林 峰，潘可賢，馮陳偉

(廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

目前幾乎所有工科院校的機(jī)電類專業(yè)都開(kāi)設(shè)了《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程及其相關(guān)實(shí)踐課(單片機(jī)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì))［1］。但當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果卻不盡如人意，對(duì)提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的幫助非常有限。2009年12月教育部正式啟動(dòng)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)［2］。如何面向卓越工程師計(jì)劃，提高單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和綜合實(shí)踐能力是值得廣大單片機(jī)課程教師思考的問(wèn)題。本文就此課題展開(kāi)探索和實(shí)踐。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前高校中單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在著以下的不足之處:

(1)目前單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本上是高度集成的實(shí)驗(yàn)箱，如偉福LAB6000等，其內(nèi)部已集成很多功能部件和單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生只需要遵照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，進(jìn)行簡(jiǎn)單的連線，編寫相關(guān)程序，編譯下載并觀看程序運(yùn)行結(jié)果。由于學(xué)生不了解實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的電路，實(shí)驗(yàn)課只能訓(xùn)練他們的單片機(jī)編程能力，而無(wú)法訓(xùn)練學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力。

(2)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置有“三多三少”現(xiàn)象。即驗(yàn)證性、認(rèn)識(shí)性的實(shí)驗(yàn)多，設(shè)計(jì)性、綜合性、啟發(fā)性的實(shí)驗(yàn)少;經(jīng)典型實(shí)驗(yàn)多，現(xiàn)代型實(shí)驗(yàn)少;操作能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)多，綜合能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)少［3］。基于實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)模式使得絕大多數(shù)學(xué)生無(wú)法從整體上把握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)，與社會(huì)需求的差距較大［4］。

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)一般是1630個(gè)學(xué)時(shí)，絕大部分學(xué)生難以按時(shí)完成課堂實(shí)驗(yàn)。同時(shí)受到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性程度的影響，學(xué)生也難以在課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行附加的實(shí)驗(yàn)，其動(dòng)手能力難以得到訓(xùn)練和提高。

以上的種種不足不僅影響了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，也無(wú)法提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，更不用說(shuō)培育學(xué)生的創(chuàng)新能力，這與“卓越工程師計(jì)劃”的精神背道而行，因此需要對(duì)單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。

2 探索以應(yīng)用系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式

在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)前，教師需要設(shè)定一個(gè)具有實(shí)際意義的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為該課程的目標(biāo)，而不是依賴實(shí)驗(yàn)箱。每次實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生需要完成該系統(tǒng)的某個(gè)功能部件的設(shè)計(jì)，從小到大，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，通過(guò)小模塊的訓(xùn)練，逐層深入，最后整合這些功能部件，完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在每次實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生需要進(jìn)行精心的預(yù)習(xí)，查找資料，設(shè)計(jì)電路原理圖。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師需要檢查學(xué)生電路圖是否正確，若無(wú)問(wèn)題，學(xué)生將相應(yīng)的元器件焊接到萬(wàn)用板上，并編寫單片機(jī)軟件，驗(yàn)證電路的正確性。

這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅訓(xùn)練了學(xué)生的軟件編程能力，也訓(xùn)練了學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程更貼近于單片機(jī)實(shí)際系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，可激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲望，積極發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新主動(dòng)性，充分挖掘?qū)W生的應(yīng)用潛能。

3 精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

以應(yīng)用系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，要求教師對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)分解，使得每次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅切合單片機(jī)理論教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，而且體現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的某種功能。

下面以溫度數(shù)據(jù)采集、顯示和報(bào)警系統(tǒng)為例，介紹實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置。

該系統(tǒng)具有以下功能:(1)可以手動(dòng)控制溫度采集的開(kāi)始和結(jié)束;(2)采集開(kāi)始后，系統(tǒng)自動(dòng)地每隔1小時(shí)進(jìn)行一次溫度采集;(3)需要在外部存儲(chǔ)器中保存采集的溫度數(shù)據(jù);(4)可以在LED上，在數(shù)碼管上，在LCD上和電腦上顯示溫度數(shù)據(jù);(5)如果溫度超過(guò)設(shè)置的閾值，可以通過(guò)蜂鳴器報(bào)警。

單片機(jī)的理論教學(xué)內(nèi)容通常至少會(huì)涵蓋單片機(jī)的IO，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，數(shù)碼管和按鍵，LCD等知識(shí)點(diǎn)，因此與之相關(guān)基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)必不可少。結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)的功能，以本院電子信息專業(yè)的24課時(shí)的實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡恼f(shuō)明如下:

(1)利用晶振、電阻、電容、按鍵等元器件，在萬(wàn)用板上搭建單片機(jī)的復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，制作最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)是整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。筆者在單片機(jī)理論教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，即使學(xué)完單片機(jī)理論和實(shí)驗(yàn)課程后，不少學(xué)生仍不知單片機(jī)最小系統(tǒng)為何物。該實(shí)驗(yàn)的目的是使得學(xué)生對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)有個(gè)更直觀更感性的認(rèn)識(shí)。

(2)利用LED，電阻，按鍵，蜂鳴器等器件，在萬(wàn)用板上搭建LED電路，外部中斷觸發(fā)電路和蜂鳴器報(bào)警電路。編程實(shí)現(xiàn)當(dāng)按鍵按下后，單片機(jī)每隔1 s改變LED的顯示狀態(tài)或蜂鳴器響一次。利用這三個(gè)電路，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能(1)，(2)和(5)。在整個(gè)系統(tǒng)完成前，可以先進(jìn)行外部中斷實(shí)驗(yàn)和定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)。

(3)利用MAX232芯片搭建串行口電路。單片機(jī)通過(guò)串行口向PC發(fā)送數(shù)據(jù)，PC上利用串口調(diào)試助手觀察接收到的數(shù)據(jù)。在基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)經(jīng)常會(huì)與PC機(jī)進(jìn)行通信。目標(biāo)系統(tǒng)中溫度數(shù)據(jù)需要顯示在PC上，即可利用該串行通信電路實(shí)現(xiàn)。

(4)利用七段數(shù)碼管、3－8譯碼器、三極管等期間，在萬(wàn)用板上搭建數(shù)碼管顯示電路。編寫程序，實(shí)現(xiàn)在數(shù)碼管上顯示數(shù)字。利用該電路可實(shí)現(xiàn)在LED上顯示采集到的溫度數(shù)據(jù)。

(5)利用1602 LCD模塊，在萬(wàn)用板上搭建LCD顯示電路。編寫程序在LCD上顯示字母，數(shù)字或自定義圖形。利用該電路可實(shí)現(xiàn)在LCD上顯示采集到的溫度數(shù)據(jù)。

(6)搭建AT24C02存儲(chǔ)擴(kuò)展電路。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是對(duì)AT24C02芯片進(jìn)行讀寫訪問(wèn)，比較兩次數(shù)據(jù)是否一致，以便驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菙U(kuò)展系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間，用來(lái)保存采集到的溫度的數(shù)據(jù)。

(7)利用DS18B20傳感器，搭建溫度采集電路，利用前面幾次實(shí)驗(yàn)的成果，完成溫度采集、顯示和報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)需要兩次實(shí)驗(yàn)課。課前需要讓學(xué)生預(yù)先了解DS18B20的工作原理，與單片機(jī)的連接方法和數(shù)據(jù)通信方法等。在實(shí)驗(yàn)課上編寫讀取DS18B20的數(shù)據(jù)的程序，并將之前所編寫的實(shí)驗(yàn)整合，修改，并調(diào)試，完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

以上的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，每次實(shí)驗(yàn)3個(gè)課時(shí)，與以往每次實(shí)驗(yàn)2課時(shí)，共12次實(shí)驗(yàn)的做法比較，總課時(shí)沒(méi)有變化，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的精心安排，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，增加每次實(shí)驗(yàn)課時(shí)，學(xué)生有充足的時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，學(xué)生不僅鞏固了單片機(jī)的理論知識(shí)，也完成了具有實(shí)際意義的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，極大增強(qiáng)了他們的自信心和成就感。

4 開(kāi)設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的實(shí)踐教學(xué)體系不僅包括單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)課程，還包括課程設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練，學(xué)生已具備小型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基本素質(zhì)，包括單片機(jī)軟件和硬件電路的設(shè)計(jì)能力。但是，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容只是在萬(wàn)用板上焊接單片機(jī)和其他的元器件器件，組成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，這還不符合真正實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。在《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)中，可以加以改進(jìn)。首先，要求學(xué)生自己調(diào)研、設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能、劃分軟硬件功能、選擇器件，用Protel軟件設(shè)計(jì)硬件原理圖，設(shè)計(jì)PCB版圖并制作PCB，設(shè)計(jì)軟件流程并編寫程序等;然后，在PCB板上焊接器件、調(diào)試硬件電路和程序等;用仿真器對(duì)所做的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，燒錄程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做試運(yùn)行，若有問(wèn)題則修改軟件或硬件，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的要求和取得滿意的效果。課程設(shè)計(jì)的題目，也可以在實(shí)驗(yàn)課程的應(yīng)用目標(biāo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提升一些難度，比如添加專用復(fù)位芯片等。經(jīng)過(guò)這種訓(xùn)練，學(xué)生的動(dòng)手能力進(jìn)一步提高，很多學(xué)生在課程設(shè)計(jì)報(bào)告中寫道“通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了實(shí)際動(dòng)手能力，感受了成功的喜悅”。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)中占有非常重要的地位，應(yīng)引起廣大教師和學(xué)生的重視。本文面向卓越工程師計(jì)劃，從教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置等方面，提出了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的具體措施。實(shí)踐表明，改革后，大多數(shù)學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力及創(chuàng)新能力得到提高，課程設(shè)計(jì)和基于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量也有明顯改善，取得良好的實(shí)驗(yàn)效果。

［1］ 陳惠明，陸榮砲.加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié) 提高“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)質(zhì)量［J］.中國(guó)林業(yè)教育，2003(6):76－77.

［2］ 王少懷，劉羽，黃培明.實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”打造“雙師型”教學(xué)團(tuán)隊(duì)［J］.中國(guó)地質(zhì)教育，2010(4):63－65.

［3］ 王洪亮，智立甫.單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探［J］.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18(6):72－73.

［4］ 蔣存波，陳小琴，金紅.提高單片機(jī)教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討［J］.電氣電工教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(3):108－110.