新工科背景下机械专业单片机原理与接口技术课程改革初探

沈晔湖 蒋全胜 朱其新

(苏州科技大学机械工程学院，江苏 苏州215009)

0 引言

单片机原理与接口技术课程是一门综合了数字电路、软件工程以及控制技术等领域知识的交叉性应用课程[1]。在一个典型的实时检测或自动控制系统中，单片机通常作为系统的核心元器件，具有极其重要的作用，因此在工农业、国防、交通等领域得到大量的应用[2]，目前已经成为机械工程等专业的必备知识内容，许多高校将该课程设置为机械工程专业的核心必修课。

然而现有的传统教学方法和设计在教授单片机原理与接口技术这门交叉性应用课程时存在着如下不足：填鸭式的知识灌输传统教学模式，没有体现该门课程实践性强的特点；把课程教学分为理论教学和实践教学两部分内容，两者相互割裂，导致学生无法做到两者的融会贯通，实现学以致用；教学着重传统的51系列微处理器系统的单片机讲解，没有很好地跟进时代的发展，从而导致了课程的知识点层面狭窄，跟不上当前企业应用的实际需求。

为了适应机械工程专业学生的知识架构特点和用人单位的要求，对单片机原理与接口技术课程整体教学设计和教学方法进行与时俱进的改革具有重要的意义。

1 制定符合新工科目标的教学大纲

在传统的单片机原理与接口技术课程教学中，把课程教学分为理论教学和实践教学两部分内容。教师先讲理论，学生由于事先没有接触过单片机，对其开发流程和设计原理缺乏基本的了解，因此导致学习理论课主要依靠死记硬背，缺少对单片机开发的深入理解。例如对于程序设计部分内容，学生只是把它当作脱离运行环境的软件设计语言来学，没有将其与单片机的硬件结构特点进行有机的联系。

近年来，教育部积极推进“新工科”建设，本质上是要构建以专业结构和课程结构为核心的工科新结构，探索实施工程教育人才培养新模式，打造具有国际竞争力的工程教育新质量，建立完善中国特色工程教育的新体系[3]。为了达成新工科的培养目标，需要对课程的教学大纲进行针对性的改革。将传统的基于知识点讲授的教学模式改变为基于项目驱动的教学模式。授课的内容围绕具体的应用项目展开，硬件和软件融会贯通，交叉讲授；授课知识内容根据应用项目螺旋上升，由基础的MCS51系列逐步过渡到STM32系列[4]，满足日益复杂的应用场景需求；课程知识点讲解的顺序按照整个应用设计过程的流程进行，便于学生在设计过程的相应时间节点能够具备足够的理论知识；重构考核模式，采用笔试、项目报告、项目展示、实物制作等多方面多维度的手段实现对学生面向实际应用创新能力的合理评估。

综上所述，可以把本课程的目标设定为：在理解单片机硬件结构的基础上，深入理解其对应的软件设计方法；能够初步实现完整应用项目的全周期设计、制作与调试；能够针对机械装备控制领域的具体问题选用适当的解决方案。

2 基于项目驱动的教学改革探索

由于不同学生的学习经历以及动手能力存在一定的差别，因此本文提出的基于项目驱动的教学改革遵循个性化教学方式，针对不同的学生情况设计适合其发展特点的项目驱动方式，具体主要包含如下3种模式。

2.1 以赛带学，相互促进

该模式主要针对软硬件基础较好、学有余力的学生。在完成课内学习内容的基础上结合大学生创新项目、学科竞赛（如全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生电子设计竞赛等）。在教师指导下合理组织队伍，围绕赛题进行合理分工。通过竞赛的方式带动面向创新应用的单片机前沿技术学习。教师指导学生对整个项目的进程进行合理的时间规划，在项目的关键节点组织进行汇报总结。由于大赛有严格的时间节点，在一定层面上可以督促学生严格按照时间进度进行学习和研究，保证学习进度的顺利开展；由于大赛均要求进行实物展示，使得学生能够在理论学习和软件仿真层面之上进行更为具体的项目开发工作，提升学生的动手能力；由于大赛赛题均有一定的新颖性，因此可以培养学生在借鉴现有技术方案的基础之上充分发挥想象力，大胆进行创新设计，应用新的软硬件开发平台、新的设计思路，从而能够大力培养这些优秀学生的探索、创新能力；由于大赛一般是团队合作方式，因此有利于学生团队分工合作能力的培养，让学生认清自身的优势和缺点，扬长避短，确定自己在团队中的最佳定位。此外通过以赛带学的方式可以遴选出部分具有较高技术团队带领能力的优异学生，这些学生资源对于学校研究生招生和推荐头部企业工作都是十分有益的。

2.2 企业项目，实战演练

该模式主要面向毕业后确定直接就业的学生。此类学生对于本课程的学习目标较为明确，在课程学习过程中更加侧重企业急需的开发技术和自身能力的培养，从而提升其在就业市场的竞争力。为此教师需要结合此类学生的需求，在系部乃至学院的支持下，主动对接当地相关企业，并从企业需求中遴选拆解出适合学生开发学习的小项目，以课程项目的形式进行下达，按比例计入学生课程最后的平时成绩中。教师在分配项目的过程中需要综合考虑项目的规模和难度，对于开发难度和规模相对较大的项目需要鼓励学生在自由组合的基础上成立2～3人组成的项目小组开展合作开发。教师还要协助学生与企业进行沟通，保证学生在整个项目开发期间得到企业技术人员的指导。教师通过每个项目每周提交项目进展报告的形式掌握各项目小组的进展状况并根据具体情况进行适当指导。在课程结束前，教师通过组织项目答辩会的方式对各个项目进行考核。在条件允许的情况下，教师应当积极邀请相关企业的技术人员一同参加项目答辩会，并对项目开发成效进行打分评估。在课程完成后，教师应对学生的项目表现、项目成果和笔试表现综合评估后择优向企业推荐相关学生，从而提高学生和企业一起参与到此类项目中的积极性。

2.3 毕设驱动，无缝对接

该模式面向更广泛的课程学生群体。由于本课程一般设置在大三下学期或大四上学期，任课教师可以结合往年的毕业设计题目中与单片机相关的开发内容（如串口通信、无线单片机及其点到多点无线通信等），并结合课程大纲按不同的知识内容对课题进行分类。教师在讲授相关章节知识点时结合毕业设计的内容设计相应的小项目、小实验、小练习，布置给学生。题目类型可以丰富多样，例如软件编程、软件仿真、单片机开发板实验等。学生根据任务的不同通过提交软件代码、仿真截图、实物视频以及项目报告等多种形式来展示成果。最后，教师对成果进行评分。

笔者在讲授数据采集及简单控制程序小节过程中，结合“远程湿度测量与报警系统设计”这一毕业设计课题布置了蜂鸣音报警子系统设计小项目。该项目要求学生采用压电式蜂鸣器，结合TTL系列7406或7407集成电路低电平驱动。通过将驱动器的输入端连接51单片机的P1.0引脚来控制压电蜂鸣器。在软件部分，通过定时在P1.0引脚产生周期为60ms的方波来使得蜂鸣器产生报警音。

通过一系列的知识点的练习，学生们可以更好地掌握毕业设计所需要的基础知识和技术手段，使得毕业设计上手更加容易，提高毕业设计的质量，同时也能促进本课程的教学效果，最终达到一箭双雕的目的。

3 结语

单片机原理与接口技术是一门综合运用软、硬件多领域综合知识并且又和应用紧密相关的课程，在新工科背景下的机械专业人才知识体系结构中占据重要的地位。要使机械专业学生能够扎实理解单片机的结构、工作、开发和应用原理，以及面对实际问题的创新设计使用方法是一个具有挑战性的课题。本文从教学大纲制定、项目驱动教学方法等角度全面阐述了新工科背景下针对机械工程专业的单片机原理课程施教改革方案，期望能够起到抛砖引玉的作用。通过进一步的总结与创新探索，相信必然能够培养出更多适应工业4.0趋势所需要的新时期机械工程专业人才。