基于OBE理念的“單片機(jī)課程設(shè)計”的教學(xué)設(shè)計與實踐

貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 劉萬松 劉雪飛

OBE（Outcome-Based Education）的概念由Spady在1981年提出，是一種以學(xué)生為中心，成果為導(dǎo)向的教育理念，該教育理念被國際工程教育專業(yè)認(rèn)證廣泛推崇，被認(rèn)為是追求卓越教育的正確方向。課程設(shè)計是普通高等學(xué)校電子信息類本科專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的主要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一。單片機(jī)課程設(shè)計是建立在先修的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理及應(yīng)用和單片機(jī)原理及應(yīng)用等課程之上，綜合運用所學(xué)課程的理論知識、設(shè)計軟件和實驗經(jīng)驗，實際的進(jìn)行一次課題的設(shè)計和電路系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，它涉及的知識面廣，需要綜合運用相關(guān)知識，一般沒有固定的答案。課程設(shè)計過程需要從實際出發(fā)，通過調(diào)查研究、查尋資料、方案比較及設(shè)計、計算等環(huán)節(jié)，才能得到一個較理想的設(shè)計方案。設(shè)計方案完成之后，需要做出符合設(shè)計要求的實際電路，所以說，單片機(jī)課程設(shè)計是理論和實踐融合性極強(qiáng)的課程。

1 課程目標(biāo)設(shè)計

根據(jù)OBE理念“反向設(shè)計、正向?qū)嵤钡乃悸?，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及課程支撐畢業(yè)能力的要素，綜合考慮單片機(jī)課程特點，提出了單片機(jī)課程設(shè)計的課程培養(yǎng)目標(biāo)。(1)問題分析能力。知道單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計方法和設(shè)計流程，能夠根據(jù)課題要求，查閱參考文獻(xiàn)，分析問題，獲取解決問題的知識和方法。(2)系統(tǒng)設(shè)計能力。能夠綜合運用所學(xué)理論知識，從系統(tǒng)設(shè)計要求出發(fā)提出設(shè)計方案，進(jìn)行比較與論證，確定合理的方案，并繪制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；能夠根據(jù)設(shè)計方案，繪制系統(tǒng)的電路原理圖，構(gòu)建系統(tǒng)硬件平臺；能夠利用匯編語言或C語言，對系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程。(3)工具使用能力。熟悉系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的軟硬件平臺，能夠通過軟件平臺和應(yīng)用硬件設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，不斷改進(jìn)和完善所設(shè)計的電路與系統(tǒng)。(4)團(tuán)隊合作與溝通能力。能夠與教師進(jìn)行有效溝通，與同學(xué)進(jìn)行有效合作；能較為準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)設(shè)計思路和方案，能夠順利完成自己所承擔(dān)的任務(wù)。

2 項目的來源與選擇

單片機(jī)課程設(shè)計計劃學(xué)時為32學(xué)時，課程的實施要求以項目的形式開展，3人為一個項目團(tuán)隊。在設(shè)計和選取項目時，要求項目要具有知識的綜合性，有一定難度，而且符合工程實際。因此，課程設(shè)計題目應(yīng)是一個復(fù)雜的單片機(jī)測控系統(tǒng)或單片機(jī)智能儀器等的設(shè)計問題，一般需要涉及多方面的知識與技能，如單片機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等。項目的來源通常包括三個方面：第一種方式是學(xué)生自主選題，即學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好和能力自主選擇題目，但是題目是否合適，需要指導(dǎo)老師最后敲定。學(xué)生自主選擇的題目，如交通燈控制系統(tǒng)、數(shù)字溫度計、電子秤和智能大棚控制系統(tǒng)等項目。第二種方式，是教師的科研項目或企業(yè)項目，通常是由教師把自己的科研項目或企業(yè)項目經(jīng)過提煉加工而成；第三種方式，是將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽項目和全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等項目轉(zhuǎn)化為課程設(shè)計題目。

3 實踐平臺的建設(shè)

單片機(jī)課程設(shè)計的教學(xué)過程，完全秉承OBE以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向的教育理念。項目的所有環(huán)節(jié)從項目分析、設(shè)計、仿真、調(diào)試、制作和測試等均由學(xué)生自己完成，教師主要是為學(xué)生學(xué)習(xí)搭建支架，在網(wǎng)上和實驗室進(jìn)行答疑和解惑。單片機(jī)課程設(shè)計主要的教學(xué)與實踐平臺包括：(1)系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗室。系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗室電腦安裝了Protel 99 SE， Multisim 14.0、Proteus 8.0、Keil uVision5、Diamond 3.11等電子系統(tǒng)設(shè)計軟件；(2)電子制作開放性實驗室。開放性實驗室為學(xué)生準(zhǔn)備了各種類型的開發(fā)板，如：8位單片機(jī)開發(fā)板（6502、TP801A、Arduino UNO、STC89C52）、16位單片機(jī)開發(fā)板（MSP430F149）、32位單片機(jī)開發(fā)板（STM32G030、STM32F103）、64位單片機(jī)開發(fā)板（Raspberry Pi 4B）和FPGA開發(fā)板（EP4CE10、Lattice MXO2）。實驗室配備了各種設(shè)備和儀器，如：穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、數(shù)字示波器、PCB線路板蝕刻機(jī)、熱敏打印機(jī)、數(shù)字萬用表等。以上兩個實驗室全天開放，學(xué)生可以通過門禁卡自由出入，實驗室安裝的各種軟件、配備的各種設(shè)備和儀器為課程的開設(shè)與實踐提供了保障。

4 教學(xué)實施

課程設(shè)計的步驟包括：系統(tǒng)方案設(shè)計、系統(tǒng)單元電路設(shè)計、系統(tǒng)總體設(shè)計、電路的安裝與調(diào)試和總結(jié)報告五部分內(nèi)容。(1)系統(tǒng)方案設(shè)計：包括系統(tǒng)方案框圖設(shè)計和系統(tǒng)方案的分析和比較，系統(tǒng)方案框圖設(shè)計要求畫出系統(tǒng)構(gòu)成框圖和信號流程。方案的分析和比較包括技術(shù)指標(biāo)的比較，電路簡易的比較和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較等，經(jīng)過比較后確定一個最佳方案。(2)系統(tǒng)單元電路設(shè)計：包括單片機(jī)類型的選擇，接口電路的設(shè)計，電路元器件參數(shù)的計算，電路原理圖的繪制等。(3)系統(tǒng)總體設(shè)計：包括畫出完整的電路原理圖，列出所需用元器件明細(xì)表，用EDA軟件進(jìn)行電路設(shè)計、仿真和調(diào)試。(4)電路的安裝和調(diào)試：包括對元器件進(jìn)行檢測、焊接，對單元電路進(jìn)行性能調(diào)試和整機(jī)電路進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測試。(5)總結(jié)報告：總結(jié)報告是對設(shè)計過程的全方位概述，主要涵蓋以下幾個方面內(nèi)容：設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)，方案論證，電路設(shè)計原理和元件參數(shù)計算，電路原理圖和元器件名細(xì)表，電路的測試結(jié)果，出現(xiàn)的問題和解決辦法和收獲與體會等。

5 教學(xué)評價

單片機(jī)課程設(shè)計需要從實際出發(fā)，通過查尋資料、方案比較及設(shè)計、計算等環(huán)節(jié)，才能得到一個較理想的設(shè)計方案，更重要的是根據(jù)設(shè)計方案，需要做出符合設(shè)計要求的實際電路。因此，課程的評價體系不同于傳統(tǒng)的理論課程和課程實驗的評價體系，它更強(qiáng)調(diào)的是過程性評價。單片機(jī)課程設(shè)計的具體評價體系為：(1)系統(tǒng)設(shè)計(50%)。工作內(nèi)容包括：查找資料，進(jìn)行方案設(shè)計，設(shè)計單元電路、整機(jī)電路，計算和選擇元件參數(shù)，進(jìn)行仿真調(diào)試，打印原理圖和接線圖。(2)系統(tǒng)安裝調(diào)試(30%)，工作內(nèi)容為在實驗室將所設(shè)計的電路進(jìn)行安裝、調(diào)試和指標(biāo)測試。(3)總結(jié)報告(20%)，評分標(biāo)準(zhǔn)主要從原理闡述，性能分析，圖表規(guī)范性，論文結(jié)構(gòu)和語言流暢性等方面來綜合進(jìn)行評價。

6 課程設(shè)計案例

（1）項目名稱：PM2.5粉塵檢測儀的設(shè)計

（2）設(shè)計要求

PM2.5傳感器對實際工作中的環(huán)境顆粒物進(jìn)行濃度檢測，將檢測到的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)實時顯示在顯示屏上。同時用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)無線通信，當(dāng)藍(lán)牙模塊和手機(jī)成功連接后，當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度、粉塵數(shù)據(jù)就會實時顯示在手機(jī)上。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求和功能劃分，所設(shè)計的PM2.5粉塵檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 PM2.5粉塵檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（4）系統(tǒng)電路設(shè)計與仿真結(jié)果

通過電路原理圖的設(shè)計與繪制，程序的設(shè)計與調(diào)試和軟硬件的仿真及運行，得到的PM2.5粉塵檢測儀系統(tǒng)設(shè)計的仿真結(jié)果，如圖2所示。

圖2 PM2.5粉塵檢測儀系統(tǒng)設(shè)計的仿真結(jié)果

（5）電路的制作安裝與調(diào)試

通過元器件的檢測，焊接與組裝，PM2.5粉塵檢測儀電路的制作安裝與調(diào)試結(jié)果如圖3所示。圖3的左圖，測量顯示當(dāng)前的溫度、濕度和PM2.5的測量值；右圖除了液晶屏幕上顯示測量值外，通過藍(lán)牙通信技術(shù)在手機(jī)上可以清晰地顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度和PM2.5的測量值。

圖3 PM2.5粉塵檢測儀電路的制作安裝與調(diào)試結(jié)果

基金項目：貴州省高等教育教學(xué)改革項目，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的程序設(shè)計類課程混合式教學(xué)模式研究（合同編號：[2018]SJG第01號）；貴州省學(xué)位辦項目，電子信息技術(shù)課程案例庫（合同編號：黔教合YJSCXJH(2018)102）。