彭宇興　余永輝

摘要：從當(dāng)今社會發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需求和培養(yǎng)出發(fā)，結(jié)合歷屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的命題趨勢和特點，論述了如何通過單片機實驗教學(xué)改革，提高學(xué)生應(yīng)用理論知識解決工程實際問題的創(chuàng)新能力的方法。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計大賽；單片機；實驗教學(xué)；教學(xué)改革

兩年一屆的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽充分體現(xiàn)了教育部倡導(dǎo)電子設(shè)計競賽的宗旨：引導(dǎo)高校在實驗教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)；加強大學(xué)生動手能力和工程實踐能力的訓(xùn)練；提高學(xué)生針對實際問題進行電子設(shè)計制作的能力。我院作為剛升本不久的普通本科院校，通過總結(jié)歷年電子設(shè)計競賽的經(jīng)驗和教訓(xùn)，充分發(fā)揮我校注重應(yīng)用能力培養(yǎng)的優(yōu)勢，在2007年設(shè)計競賽中取得了豐碩的成果，獲獎率在重慶市位居榜首，而且是重慶市僅有的三個獲得全國一等獎的代表隊之一，成為重慶市大學(xué)生電子設(shè)計競賽的佼佼者。大賽使我院在實踐教學(xué)改革方面受益匪淺。本文將就電子設(shè)計競賽對單片機實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新的啟發(fā)，對《單片機原理及應(yīng)用》這門課程實驗內(nèi)容和方法的改革思路作一些探討。

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的內(nèi)容、特點及發(fā)展趨勢

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的題目具有實際意義和應(yīng)用背景，前幾屆考核重點是學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識進行理論設(shè)計的能力、創(chuàng)新意識、獨立工作能力和實驗綜合技能。競賽內(nèi)容主要涉及模-數(shù)混合電路、單片機、可編程器件的應(yīng)用等方面。而2007年的競賽除了前幾屆的要求外，對控制精度的要求大大提高了。比如，“智能小汽車蹺蹺板”這個題目，除了按競賽組委會的規(guī)定，必須在4天內(nèi)完成傳統(tǒng)的方案設(shè)計、電路原理設(shè)計、硬件制作、硬件調(diào)試、軟件編程和設(shè)計報告等基本工作外，還要完成蹺蹺板的機械設(shè)計與加工。對于不同的結(jié)構(gòu)形式，其控制方式和軟件算法的設(shè)計也有所不同。由于時間非常緊張，要求學(xué)生不但要對電子技術(shù)等課程的基本概念、基本電路、基本分析和設(shè)計方法熟練掌握，而且要非常熟悉單片機系統(tǒng)的芯片選型和硬件設(shè)計，才能快速提供完整的系統(tǒng)解決方案，并進行程序設(shè)計；同時還要求學(xué)生具備很強的實踐動手能力，自己去完成機械裝配和調(diào)試，迅速判斷故障和調(diào)試電路，否則就無法按時完成設(shè)計任務(wù)。由此可知，今后電子設(shè)計大賽是趨勢是向多學(xué)科、高難度的方向發(fā)展。

電子設(shè)計大賽對單片機實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新的啟發(fā)

對歷屆競賽題目進行分析和研究，可以看出，能夠用單片機作為控制器來完成設(shè)計任務(wù)的競賽題目占到50%以上。作為自動化和測控專業(yè)的平臺類必修專業(yè)基礎(chǔ)課，各高校均已開設(shè)了單片機課程。我院自動化和測控專業(yè)的單片機課程均是以MCS-51系列單片機為模本來進行具體闡述和學(xué)習(xí)的。電子設(shè)計競賽對高校在教學(xué)改革中注重培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力方面提出了更高的要求。針對以往存在的問題和歷屆我校電子設(shè)計大賽成功的經(jīng)驗和失敗的教訓(xùn)，從2006年開始，我院開始對單片機實驗教學(xué)進行了一些改革嘗試。

單片機實驗教學(xué)內(nèi)容和方法的改革

單片機實驗教學(xué)現(xiàn)狀以往的實驗教學(xué)通常是預(yù)先由教師設(shè)計好相應(yīng)的實驗項目，如程序設(shè)計、I/O口使用、中斷與定時器使用、顯示與鍵盤等，然后讓學(xué)生照本宣科地重復(fù)，完成教學(xué)大綱所規(guī)定的實驗，這種實驗教學(xué)方法從一定程度上可以讓學(xué)生盡快熟悉和進入單片機這個領(lǐng)域，但不利于學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合運用知識能力的培養(yǎng)，同時也不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，出現(xiàn)了有的學(xué)生不做實驗前準(zhǔn)備、抄襲他人程序和實驗報告的不良現(xiàn)象。這樣就造成了在做單片機應(yīng)用系統(tǒng)綜合設(shè)計時，很多學(xué)生拿到課題后不知所措，既不知如何進行系統(tǒng)設(shè)計，也不知如何進行芯片選型，更不用說提供完整的系統(tǒng)方案了。經(jīng)過分析，筆者認(rèn)為以往的實驗課程體系存在如下弊端：(1)驗證性實驗過多，綜合性、啟發(fā)性實驗不夠；(2)沒有大型設(shè)計性和綜合性實驗；(3)基本沒有進行過動手能力訓(xùn)練，更不用說培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的思路筆者從實驗內(nèi)容的調(diào)整、增加C51應(yīng)用編程方面的訓(xùn)練、增加實驗教學(xué)時數(shù)等三個方面對教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整。

1.實驗內(nèi)容的調(diào)整。我校采用的實驗系統(tǒng)為廣州周立功單片機發(fā)展有限公司開發(fā)的DP-51PRO單片機綜合仿真實驗儀，該綜合仿真實驗儀具有功能強大，使用方便等特點，可以讓學(xué)生在裝置上進行許多綜合性和設(shè)計性實驗。DP-51PRO單片機綜合仿真實驗儀主要有如下一些模塊：(1)MON51仿真調(diào)試模塊；(2)總線I/O擴展模塊；(3)8155外擴I/O實驗區(qū)；(4)輸入系統(tǒng)：撥盤開關(guān)、單鍵按鈕、鍵盤系統(tǒng)；(5)輸出系統(tǒng)：8個LED及LCD模塊；(6)8×8點陣LED模塊；(7)并行、串行8位AD及DA實驗?zāi)K；(8)直流電機、步進電機實驗?zāi)K；(9)數(shù)字溫度采集試驗?zāi)K。還有許多與實際工程相關(guān)的實驗?zāi)K。如何讓學(xué)生全面熟悉這些模塊及器件，是實驗教材所需解決的問題。而現(xiàn)有實驗指導(dǎo)教材關(guān)于這方面的內(nèi)容介紹很少。所以，在實驗教材中增加這部分內(nèi)容十分必要。筆者根據(jù)單片機課程的特點，將實驗教學(xué)內(nèi)容分為三個部分：第一部分為硬件、軟件基礎(chǔ)知識相關(guān)內(nèi)容的訓(xùn)練，主要有系統(tǒng)認(rèn)識實驗、指令系統(tǒng)實驗、匯編語言程序設(shè)計實驗。第二部分為基本接口實驗，安排的內(nèi)容主要有利用8155進行輸入、輸出實驗；定時器/計數(shù)器應(yīng)用實驗；ADC0809轉(zhuǎn)換器實驗、DAC0832轉(zhuǎn)換器實驗；中斷系統(tǒng)實驗；串行口通信實驗。第三部分為綜合性設(shè)計實驗，是在前面實驗的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生充分利用DP-51PRO單片機綜合仿真試驗儀的硬件資源，用所學(xué)的匯編及C51程序知識進行的。安排的內(nèi)容主要有電腦時鐘、頻率計、數(shù)字溫度計、電子音樂、步進電機、直流電機控制、電子液晶顯示屏設(shè)計等。

2.增加C51應(yīng)用編程方面的訓(xùn)練?，F(xiàn)在社會上的單片機系統(tǒng)己經(jīng)普遍采用基于C51高級語言的軟件系統(tǒng)。C51高級語言具有程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好、易于維護等優(yōu)點，一條C語句相當(dāng)于幾條匯編指令，完成同樣功能程序的指令語言行數(shù)也大大縮小，更便于復(fù)雜算法的實現(xiàn)和調(diào)試。為了提高學(xué)生的軟件開發(fā)能力和實驗效率，我們在實驗中給學(xué)生增加了相應(yīng)C51的編程訓(xùn)練。C51與C高級語言十分類似，通過《C語言程序設(shè)計》課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，只需給他們提供相應(yīng)的教材，輔之以循序漸進的實驗，他們完全能夠通過自學(xué)掌握C51。

3.增加實驗教學(xué)時數(shù)。在學(xué)習(xí)理論課程時，學(xué)生要么只注意到了局部的硬件知識或者簡單的匯編指令等內(nèi)容，要么只注意到單片機系統(tǒng)具有很強大的功能，而不知自己如何應(yīng)用單片機資源開發(fā)設(shè)計自己的產(chǎn)品。所以，必須把理論教學(xué)和實踐教學(xué)有機地結(jié)合起來，充分發(fā)揮實踐教學(xué)的優(yōu)勢。單片機實驗是掌握單片機應(yīng)用技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。從2006年開始，我院把實驗課時數(shù)由12學(xué)時增加到18學(xué)時左右，約占總課時的28%。讓學(xué)生有盡量多的時間在實踐中學(xué)習(xí)，同時也利于綜合性設(shè)計實驗的開展。這一改革的成效在2007年電子設(shè)計大賽中得到了充分體現(xiàn)。

教學(xué)方法改革的設(shè)想對于教學(xué)方法改革，筆者有以下幾點設(shè)想。

1.提高學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣。興趣是最好的老師。為了提高學(xué)生對《單片機原理及應(yīng)用》這門課程的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，可以在開課幾周之后，邀請一些著名的單片機開發(fā)公司技術(shù)人員來校做“單片機與就業(yè)”、“單片機的應(yīng)用”等方面的專題講座，使學(xué)生們充分了解單片微機在工業(yè)控制、智能儀器儀表、計算機外部設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和家用電器等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景及作為一個電子工程師學(xué)好單片機的重要性和必要性。

2.在實驗中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。單片機實驗教學(xué)內(nèi)容大多是理論知識的驗證，應(yīng)用理論知識解決實際問題的設(shè)計性實驗相對較少。在單片機實驗教學(xué)中，我們把驗證性實驗安排在教學(xué)環(huán)節(jié)的前期，這樣有助于學(xué)生盡快熟悉單片機軟硬件環(huán)境。同時，為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，我們還增加了設(shè)計性實驗的分量。實驗指導(dǎo)書上只給出實驗的任務(wù)和要求以及實驗的原理性說明，學(xué)生必須根據(jù)實驗的目的和要求，獨立設(shè)計實驗的硬件電路和程序，并對軟硬件進行聯(lián)機調(diào)試，然后觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果，寫出實驗報告。學(xué)生通過這樣的訓(xùn)練，增強了獨立思考問題、解決問題的能力，動手能力也得到了很好的鍛煉。除此之外，對于自動化和測控專業(yè)還應(yīng)將單片機和專業(yè)課程結(jié)合在一起安排學(xué)生進行課程設(shè)計，以加強學(xué)生在自動控制領(lǐng)域應(yīng)用單片機的能力。設(shè)計研究性實驗和課程設(shè)計雖然有一定難度和深度，但對學(xué)生很有吸引力，能使學(xué)生從被動應(yīng)付實驗變成主動實驗，不僅提高了學(xué)生的基本操作技能，也發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性和創(chuàng)造性。在整個實驗進行過程中，要以學(xué)生為實驗主體，指導(dǎo)教師在實驗的組織管理上唱“主角”，而在實驗中只能唱“配角”，最大限度地調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生分析并解決實驗中出現(xiàn)的問題，給學(xué)生指明方向，避免走彎路，并解答實驗當(dāng)中出現(xiàn)的疑難問題。例如，在電腦時鐘實驗中，有學(xué)生問定時/計數(shù)器的計數(shù)初值如何設(shè)置。這個問題涉及晶振頻率對機器周期的影響和定時/計數(shù)器的工作原理。我們先引導(dǎo)學(xué)生通過實驗修改定時器計數(shù)初值前后的實驗結(jié)果，使學(xué)生得到感性認(rèn)識，然后再指出為什么有時走得快，有時走得慢，使學(xué)生加深了對理論知識的理解，學(xué)到了實際知識，培養(yǎng)了分析問題、解決問題的能力，減少了對教師的依賴心理。

3.鼓勵學(xué)生利用課余時間進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。在課余時間開放實驗室，創(chuàng)造一個寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供課余時間進行單片機綜合性、設(shè)計性實驗的條件，充分發(fā)揮實驗室現(xiàn)有實驗設(shè)備的效能。這種實驗教學(xué)模式，既體現(xiàn)了高等教育以學(xué)生為中心的理念，又提高了他們的責(zé)任感和自信心，進而為激發(fā)其創(chuàng)造力發(fā)揮更大的作用。另外，借鑒電子大賽培訓(xùn)的成功經(jīng)驗，為學(xué)生提供了完全兼容51系列單片機的STC89C52RC最小單片機系統(tǒng)，方便學(xué)生利用KeilC51仿真軟件和STC_ISP_V2.9下載軟件進行實驗而不需要成本高昂的仿真開發(fā)工具，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣。

4.側(cè)重于對學(xué)生應(yīng)用、創(chuàng)新能力的考核。以往單片機課程的考核只注重理論知識，在考前學(xué)生會花很多時間死記硬背書中的原理知識，最后的考試成績都很好。實際上，大多數(shù)高分學(xué)生只知其然而不知其所以然，連運用單片機實現(xiàn)一個簡單的系統(tǒng)都不會，造成了“高分低能”現(xiàn)象。作為一門實踐性很強的課程，應(yīng)該把實踐環(huán)節(jié)納入考核之中，加大實踐環(huán)節(jié)所占的比例，這樣才有利于真正了解學(xué)生對知識的掌握情況，對學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程也會起到促進作用。考核形式也不應(yīng)只拘泥于筆試。比如考核總成績100分，可由三部分組成，理論知識(30分)，實驗(30分)和大作業(yè)(40分)，其中大作業(yè)給學(xué)生幾個用單片機來實現(xiàn)的設(shè)計題目，讓學(xué)生在限定的時間內(nèi)在課外獨立完成，根據(jù)做的情況采用答辯的方式評分。

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽為單片機實驗教學(xué)的改革指出了一個方向。應(yīng)以此為契機，積極、主動地促進單片機實驗課程的改革，以使單片機實驗課程跟上時代發(fā)展的潮流，使學(xué)生學(xué)完單片機后，初步具有單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)能力。

參考文獻：

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作者簡介：

彭宇興(1969—)，男，四川鄰水人，重慶科技學(xué)院高級工程師，研究方向為智能控制、檢測與故障診斷技術(shù)。

(本文責(zé)任編輯：尚傳梅)