黃玉燕

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代船舶日趨走向高度自動(dòng)化，船舶動(dòng)力系統(tǒng)及維持船舶運(yùn)行的各種電氣設(shè)備系統(tǒng)的管理和參數(shù)檢測(cè)大多實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化控制。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已成為輪機(jī)工程專業(yè)不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生學(xué)好“輪機(jī)自動(dòng)化”課程必要的前導(dǎo)課。目前相關(guān)院校的輪機(jī)工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)多以“單片機(jī)原理及應(yīng)用”作為課程講解，該課程屬于硬件基礎(chǔ)課，其本身的特性決定了課程內(nèi)容之間相對(duì)獨(dú)立、知識(shí)點(diǎn)零散且內(nèi)容枯燥。要真正理解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，需要在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程中學(xué)習(xí)較多的硬件基礎(chǔ)知識(shí)，在芯片級(jí)上理解電路間的工作原理。該專業(yè)雖然不需要學(xué)生掌握編程技術(shù)，但計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中，硬件技術(shù)和軟件編程不是相互獨(dú)立的，為了講解芯片的應(yīng)用技術(shù)又必須用到編程語(yǔ)言。作為專業(yè)基礎(chǔ)課該課程往往課時(shí)不多，集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院目前的課時(shí)是40學(xué)時(shí)，在這短短的課時(shí)內(nèi)還要堅(jiān)持理論與實(shí)踐并重，才能真正符合專業(yè)的需要。如果以傳統(tǒng)的教學(xué)方法，沒(méi)有對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行必要的改革，這門課總是讓學(xué)生覺(jué)得很難，甚至不知所云，這會(huì)給學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)帶來(lái)相當(dāng)大的麻煩。為此本文從專業(yè)的角度出發(fā)提出該課程的教學(xué)改革方案。

一、制定合理的教學(xué)大綱，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)大綱體現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)要求，以綱領(lǐng)的形式規(guī)定了教學(xué)的計(jì)劃和任務(wù)，是教師教學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)，在課程中起著極其重要的作用。集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院本著以專業(yè)要求為指導(dǎo)方針，征求了具有豐富船上實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的輪機(jī)員和專業(yè)課程教師的意見(jiàn)，了解輪機(jī)工程專業(yè)在實(shí)踐中對(duì)該課程的具體要求，從專業(yè)實(shí)際需要出發(fā)，對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化并調(diào)整了教學(xué)方向，制定了新的教學(xué)大綱。與以往有很大不同的是，新的教學(xué)大綱大幅提高了實(shí)踐教學(xué)在課程中的比重，著重強(qiáng)調(diào)了該課程以實(shí)踐為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。大綱基本體現(xiàn)了該專業(yè)的崗位性和應(yīng)用性的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性、實(shí)踐性。因?yàn)樵搶I(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)這門課不是以研究和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)技術(shù)為目標(biāo)，重點(diǎn)是理解計(jì)算機(jī)技術(shù)在船舶機(jī)艙各個(gè)系統(tǒng)模塊自動(dòng)控制中的作用，教學(xué)目標(biāo)以夠用為度。新的教學(xué)大綱將重點(diǎn)放在專業(yè)實(shí)際應(yīng)用中涉及的原理、通用性較強(qiáng)的接口電路上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況簡(jiǎn)化了芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路原理的教學(xué)，側(cè)重點(diǎn)放在芯片的外部特性和應(yīng)用上，增加了實(shí)際訓(xùn)練，強(qiáng)化應(yīng)用，以實(shí)際操作理解芯片本身的工作原理及信號(hào)在芯片之間傳送和控制的原理。為學(xué)生理解船舶機(jī)艙參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理奠定必要的基礎(chǔ)。

二、加強(qiáng)課堂教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方法

課堂教學(xué)是很重要的過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的主要途徑。課堂教學(xué)方法是否合理，在很大程度上決定了教學(xué)效果的好壞，決定了教學(xué)目的能否真正實(shí)現(xiàn)。

1.激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

課程開(kāi)始第一次課精彩的開(kāi)場(chǎng)是非常重要的，需要向?qū)W生介紹該課程在所學(xué)專業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用情況。對(duì)于輪機(jī)專業(yè)可以舉一些船上的實(shí)例，如以燃油黏度或柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)等為例，以專業(yè)項(xiàng)目為導(dǎo)向?qū)纹瑱C(jī)控制技術(shù)作與專業(yè)相關(guān)的介紹，說(shuō)明本課程是專業(yè)的重要基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)單片機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用進(jìn)一步說(shuō)明單片機(jī)應(yīng)用的普遍性，如果能對(duì)該課程融會(huì)貫通，實(shí)際上是掌握了一門通用性技術(shù)。通過(guò)實(shí)際案例和精心準(zhǔn)備的相應(yīng)圖片資料引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.以應(yīng)用為教學(xué)主線，以仿真演示促進(jìn)課堂教學(xué)

單片機(jī)課程都是按照“結(jié)構(gòu)”“指令”“編程”“擴(kuò)展”及“接口”的體系來(lái)組織。只有在課程即將結(jié)束時(shí)才有涉及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，而此前的學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確。如果在教學(xué)中按照教材順序孤立地講授各個(gè)模塊知識(shí)，必然會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得內(nèi)容抽象、空洞，甚至學(xué)不下去。為了解決這個(gè)問(wèn)題，教師需要改進(jìn)教學(xué)方法，將單片機(jī)的應(yīng)用作為主線貫穿始終，在講授每一硬件模塊知識(shí)時(shí)，與該模塊在專業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。同時(shí)為了使學(xué)生能夠在課堂上有直觀的感性認(rèn)識(shí)，教學(xué)中采用Proteus軟件仿真演示是一種很有效的方法。

Proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，它可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM7等常用的MCU，支持多種常用外圍器件，提供多種虛擬儀器儀表，能對(duì)匯編語(yǔ)言編寫的源程序代碼直接編譯并仿真調(diào)試［1］［2］。教學(xué)中可以利用該軟件對(duì)專業(yè)上的案例進(jìn)行仿真，達(dá)到生動(dòng)形象、直觀的效果，使教學(xué)內(nèi)容不再枯燥。以船舶上鍋爐水位控制系統(tǒng)為例，船舶鍋爐水位通常要求控制在一個(gè)范圍內(nèi)。

圖1 船舶鍋爐水位控制單片機(jī)仿真

如圖1在鍋爐中放置三個(gè)電極A、B、C，鍋爐運(yùn)行時(shí)要求水位控制在電極B和C間，電極由導(dǎo)線引出，B和C電極有水時(shí)，則其相應(yīng)的引線上電位為高，無(wú)水時(shí)其電位相應(yīng)為低電位。水位信號(hào)的這種變送方法學(xué)生很容易理解，高低水位信號(hào)分別從單片機(jī)的P1.7和P1.0引入，Proteus仿真時(shí)，可以用右圖電路中的開(kāi)關(guān)S1和S2合、斷模擬電極B和C處無(wú)水、有水兩種情況，P2.0輸出高低電平控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)和停來(lái)模擬對(duì)水泵的控制，在Proteus應(yīng)用軟件中編寫相應(yīng)的匯編指令，然后直接編譯后加載到圖中的AT89C51單片機(jī)中，課堂演示時(shí)通過(guò)任意按動(dòng)S1、S2，可以讓學(xué)生很直觀地看到［3］當(dāng)水位在電極B和C間時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)維持不變;水位低于電極B時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬了水泵開(kāi)始打水的工作;水位高于電極C時(shí)，電動(dòng)機(jī)則停止轉(zhuǎn)動(dòng);如果S1合、S2開(kāi)(相當(dāng)于低位電極處無(wú)水，高位電極處有水)仿真系統(tǒng)通過(guò)P3.3輸出報(bào)警且控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，表示系統(tǒng)出錯(cuò)了。這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)可以很清楚地講解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)以及各個(gè)結(jié)構(gòu)模塊的作用，又與其所學(xué)專業(yè)相結(jié)合，給課堂教學(xué)帶來(lái)很好的效果。

對(duì)于每個(gè)教學(xué)模塊都制作了幾個(gè)相應(yīng)的仿真演示，演示的項(xiàng)目仿真輪機(jī)專業(yè)上的控制案例，還將仿真演示的圖和編程都提供給學(xué)生，讓學(xué)生可以自己在課后對(duì)仿真項(xiàng)目進(jìn)行操作、調(diào)試，這往往會(huì)引發(fā)學(xué)生的興趣，同時(shí)對(duì)學(xué)生理解課程方面起到很好的作用。［4］

三、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)

多數(shù)院校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室都配備了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)，說(shuō)明書(shū)為單片機(jī)課程的每個(gè)章節(jié)配備了一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并提供了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路圖和實(shí)驗(yàn)程序清單，程序固化在實(shí)驗(yàn)箱的ROM芯片中。這些程序多數(shù)比較長(zhǎng)，因?yàn)樵撜n程對(duì)于輪機(jī)專業(yè)的學(xué)生應(yīng)以硬件特性為主要內(nèi)容，編程內(nèi)容很少，自然對(duì)長(zhǎng)的程序難以看懂，所以學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室往往會(huì)直接將ROM中的程序調(diào)出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果馬上出來(lái)而且完全正確，但其實(shí)際效果很差，很多學(xué)生根本不知道實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么。為此，根據(jù)專業(yè)的需要，教學(xué)中調(diào)整了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要采取了以下措施。

1.將教學(xué)引入實(shí)驗(yàn)室

有些教學(xué)環(huán)節(jié)直接在實(shí)驗(yàn)室完成，教師將教學(xué)內(nèi)容所需的仿真用Proteus做好后通過(guò)投影可以很好地講解，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)箱用真實(shí)的硬件構(gòu)成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，老師講解的同時(shí)學(xué)生動(dòng)手，碰到問(wèn)題學(xué)生很快就能理解是為什么，大大促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課程原理的理解。

2.開(kāi)設(shè)適宜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

不采用實(shí)驗(yàn)箱原有的配套實(shí)驗(yàn)，根據(jù)專業(yè)的需求，自編實(shí)驗(yàn)教材，開(kāi)設(shè)一些難易適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)，如簡(jiǎn)單的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、接口、中斷實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)所需編程很少就能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教材只是給學(xué)生提出問(wèn)題，提供解決問(wèn)題的思路，起到啟發(fā)作用，但不給出具體的電路和編程，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試中的單步運(yùn)行和設(shè)斷點(diǎn)運(yùn)行可以很好地理解具體的控制原理。通過(guò)兩屆學(xué)生的實(shí)踐，多數(shù)學(xué)生能在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，收到良好的教學(xué)效果。

四、結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)課程在專業(yè)應(yīng)用上的情況適時(shí)修訂教學(xué)大綱，修訂后的大綱體現(xiàn)了淡化原理、注重實(shí)用的特點(diǎn)，使課程教學(xué)內(nèi)容符合專業(yè)的需求。同時(shí)利用多功能的計(jì)算機(jī)軟件作為平臺(tái)改善教學(xué)方法，使該課程體現(xiàn)了內(nèi)容直觀、透徹的特點(diǎn)。課程設(shè)計(jì)上積極地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的熱情，通過(guò)調(diào)查課程改革后的兩屆學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)效果的反映，與以往的情況相比較，結(jié)果表明這種改革是卓有成效的，顯著改善了課堂的教學(xué)效果。教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期而系統(tǒng)的工程，需要不斷的探索與實(shí)踐，不斷改善教學(xué)方法，提高教學(xué)能力，這還需要我們不斷地付出艱苦的勞動(dòng)。

［1］候玉寶，陳忠平.基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真人［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：11-27.

［2］伍馮浩，謝 斌.基于Proteus與Keil的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2009，28(7)：125-127.

［3］林志琦.基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：50-85.

［4］高 博，周 婷.“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.中國(guó)電力教育.2010(1)：153-154.