重慶大學(xué)城市科技學(xué)院電氣信息學(xué)院 唐 媛 李菊芳 汪 鑫

近年來，借助于美國(guó)成功的教學(xué)改革示范，我國(guó)越來越多的學(xué)者開始關(guān)注“新三中心”論，即“以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以學(xué)習(xí)效果為中心”[1]。《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是一門具有較強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用的綜合性課程，是機(jī)電、自動(dòng)化、電氣和物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)《嵌入式技術(shù)》、《智能化儀器儀表》等專業(yè)課程，開展畢業(yè)設(shè)計(jì)、參加工作的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)中尤為重要[2]。然而，該課程內(nèi)容繁雜、理論知識(shí)抽象、枯燥、跨度大，致使大多學(xué)生存在不同程度的畏懼心理[3]?；诖耍疚耐ㄟ^理論與實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和競(jìng)賽綜合訓(xùn)練三個(gè)階段的教學(xué)改革與配合，聯(lián)系“新三中心”論的教育思想，逐步提高學(xué)生的科技創(chuàng)新、探究問題、實(shí)際動(dòng)手以及其他智能方面能力的全面發(fā)展，培養(yǎng)緊跟社會(huì)發(fā)展需要的綜合性專業(yè)人才。

1.理論與實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)

愛因斯坦曾說“教育不是要記住各種事實(shí)，而是要訓(xùn)練大腦如何思考”?；趩纹瑱C(jī)課程理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用并重的特點(diǎn)，我們從根本上摒棄傳統(tǒng)“講授式”教學(xué)中將理論課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)嚴(yán)格區(qū)分的模式，打破教材和書本中章節(jié)的限制。結(jié)合前沿科學(xué)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)，以典型的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)課程教學(xué)設(shè)計(jì)，將理論和實(shí)踐教學(xué)融合統(tǒng)一。圍繞每一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目，按照項(xiàng)目開發(fā)流程，制定相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，講解相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)[4]。項(xiàng)目任務(wù)式理論課程安排，如表1所示。

表1 項(xiàng)目任務(wù)式理論課程安排

課程利用單片機(jī)最小系統(tǒng)、花樣流水燈、十字路口交通燈、LED點(diǎn)陣廣告牌、LCD1602顯示、汽車轉(zhuǎn)向燈以及電子密碼鎖七個(gè)小項(xiàng)目，將單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、中斷系統(tǒng)、定時(shí)計(jì)數(shù)器以及串口通信等枯燥乏味的理論知識(shí)與實(shí)際生活實(shí)例相結(jié)合，達(dá)到邊學(xué)邊做、邊做邊學(xué)的效果。教師在完整講授相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)后，立即指導(dǎo)學(xué)生在自己攜帶的筆記本電腦上使用 PROTEUS仿真軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路原理圖，并使用KEIL C51進(jìn)行軟件系統(tǒng)的編譯與修改調(diào)試。最終，將KEIL C51中生成的Hex文件導(dǎo)入到PROTEUS硬件電路中，觀察實(shí)驗(yàn)的模擬仿真效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱和51系統(tǒng)在線仿真開發(fā)板，可現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)直觀地觀察、調(diào)試、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)際結(jié)果與理論課堂中的模擬仿真效果進(jìn)行對(duì)比分析。教師在教室里巡回指導(dǎo)，及時(shí)幫助學(xué)生解決在實(shí)際操作中遇到的困難，如程序語法出錯(cuò)、實(shí)物連線混亂、程序無法燒錄等問題。為了杜絕學(xué)生之間互相抄襲、不做實(shí)驗(yàn)、不思考的現(xiàn)象，教師在檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)，隨機(jī)提出一些與實(shí)踐操作相關(guān)的問題檢驗(yàn)學(xué)生是否認(rèn)真參與到實(shí)驗(yàn)過程中。

2.課程設(shè)計(jì)

古人有云“授人以魚，不如授之以漁”，正如“新三中心”論中重視知識(shí)獲取的過程一樣。課程設(shè)計(jì)的實(shí)施過程中，不再采用“教師擬題，學(xué)生制作”的傳統(tǒng)教學(xué)模式。而是由2個(gè)學(xué)生一組，根據(jù)自己的興趣愛好和課程要求，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目。老師只起到提示、引導(dǎo)的作用，指導(dǎo)學(xué)生查閱有關(guān)圖書資料或網(wǎng)絡(luò)資源，分析題目的可行性，確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。讓學(xué)生從被動(dòng)的接受式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的探究式學(xué)習(xí)，積極參與到教學(xué)活動(dòng)中來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。課程設(shè)計(jì)的具體開發(fā)流程，如圖1所示。

圖1 課程設(shè)計(jì)開發(fā)流程圖

通過上述教學(xué)改革，歷屆學(xué)生結(jié)合實(shí)際生活提出的典型課程設(shè)計(jì)題目有：基于單片機(jī)的搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)、LED數(shù)字倒計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)以及智能交通燈設(shè)計(jì)等。如圖2所示，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)的基于STC89C52搶答器系統(tǒng)的硬件電路仿真圖(a)和實(shí)物效果圖(b)。

每年我校都組織學(xué)生參加形式不一、規(guī)模不等、層次不同、種類豐富的電子類競(jìng)賽。如：院級(jí)的“Runing Rocket”水火箭比賽、微發(fā)電裝置設(shè)計(jì)制作比賽、電子產(chǎn)品組裝比賽、電子設(shè)計(jì)比賽；市級(jí)的重慶市大學(xué)生“合泰杯”單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“TI”杯重慶市大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中國(guó)·重慶職業(yè)技能大賽；國(guó)家級(jí)的全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力訓(xùn)練競(jìng)賽等等。通過積極鼓勵(lì)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇參加相關(guān)的競(jìng)賽，對(duì)充分拓展學(xué)生自主學(xué)習(xí)專業(yè)課程、豐富課余生活、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣起到了良好的作用。

圖2 基于STC89C52搶答器的設(shè)計(jì)

3.競(jìng)賽綜合訓(xùn)練

以全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，每個(gè)參賽隊(duì)伍由3名學(xué)生組成，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成審題、方案論證、軟硬件設(shè)計(jì)、加工制作、聯(lián)機(jī)調(diào)試以及撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告等工作[5]。為了使學(xué)生適應(yīng)比賽機(jī)制，增強(qiáng)參賽技能，我校在暑假期間采用四天三夜的模式，組織學(xué)生進(jìn)行歷年比賽真題的集中模擬訓(xùn)練。在訓(xùn)練中，軟件部分要求學(xué)生掌握市場(chǎng)上流行的STM32、MSP430、FPGA、DSP等芯片編程，擴(kuò)大自己的知識(shí)面。硬件部分，要求學(xué)生會(huì)使用Altium Designer繪制PCB板，并會(huì)使用熱轉(zhuǎn)印法腐蝕加工板子，提高自己的動(dòng)手操作能力。圖3為學(xué)生模擬訓(xùn)練時(shí)，制作的鎖定放大器電路實(shí)物圖。

今年我校組織8個(gè)隊(duì)伍參加2017年全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽，其中有2組獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)，2組獲得重慶市一等獎(jiǎng)，3組獲得重慶市二等獎(jiǎng)。這樣的成績(jī)對(duì)于一所獨(dú)立院校來說十分不易，可見我們的培養(yǎng)效果顯著。

在準(zhǔn)備訓(xùn)練以及參加各種比賽的過程中，學(xué)生從依靠外部力量到獨(dú)立發(fā)現(xiàn)并解決問題的改變，使其更容易將所學(xué)到的數(shù)模電路、傳感器技術(shù)、單片機(jī)、FPGA以及嵌入式系統(tǒng)等一系列專業(yè)課程知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通、綜合運(yùn)用，從而獲得屬于自己的見解[6]。這不僅僅提高了他們自身的綜合能力素質(zhì)，也滿足了當(dāng)代社會(huì)對(duì)綜合性專業(yè)人才的需求。學(xué)生畢業(yè)后不再需要過長(zhǎng)的理論到實(shí)踐過渡期，就能適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)的需要，并獨(dú)立完成工作。

圖3 鎖定放大器電路實(shí)物圖

4.總結(jié)

本文針對(duì)單片機(jī)課程的特點(diǎn)和社會(huì)人才需求分析，結(jié)合“新三中心”論，深入探討了《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)改革方案。通過理論和實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)、課程設(shè)計(jì)以及競(jìng)賽綜合訓(xùn)練三個(gè)階段的配合教學(xué)，循序漸進(jìn)地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)其自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)、探究問題和工程實(shí)踐的能力。實(shí)踐教學(xué)證明，完成以上三步訓(xùn)練的同學(xué)，對(duì)單片機(jī)相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，無論是從軟件仿真還是到實(shí)物制作都能很好的完成。同時(shí)，在就業(yè)過程中，具備較強(qiáng)的專業(yè)綜合實(shí)力，更容易獲得企業(yè)HR的青睞。

[1]趙炬明.論新三中心:概念與歷史——美國(guó)SC本科教學(xué)改革研究之一[J].高等工程教育研究,2016(3):35-56.

[2]遲少華,方華.基于案例分析的《單片機(jī)原理與應(yīng)用》教改研究[J].福建電腦, 2016,32(4):162-163.

[3]王瑾.單片機(jī)原理與應(yīng)用》教改探索[J].中國(guó)科技信息,2008(2):235-235.

[4]王英輝,孫文福.單片機(jī)課程改革及新教學(xué)模式的研究[J].輕工科技,2017(1):138-139.

[5]翟紅云,凌藝春.電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽促進(jìn)下的單片機(jī)教學(xué)改革初步探索與研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,33(s1):365-367.

[6]李敏.從電子競(jìng)賽看三本院校單片機(jī)課程改革[J].電子世界,2014(16):287-288.