“汽车单片机及局域网”课程链教学实践研究*

马 铮 龚福明

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

随着汽车智能化、网联化、电动化的发展，“汽车单片机及局域网”已经成为汽车智能技术专业核心课[1]。该课程包含汽车单片机以及汽车局域网两大部分[2]。前者要求学生掌握单片机的工作原理及系统设计，融合了模拟电路、数字电路等硬件知识以及C语言、汇编语言等软件知识，内容琐碎且较为复杂；后者主要要求学生掌握汽车总线工作原理，内容相对抽象。

现有专业课程体系结构中，通常采用先专业基础课(“汽车电工电子基础”“数字电子技术基础”“C语言程序设计”)，后专业核心课(“汽车单片机及局域网”)，课程教学内容间既密切相关，又有鲜明的层次化特点，具有递进式的“链式”关系[3]。但在实际教学过程中发现，该课程链之间存在衔接不紧密，教学内容相对独立，实践内容综合性不强等问题，导致学生缺乏系统性的学科理念。针对此类具体的问题，目前国内还没有系统性的深入研究，只是针对“汽车单片机及局域网”这门课程，从课程设计[4]、教学模式[5]、实验安排[6]等方面进行简单的教学优化。

为此，本文分析了以“汽车单片机及局域网”为中心的课程链教学现状，课程间相互关系、关联知识点[7]，并依据关联知识点探索设计综合性实训项目，对课程链的教学内容进行整合优化，使不同课程间知识点、技能点融会贯通，形成系统性学科知识体系，并以其中一项目展开实践教学探索。

一、课程链教学现状分析

“汽车单片机及局域网”是汽车智能技术专业核心课程，与其相关的课程分别是“汽车电工电子基础”“数字电子技术基础”以及“C语言程序设计”，这四门课形成汽车智能技术中的“控制大课”，课程间关系如图1所示。

由于“汽车电工电子基础”是汽车专业群平台课，主要讲述电工电子基础知识以及汽车电路基础知识，偏向于理论基础，为此本文未对其展开深入分析。

“数字电子技术基础”及“C语言程序设计”均设置在大一下学期，前者主要培养分析、设计数字电路及专用集成电路芯片能力；后者旨在培养学生程序设计、开发与测试能力。“汽车单片机及局域网”设置在大二上学期，是以51单片机为研究对象，通过程序编写、外围电路搭建从而控制相关电气设备，旨在培养学生具备汽车单片机系统应用、程序设计以及车载网络技术应用的能力，是软、硬件综合能力的体现。

图1 课程关系图

在实际教学中发现以“汽车单片机及局域网”为中心的课程链存在以下问题。

1.在课程设置中，“C语言程序设计”与“数字电子技术基础”是“汽车单片机及局域网”的基础，存在时间跨度，这将导致课程衔接不足，并使部分技能点、知识点被分散，再加上新知的遗忘速率导致部分学生在学习新课时感到吃力。

2.在授课模式中，“C语言程序设计”主要以理论讲解为主，虽然有开设编程实训，但缺乏控制、应用对象，学生只会编写程序但不明白如何利用程序控制电气设备的工作。“汽车单片机及局域网”是对“C 语言程序设计”这门课的巩固与提升。

3.在知识结构中，“数字电子技术基础”研究的是硬件部分，主要是芯片及电路的设计，没有涉及程序控制。而“汽车单片机及局域网”是软、硬件的综合体现。教学中发现，这两门课存在相对独立的现象，知识体系相对单一未能形成综合立体结构。

二、课程链实践项目分析与设计

(一)关联知识点分析

“汽车单片机及局域网”与“数字电子技术基础”“C语言程序设计”这两门课存在较强的“链式”关系，为了将这些课程内容层层递进，并进行有效的交叉融合，本节以“汽车单片机及局域网”为中心对其他两门课的知识点进行了分析，梳理了内在关联，如图2所示。

图2 课程链关联知识点

图2仅列举了部分关联知识点。由分析可知，“C语言程序设计”中所有知识点均在“汽车单片机及局域网”中进行了实际应用，体现在软件应用方面，编程基础的强弱决定了“汽车单片机及局域网”掌握速度的快慢。“数字电子技术基础”的很多知识点在“汽车单片机及局域网”中重复出现，但侧重点不同，前者侧重于电子元器件的原理及集成电路的设计，属于电路硬件部分；后者侧重于电气设备的控制，是对前者的拓展应用。

(二)课程链实践项目设计

为提高课程链衔接的紧密性，使学科知识有机融合，本节依据课程链关联知识点分析，以实践项目为载体，通过实践任务将课程之间的关联知识点串联起来，设计综合性实验项目，拓展知识的广度及深度，其中课程链综合实践项目设计如表1所示。

表1中A、B、C分别代表的是“数字电子技术基础”“汽车单片机及局域网”及“C语言程序设计”。表中每一个实践项目都融合了这三门课程的知识点。

表1 课程链综合实践项目设计

实践任务中，项目3-7可采用两种方法进行设计，方法1是采用已有电子元器件搭建硬件电路，是“数字电子技术基础”课程常用方法，学生利用Multisim仿真软件以实现电路的设计与仿真。方法2是以单片机AT89C51为中心搭建外围电路，利用程序控制实现系统的设计，是软硬件的综合应用，其中软件程序编写采用仿真软件Keil Uvision4。为了展开详细研究，文章以项目7“流水彩灯的设计”[8]为例展开实践探索研究。

三、综合项目探索实施

项目实践要求采用不同方法实现“8位流水彩灯的控制”。方法1为硬件电路设计法，利用Multisim仿真软件，通过对软件中555定时器、译码器、发光二极管等元器件，设计硬件电路图，从而实现流水彩灯的控制。方法2为软硬综合设计法，利用Keil Uvision4编写程序并进行调试，调试成功后生成.HEX文件并下载到单片机开发板，并搭建外围电路，从而实现流水彩灯的控制。两种方法是对课程链知识点的综合应用。

(一)硬件电路设计法

电路主要由555定时器、同步4位二进制计数器74HC163、74LS138译码器[9]等芯片组成，外加电阻、电容等元器件，电路设计与仿真图如图3所示。

图3 8位流水彩灯电路图

图中555定时器组成多谐振荡器，以输出一定频率的矩形脉冲。74HC163是同步4位二进制计数器。由于项目要求为“8位流水彩灯”，为此，仅采用74HC163的A、B、C三位，最高位D空出，其输出值在000-111之间循环变化。74HC163的输出作为74LS138译码器输入(A、B、C)，输出为8位数据(Y0-Y7)，由于74LS138译码器输入为高电平输出为低电平，因此，需将LED阴极与其相连，当Y0-Y7中有一个输出为低时，LED点亮，该电路的8个发光二极管即可形成流水彩灯。

(二)软、硬综合设计法

设计分析：利用51单片机的P1端口控制外围电路数码管点亮与熄灭；首先点亮连接在单片机P1.7口的发光二极管，延迟一定时间后熄灭；再点亮连接在P1.6口的发光二极管，延迟一定时间后熄灭，以此类推直到点亮连接在P1.0口的发光二极管，延迟一定时间熄灭后再从P1.7口开始，如此反复循环即可形成流水彩灯的效果。其中系统设计图如图4所示，对应的部分程序代码如图5所示。

硬件电路中，单片机80C51的P1.0-P1.7端口与发光二极管LED相连，采用共阳极连接，P1.0-P1.7端口输出低电平有效，LED点亮，与方法1中LED1-LED7工作原理相同。在单片机8051外围，开关S与8051的9号端口“RES”相连组成复位电路；电容C1、C2以及晶振U3形成一定频率的矩形脉冲与8051的18、19号端口相连，该部分与方法1中555定时器构成的多谐振荡器原理相似。

软件程序中，P1端口输出为0X7F，即01111111(B)，即P1.7口为低电平0，与其相连的发光二极管LED点亮(共阳极)；当执行语句“P1=_cror_(P1,1)”时，端口右移一位即10111111(B)，P1.6口为低电平0，发光二极管LED点亮，在延时一段时间“delay(5000)”后熄灭。利用Keil Uvision4编写好程序调试成功后，生成.HEX文件，并烧写入单片机AT89C51，最后将P1端口连接到外围数码管显示电路。最终实验表明该方法满足设计要求。

(三)教学实践效果

在实施教学方法改革前，由于该课程的强综合性和实践性，加上学生专业基础参差不齐，导致学生理解力差，积极性不高[10]。通过梳理课程链相关知识点，教师设计综合实训项目，引导学生完成实践任务，将学科知识和专业技能培养有机融入课程链中。在项目中回顾旧知、探索新知，使得学科知识和技能呈螺旋式上升，并形成系统性专业知识体系。

在硬件应用方面，学生能深入理解各种芯片的工作原理及应用场景；学生还能熟练运用Multisim电路仿真软件，能自主设计电路图并进行功能验证。在软件应用方面，通过课程链综合项目实践，学生能通过实验现象去思考指令和程序，将C语言知识进行深入理解和创新应用，使蜂鸣器、电动机等静态的电气设备进行个性化控制，提高了学习兴趣以及创新能力，教学效果较为突出。

图4 流水彩灯控制系统电路图

图5 部分程序代码

四、结语

“汽车单片机及局域网”是一门综合性、实践性较强的课程，对学生的知识广度、知识深度要求较高。整合课程链关联知识点，设计综合实践项目，将会实现专业课程间的有机融合，培养学生构建系统性学科理念，提高学生综合应用能力及创新能力。该方法还可为其他链式课程的教学实施提供理论参考。