机械类专业单片机课程教学改革与学生工程素质培养

郭冰菁 赵书尚 韩建海

河南科技大学 河南洛阳 471003

随着自动化水平的提高及大规模集成电路技术的发展，嵌入式系统以其体积小、集成度高、灵活性强、操作方便等优点在各行各业的应用越来越广泛，可实现数据采集、智能控制、通讯传输、工况监测与管理等功能。根据IEEE(电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”(Devices used to control,monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

20世纪70年代，单片机的出现使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更好的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。迄今为止，51系列单片机仍然是最为成功的、各种嵌入式芯片中简单而典型的一类芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。通过对此芯片原理与接口扩展的学习，为高级别芯片(如DSP，ARM等)的学习与开发打下基础。因此，单片机原理与接口技术是各工科院校机械类专业的专业基础课，而且大多数是考试课，学好单片机对学生掌握先进的专业技术知识、获得实用的职业技能、拓宽自己的就业面、增强就业竞争力具有重要的意义。

1 课程教学的改革

单片机原理与接口技术是一门应用性很强的课程，只有理论联系实际，采用“由面到点再到面”的基础与实例相结合的教学方法，配合相关实验教学，联系后续课程设计，组成兴趣小组参加相关竞赛或科研项目，因材施教，才能在掌握单片机技术的同时培养学生运用知识、分析解决问题的能力，并在学习中提升学生的工程实践能力。因此该课程应强调在教学过程中，从单片机的应用特点出发，以培养学生工程素质和职业综合素质作为课程教学改革的目标。

1.1 科学的教学体系

改革现有的传统教学模式，在课程教学上以重视基础理论、强化实践、重在应用为指导思想，将理论教学、实验教学、课程设计、毕业设计和电子设计竞赛有机结合起来，组成科学而有效的课程教学体系。教学体系中各环节相互支撑，通过实践环节的反馈，调整理论教学的内容与方法，查漏补缺，适当引导。

1.2 采用基础与实例相结合的教学模式，改革教学方法

在单片机课程教学中，按传统教学方法分硬件、软件、接口三部分讲解时，硬件部分抽象，学生难以理解；软件部分需要逻辑思维，同时其编程直接针对硬件，与其他语言编程有很大区别，学生难以掌握；接口设计是软、硬件的结合扩展，前面知识没有掌握，接口设计难以学会。传统的教学方法造成该课程教学效果差，学生死记硬背应付考试，学完就忘，不会应用。基于多年的教学经验，并根据单片机技术的特点，笔者以实用性、实践性为原则，采用“从面到点再到面”的教学模式，以实际典型项目为主线，贯穿整个教学过程，讲解涉及的原理、通用性较强的接口电路及编程，提高学生系统设计和综合应用能力。教学模式的改革如图1所示。

图1 基础与实例相结合的教学模式示意图

教学过程首先从“面”开始，介绍单片机应用实例，并选择典型实例作为课程主线，对于机械类专业，可选用工业通用测控系统作为典型实例。其次，进入“点”的学习，将该系统分解为5个模块：传感器、数据采集、主控单元、人机交互、控制输出。针对每个模块，基于单片机基础知识，完成各个模块及模块接口的设计。最后，回到“面”，即结合其他课程，如测试技术、电工电子技术、机电一体化技术，将各模块综合起来，构成完整的系统。通过这种“由面到点再到面”的基础与实例相结合的教学模式，激发了学生的学习兴趣，使他们了解了系统设计的思路与过程，知道了各门课程之间的衔接，真正提高了学生综合运用知识的能力和工程素质。

1.3 改革考核方法，注重学生工程素质的培养

教学方法的改革带来考核方法的相应改革，两者相得益彰，既达到教学目的，也培养了学生的工程素质。因此，考核方法应突出课程的工程应用性特点。采用笔试、大作业及实验三方面考核。笔试成绩占70%，包括基础理论和综合提高题目两部分。基础理论主要对单片机基础硬件知识、简单程序编写、定时器与中断知识的考核，综合提高题目是对接口电路设计及配套软件的考核。大作业成绩占20%，用大作业取代各章后面的小习题，学生按宿舍分组，便于平时讨论，自己拟题或选择指定的题目，随着课堂教学的深入，逐步完成，每人承担题目中的一部分内容，不得重复，最终依据学生的完成情况和提交文字报告等进行评价。实验考核占10%，由实验教师完成，学生将大作业的内容在实验设备上进行调试，或自己焊接某一模块后进行调试，或从做过的基本实验中随机抽取一个考核，主要考核学生的动手能力。

2 单片机一体化实训平台的建立

培养学生动手能力，需要给他们提供一个良好的平台。针对教材内容，本教研室开发并制作了专用的51单片机一体化实训平台，已投入到教学、实验、课程设计和毕业设计等各个环节中。

该实训平台集成了丰富的硬件资源，采用模块化设计与布局，并且为学生提供了多种接口，使学生可以灵活构建各种系统方案。模块包括：CPU核心及I/O接口模块、复位电路模块、电压基准源电路、模拟量输出模块、串行AD模块、串行DA模块、并行AD模块、并行DA模块、功率驱动模块、RS232通讯模块、RS485通讯模块、实时时钟模块、蜂鸣器模块、16×16点阵LED模块、8位数码管显示模块、LCD模块、矩阵式键盘模块、PS/2键盘接口模块、独立式按键模块、电源模块、温度传感器模块、红外收发模块、SPI总线串行EEPROM模块、I2C总线串行EEPROM模块、串转并模块、138译码模块、反向电路模块、频率发生模块、LED指示灯模块、开关输入模块等。并提供小型步进电机、直流电机作为执行元件。

由此可见，上述模块和配件应用于机械类专业教学，可以方便地构成各种工业测控系统，如，数据采集仪、温度控制器、步进电机控制器、直流电机调速系统等，完全与教材及教学内容配套。学生使用方便、直观，可以基于此平台完成从选题、制定设计方案、系统硬件软件设计、调试检测到编写文档资料等开发设计的全过程。通过这样的实践教学，学生掌握了单片机系统开发设计的流程和方法。培养学生具备一定的综合分析、设计与应用能力，并通过大作业、课程设计和毕业设计锻炼了学生的表达能力、自我学习能力、资料检索与综合运用能力、协作能力与创新能力。

3 教学改革对学生工程素质的培养

在目前的教学改革中，始终坚持应用型人才的培养，帮助学生尽快尽早完成从学习者到设计者的转变，这是本课程教学改革的核心思想。

经过近几年的教学实践，在开展单片机原理与接口技术课程教学改革后，学生熟悉了工业测控系统的设计、开发过程，积极参加“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、大学生电子设计竞赛以及我校的大学生训练计划竞赛等，工程素质、协作能力、自我管理能力、工作规划和解决问题的能力明显加强，而这些正是学生在日后职业生涯中应具备的能力。

在今后的教学过程中，随着各个环节教学效果的反馈和单片机技术的不断发展，我们将逐步调整教学内容，改进教学模式，结合专业方向，培养出适合时代发展需要的工程实践型复合人才。

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