电子设计竞赛对单片机实验教学改革与创新启示

彭宇兴　余永辉

摘要：从当今社会发展对高素质创新型人才的需求和培养出发，结合历届全国大学生电子设计竞赛的命题趋势和特点，论述了如何通过单片机实验教学改革，提高学生应用理论知识解决工程实际问题的创新能力的方法。

关键词：电子设计大赛；单片机；实验教学；教学改革

两年一届的全国大学生电子设计竞赛充分体现了教育部倡导电子设计竞赛的宗旨：引导高校在实验教学中注重培养大学生的创新能力、协作精神和理论联系实际的学风；加强大学生动手能力和工程实践能力的训练；提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力。我院作为刚升本不久的普通本科院校，通过总结历年电子设计竞赛的经验和教训，充分发挥我校注重应用能力培养的优势，在2007年设计竞赛中取得了丰硕的成果，获奖率在重庆市位居榜首，而且是重庆市仅有的三个获得全国一等奖的代表队之一，成为重庆市大学生电子设计竞赛的佼佼者。大赛使我院在实践教学改革方面受益匪浅。本文将就电子设计竞赛对单片机实验教学改革与创新的启发，对《单片机原理及应用》这门课程实验内容和方法的改革思路作一些探讨。

全国大学生电子设计竞赛的内容、特点及发展趋势

全国大学生电子设计竞赛的题目具有实际意义和应用背景，前几届考核重点是学生综合运用基础知识进行理论设计的能力、创新意识、独立工作能力和实验综合技能。竞赛内容主要涉及模-数混合电路、单片机、可编程器件的应用等方面。而2007年的竞赛除了前几届的要求外，对控制精度的要求大大提高了。比如，“智能小汽车跷跷板”这个题目，除了按竞赛组委会的规定，必须在4天内完成传统的方案设计、电路原理设计、硬件制作、硬件调试、软件编程和设计报告等基本工作外，还要完成跷跷板的机械设计与加工。对于不同的结构形式，其控制方式和软件算法的设计也有所不同。由于时间非常紧张，要求学生不但要对电子技术等课程的基本概念、基本电路、基本分析和设计方法熟练掌握，而且要非常熟悉单片机系统的芯片选型和硬件设计，才能快速提供完整的系统解决方案，并进行程序设计；同时还要求学生具备很强的实践动手能力，自己去完成机械装配和调试，迅速判断故障和调试电路，否则就无法按时完成设计任务。由此可知，今后电子设计大赛是趋势是向多学科、高难度的方向发展。

电子设计大赛对单片机实验教学改革与创新的启发

对历届竞赛题目进行分析和研究，可以看出，能够用单片机作为控制器来完成设计任务的竞赛题目占到50%以上。作为自动化和测控专业的平台类必修专业基础课，各高校均已开设了单片机课程。我院自动化和测控专业的单片机课程均是以MCS-51系列单片机为模本来进行具体阐述和学习的。电子设计竞赛对高校在教学改革中注重培养学生实践能力和创新设计能力方面提出了更高的要求。针对以往存在的问题和历届我校电子设计大赛成功的经验和失败的教训，从2006年开始，我院开始对单片机实验教学进行了一些改革尝试。

单片机实验教学内容和方法的改革

单片机实验教学现状以往的实验教学通常是预先由教师设计好相应的实验项目，如程序设计、I/O口使用、中断与定时器使用、显示与键盘等，然后让学生照本宣科地重复，完成教学大纲所规定的实验，这种实验教学方法从一定程度上可以让学生尽快熟悉和进入单片机这个领域，但不利于学生的动手能力、创新能力和综合运用知识能力的培养，同时也不能激发学生的学习兴趣和主观能动性，出现了有的学生不做实验前准备、抄袭他人程序和实验报告的不良现象。这样就造成了在做单片机应用系统综合设计时，很多学生拿到课题后不知所措，既不知如何进行系统设计，也不知如何进行芯片选型，更不用说提供完整的系统方案了。经过分析，笔者认为以往的实验课程体系存在如下弊端：(1)验证性实验过多，综合性、启发性实验不够；(2)没有大型设计性和综合性实验；(3)基本没有进行过动手能力训练，更不用说培养学生的创新能力。

教学内容调整的思路笔者从实验内容的调整、增加C51应用编程方面的训练、增加实验教学时数等三个方面对教学内容进行调整。

1.实验内容的调整。我校采用的实验系统为广州周立功单片机发展有限公司开发的DP-51PRO单片机综合仿真实验仪，该综合仿真实验仪具有功能强大，使用方便等特点，可以让学生在装置上进行许多综合性和设计性实验。DP-51PRO单片机综合仿真实验仪主要有如下一些模块：(1)MON51仿真调试模块；(2)总线I/O扩展模块；(3)8155外扩I/O实验区；(4)输入系统：拨盘开关、单键按钮、键盘系统；(5)输出系统：8个LED及LCD模块；(6)8×8点阵LED模块；(7)并行、串行8位AD及DA实验模块；(8)直流电机、步进电机实验模块；(9)数字温度采集试验模块。还有许多与实际工程相关的实验模块。如何让学生全面熟悉这些模块及器件，是实验教材所需解决的问题。而现有实验指导教材关于这方面的内容介绍很少。所以，在实验教材中增加这部分内容十分必要。笔者根据单片机课程的特点，将实验教学内容分为三个部分：第一部分为硬件、软件基础知识相关内容的训练，主要有系统认识实验、指令系统实验、汇编语言程序设计实验。第二部分为基本接口实验，安排的内容主要有利用8155进行输入、输出实验；定时器/计数器应用实验；ADC0809转换器实验、DAC0832转换器实验；中断系统实验；串行口通信实验。第三部分为综合性设计实验，是在前面实验的基础上，要求学生充分利用DP-51PRO单片机综合仿真试验仪的硬件资源，用所学的汇编及C51程序知识进行的。安排的内容主要有电脑时钟、频率计、数字温度计、电子音乐、步进电机、直流电机控制、电子液晶显示屏设计等。

2.增加C51应用编程方面的训练。现在社会上的单片机系统己经普遍采用基于C51高级语言的软件系统。C51高级语言具有程序结构清晰、可读性好、易于维护等优点，一条C语句相当于几条汇编指令，完成同样功能程序的指令语言行数也大大缩小，更便于复杂算法的实现和调试。为了提高学生的软件开发能力和实验效率，我们在实验中给学生增加了相应C51的编程训练。C51与C高级语言十分类似，通过《C语言程序设计》课程的学习，学生已经有了一定的基础，只需给他们提供相应的教材，辅之以循序渐进的实验，他们完全能够通过自学掌握C51。

3.增加实验教学时数。在学习理论课程时，学生要么只注意到了局部的硬件知识或者简单的汇编指令等内容，要么只注意到单片机系统具有很强大的功能，而不知自己如何应用单片机资源开发设计自己的产品。所以，必须把理论教学和实践教学有机地结合起来，充分发挥实践教学的优势。单片机实验是掌握单片机应用技术不可缺少的重要环节。从2006年开始，我院把实验课时数由12学时增加到18学时左右，约占总课时的28%。让学生有尽量多的时间在实践中学习，同时也利于综合性设计实验的开展。这一改革的成效在2007年电子设计大赛中得到了充分体现。

教学方法改革的设想对于教学方法改革，笔者有以下几点设想。

1.提高学生学习单片机的兴趣。兴趣是最好的老师。为了提高学生对《单片机原理及应用》这门课程的学习兴趣，充分调动学生的主观能动性，可以在开课几周之后，邀请一些著名的单片机开发公司技术人员来校做“单片机与就业”、“单片机的应用”等方面的专题讲座，使学生们充分了解单片微机在工业控制、智能仪器仪表、计算机外部设备、计算机网络与通讯技术和家用电器等领域的广泛应用前景及作为一个电子工程师学好单片机的重要性和必要性。

2.在实验中充分发挥学生的主观能动性。单片机实验教学内容大多是理论知识的验证，应用理论知识解决实际问题的设计性实验相对较少。在单片机实验教学中，我们把验证性实验安排在教学环节的前期，这样有助于学生尽快熟悉单片机软硬件环境。同时，为了培养学生综合运用所学知识的能力，我们还增加了设计性实验的分量。实验指导书上只给出实验的任务和要求以及实验的原理性说明，学生必须根据实验的目的和要求，独立设计实验的硬件电路和程序，并对软硬件进行联机调试，然后观察实验现象，分析实验结果，写出实验报告。学生通过这样的训练，增强了独立思考问题、解决问题的能力，动手能力也得到了很好的锻炼。除此之外，对于自动化和测控专业还应将单片机和专业课程结合在一起安排学生进行课程设计，以加强学生在自动控制领域应用单片机的能力。设计研究性实验和课程设计虽然有一定难度和深度，但对学生很有吸引力，能使学生从被动应付实验变成主动实验，不仅提高了学生的基本操作技能，也发挥了学生的学习主观能动性和创造性。在整个实验进行过程中，要以学生为实验主体，指导教师在实验的组织管理上唱“主角”，而在实验中只能唱“配角”，最大限度地调动和发挥学生的主观能动性，引导学生分析并解决实验中出现的问题，给学生指明方向，避免走弯路，并解答实验当中出现的疑难问题。例如，在电脑时钟实验中，有学生问定时/计数器的计数初值如何设置。这个问题涉及晶振频率对机器周期的影响和定时/计数器的工作原理。我们先引导学生通过实验修改定时器计数初值前后的实验结果，使学生得到感性认识，然后再指出为什么有时走得快，有时走得慢，使学生加深了对理论知识的理解，学到了实际知识，培养了分析问题、解决问题的能力，减少了对教师的依赖心理。

3.鼓励学生利用课余时间进行单片机应用系统开发。在课余时间开放实验室，创造一个宽松的学习环境，为学生提供课余时间进行单片机综合性、设计性实验的条件，充分发挥实验室现有实验设备的效能。这种实验教学模式，既体现了高等教育以学生为中心的理念，又提高了他们的责任感和自信心，进而为激发其创造力发挥更大的作用。另外，借鉴电子大赛培训的成功经验，为学生提供了完全兼容51系列单片机的STC89C52RC最小单片机系统，方便学生利用KeilC51仿真软件和STC_ISP_V2.9下载软件进行实验而不需要成本高昂的仿真开发工具，激发学生学习单片机的兴趣。

4.侧重于对学生应用、创新能力的考核。以往单片机课程的考核只注重理论知识，在考前学生会花很多时间死记硬背书中的原理知识，最后的考试成绩都很好。实际上，大多数高分学生只知其然而不知其所以然，连运用单片机实现一个简单的系统都不会，造成了“高分低能”现象。作为一门实践性很强的课程，应该把实践环节纳入考核之中，加大实践环节所占的比例，这样才有利于真正了解学生对知识的掌握情况，对学生学习这门课程也会起到促进作用。考核形式也不应只拘泥于笔试。比如考核总成绩100分，可由三部分组成，理论知识(30分)，实验(30分)和大作业(40分)，其中大作业给学生几个用单片机来实现的设计题目，让学生在限定的时间内在课外独立完成，根据做的情况采用答辩的方式评分。

全国大学生电子设计竞赛为单片机实验教学的改革指出了一个方向。应以此为契机，积极、主动地促进单片机实验课程的改革，以使单片机实验课程跟上时代发展的潮流，使学生学完单片机后，初步具有单片机应用系统的设计和开发能力。

参考文献：

[1]全国大学生电子竞赛组委会.全国大学生电子竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，1997.

[2]张晴，刘为.单片机实验教学改革[J].实验室研究与探索，2003，(8).

[3]周晓雁.单片机实验教学改革的尝试[J].山东工业大学学报，1995，(2).

作者简介：

彭宇兴(1969—)，男，四川邻水人，重庆科技学院高级工程师，研究方向为智能控制、检测与故障诊断技术。

(本文责任编辑：尚传梅)