keil Uvision4編寫好程序調(diào)試成功后，生成.HEX文件，并燒寫入單片機AT89C51，最后將P1端口連接到外圍數(shù)碼管顯示電路。最終實驗表明該方法滿足設(shè)計要求。

(三)教學實踐效果

在實施教學方法改革前，由于該課程的強綜合性和實踐性，加上學生專業(yè)基礎(chǔ)參差不齊，導致學生理解力差，積極性不高[10]。通過梳理課程鏈相關(guān)知識點，教師設(shè)計綜合實訓項目，引導學生完成實踐任務(wù)，將學科知識和專業(yè)技能培養(yǎng)有機融入課程鏈中。在項目中回顧舊知、探索新知，使得學科知識和技能呈螺旋式上升，并形成系統(tǒng)性專業(yè)知識體系。

在硬件應(yīng)用方面，學生能深入理解各種芯片的工作原理及應(yīng)用場景；學生還能熟練運用Multisim電路仿真軟件，能自主設(shè)計電路圖并進行功能驗證。在軟件應(yīng)用方面，通過課程鏈綜合項目實踐，學生能通過實驗現(xiàn)象去思考指令和程序，將C語言知識進行深入理解和創(chuàng)新應(yīng)用，使蜂鳴器、電動機等靜態(tài)的電氣設(shè)備進行個性化控制，提高了學習興趣以及創(chuàng)新能力，教學效果較為突出。

圖4 流水彩燈控制系統(tǒng)電路圖

圖5 部分程序代碼

四、結(jié)語

“汽車單片機及局域網(wǎng)”是一門綜合性、實踐性較強的課程，對學生的知識廣度、知識深度要求較高。整合課程鏈關(guān)聯(lián)知識點，設(shè)計綜合實踐項目，將會實現(xiàn)專業(yè)課程間的有機融合，培養(yǎng)學生構(gòu)建系統(tǒng)性學科理念，提高學生綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力。該方法還可為其他鏈式課程的教學實施提供理論參考。