论文应用型工科单片机课程实践教学改革和，该文是单片机课程有关大学毕业论文范文和教学改革和单片机和工科相关论文范文检索.
苏晓峰 薛 婷 刘金颂
（西安建筑科技大学 机电工程学院,陕西 西安 710055）
摘 要：实践教学在工科院校单片机课程教学中占有非常重要的地位.针对当前单片机课程实践教学过程中存在的问题,通过重构单片机实践教学体系,优化实践教学形式和方法,创新实践教学内容,完善对实践环节的考核与评价等,进行了单片机实践教学的改革与探索.实践表明,改革后的实践教学提高了学生的单片机综合开发水平,培养了学生的工程应用能力和创新能力.
关键词：单片机；实践教学；改革；应用型
中图分类号：G642.0
文献标志码：B
单片机课程是工科院校机电信息类、通信工程类、自动化类等专业的专业基础课[1].该课程是对学生应用单片机技术的综合性训练.其目的是通过学习,使学生掌握单片机的组成单元、内部结构、编程语言、常用接口电路及编程方法等,并具备单片机实际应用系统开发的初步能力[2].要学好单片机这门课,不仅需要掌握单片机、电子技术等基本理论知识,更重要的是通过实践过程,真正掌握单片机软、硬件有机结合和应用的能力.因此,应着重改革单片机的实践教学,使实践环节更加系统化,突出实践能力培养在教学中的重要地位,切实培养学生的实际动手能力、综合思维能力和创新能力,并为其今后从事电子信息、自动化、智能产品设计等相关工程领域的工作打下良好的基础.
1单片机课程实践教学现状
1.1实践教学体系缺乏系统性,不利于学生综合实践和创新能力的培养
单片机是一门综合性、实践性、应用性都很强的课程[3].但在长期“重理论、轻实践”的观念影响下,单片机实践教学改革的深度并不明显,实践教学只是作为理论教学的验证与补充[4].如今大部分高校单片机实践教学和理论教学还属于同一门课程,实践教学改革也仅限于实验内容、学时上的调整,比如增设选修的设计性和综合性实验内容,增加实验学时等,由学生在实验箱上完成[5].这种教学模式明显深度不够,缺乏系统性和延续性,仅能使学生掌握简单的单片机实验操作技能,难以形成单片机应用系统设计与开发的能力,达不到培养学生综合实践和创新能力的要求.
1.2实践教学形式单一,教学内容和方法相对固定
目前,单片机实践教学形式主要还是以课内实验为主,由学生在课内借助实验箱完成.实验内容也比较固定单一,基本上以验证性实验为主,设计性、综合性实验很少[6].实验过程中学生只需按照指导书的要求,连几根线,然后编写简单的程序进行软件仿真或是硬件实验.这种实验明显比较简单,只能使学生了解单片机实验操作过程.同时,结构固定的实验箱很难让学生进行新的实验项目的设计和开发,这样就大大限制了学生思维和动手能力的训练.另外,教学内容上和方法上,教师缺少对当前单片机应用开发所采用的主流开发工具及套件、新技术、新器件的介绍,有关单片机实际应用系统的实例教学更是少之又少.这样导致的结果是,学生在学习完单片机这门课后依然不了解单片机产品完整的开发过程和方法,依然不具有单片机应用系统综合设计与开发的能力.
1.3 实践教学的考核与评价还有待完善
目前,多数高校对单片机课程教学的考核与评价仍以理论为主,实践教学环节没有突出应用能力与过程考核的重要性.如在单片机课程教学的成绩评定中,期末理论考试成绩占到总成绩的70%以上,实验成绩只占到10%～20%.这种重理论、轻实践的考核模式很容易使学生形成只要考前死记硬背理论概念,也能通过考试的思想意识,而不去思考实验背后的原理 [7].又如在课程设计与毕业设计的考核与评价中,主要强调了报告或论文的完整性、实物展示效果等结果的重要性,而缺少对设计实施过程的考核与评价.如方案设计的合理性和创新性、电路设计的规范性、实践动手能力的强弱等内容[8].因此,这种没有突出实践和过程重要性的考核与评价方式,尚不能全面地考核和评价学生的单片机综合实践与应用能力,也很难激发学生主动思考、学习单片机的热情.
2改革的指导思想和目标
单片机课程的实践环节是培养应用型、创新型人才根本.因此,要在“工程理念”和 “以学生为本”的理念思想指导下,以培养学生的实践动手能力为核心[9],引入学科最新技术,遵循教育教学规律,构建一套科学、合理的单片机实践教学体系,并将这一理念贯穿到单片机实践教学的全过程,切实提高学生单片机综合设计与开发能力,增强学生的工程素质.
实践过程要突出以“教师为主导”“学生为主体”的教学模式,让学生全程参与到单片机应用系统开发过程.通过对目标任务的构思、设计、调试、实现等环节,让学生主动去思考和获取相关知识,培养学生单片机综合设计与开发的能力.具体地说,就是要通过这一系列实践过程,使学生具备元器件识别和使用的能力,掌握电路设计方法,软硬件设计及系统调试方法,仪器仪表的操作和使用技能,根据课题需要查阅相关知识、资料的能力,以及自学能力、分析问题和解决问题的能力、创新意识和团队合作的精神.
3单片机课程实践教学改革的方法和途径
3.1构建单片机实践教学体系
单片机实践能力的培养是一个循序渐进的过程,其内容应由浅入深,难度应由易到难,项目应由简到繁.因此,单片机实践教学应在单一课内实验的基础上,逐步增加设计、应用项目开发等训练环节,使之形成一个科学而完整的教学体系,如图1所示.整个实践教学体系应分为四个阶段：第一阶段,是指课内实验,主要是通过设置一些典型的实验项目,包括验证、设计和综合性实验,使学生掌握单片机的基本功能,熟悉单片机的操作.第二阶段,是指单片机课程设计,要求学生能够在教师的指导下独立开发一个小型的单片机应用系统,过程包括系统方案的确定、元器件的选型、软件程序的编写和系统调试等,使学生初步了解和掌握单片机应用系统设计开发的过程和方法.第三阶段,是指在大三年级,引导和鼓励学生参与各级、各类电子设计竞赛、创新创业大赛、教师的科研项等,在实际工作中不断总结开发与设计经验,锻炼自己能力,并为第四阶段完成本科毕业设计奠定基础.第四阶段,是指毕业设计,此时应在教师指导下,应选择贴近工程实际、综合性强、具有一定创新性的课题,让学生通过自主学习,去独立设计和研究,以培养学生的工程素质和创新能力,并为其毕业后的工作打下良好的基础[10].
3.2 改革单片机实践教学方法
3.2.1自主研制开放型单片机实验系统
目前,单片机实验教学中普遍采用实验箱作为实践教学平台,而实验箱是一个“黑匣子”, 内部工作电路和原理学生不易搞清楚,且利用实验箱所做的实验是一种仿真实验,这与实际的单片机应用系统之间还有很大的差距[11].因此,自主设计制作一套开放型单片机实验系统,并让学生参与到系统的设计和开发中来,掌握显得尤为关键和必要.基于此,实验室组织人员采用STC公司目前最新的STC12C5A60S2单片机设计搭建了一套开放型单片机实验系统,如图2所示.该系统不仅包括了传统的USB下载电路,DS1302时钟电路、LED灯、数码管、点阵电路、LCD1602液晶显示电路、矩阵键盘和独立按键、IIC总线的E2PROM存储器模块、A/D与D/A模块、ISP下载接口电路、MAX232串口通信电路、蜂鸣器等,还集成了SD存储卡扩展、步进与直流电机驱动电路、继电器输出电路、红外发射与接收电路、超声波测距接口电路、光热敏采集电路等.利用自制开放的单片机实验系统,开发一系列实验项目,发放给学生让其利用课余时间去学习和调试,这样既能够增加了学生学习的灵活性,也激发了学生主动学习兴趣,能够达到很好的教学效果.
3.2.2虚拟仿真与实际操作有机结合
在实践教学过程中引入Proteus单片机仿真软件.Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的一款很好的电路分析与实物仿真软件,其操作简单,具有模拟电路、数字电路、单片机及其电路组成系统的仿真功能,支持51系列、R、PIC等各种主流单片机系统和第三方的软件编译及调试环境[12].因此,利用Proteus可以在没有单片机及电路硬件资源的条件下,进行虚拟的单片机系统软硬件的协同设计,这样既减少了材料的浪费,也节约了系统开发的时间,使工作效率大大提高.为了便于学生学习和掌握Proteus仿真软件,教师可以采用实例教学,如将某一应用实例融入到Proteus仿真软件的教学过程中,这样学生就可以直观地观察到采用Proteus软件进行系统软硬件设计和仿真的全过程,使整个教学过程更为具体化、形象化,同时也有助于学生熟悉仿真软件调试程序的过程和方法.在熟悉了Proteus软件的使用后,学生可以在课余先利用Proteus进行单片机应用系统的模拟设计和仿真,在调试成功后,再进行实物的制作和调试,图3为利用Proteus软件设计的可调式电子日历仿真效果图.
3.2.3 利用网络资源、创新创业实验室等深化实践教学
通过整合网上教学资源,建立单片机网络教学平台,克服传统单片机实践教学深度不够、实用性不强的缺点,使单片机课堂教学、实践教学、课外学习等环节彼此连贯,形成一体化的网络教学体系.注重完善从文字到多媒体及网络课件等教学形式,为学生提供丰富的学习资源、灵活主动的学习方式和师生互动平台.引导学生利用网络进行自主学习,通过单片机论坛和教学网站等提供的案列、技术文章、软硬件资源、各类典型电路以及权威的信息发布等,使学生不断挖掘、吸收和借鉴别人成功的地方,深化和扩展自己的知识面,不断提高自身的单片机应用系统设计开发能力.设立专项经费,成立单片机创新创业实验室,为师生提高学习、交流和工作的场所,积极鼓励和支持学生参加各类课外电子设计、创新创业大赛等.
3.2.4 教学内容更新
教学过程中增加最新品种51单片机及ARM单片机的介绍,如AT89C系列、STC12C、51LPC等系列.同时,对其它非51系列,但因功耗低、功能多而目前得到普遍应用的单片机,如R,PIC ,MSP430等作简单介绍,让学生利用课余时间去查阅相关资料,进行比较选型,并鼓励其在课程设计、生产实习及各类竞赛中使用.将具有一定难度的主流32位ARM嵌入式单片机作为学生的选修内容,鼓励感兴趣、且学有余力的学生去研究,以增强学生对新知识认知能力,启迪学生创新思维,促进学生自主发展[13].实践教学过程中改用以Ｃ语言为主,汇编语言为辅的教学模式,以适应单片机技术的发展与学生未来就业市场的需求.注重实例教学,选取教师亲自实践过的最新应用实例,将其分解为各个知识块,融入实例教学[14],对系统简单的设计过程可以进行现场讲解、演示,复杂的设计过程则制成视频或将设计文档挂在网站,供学生观摩学习,以方便学生更为生动、直观地理解单片机系统设计与开发的过程.
3.3完善单片机实践教学考核与评价体系
改革目前单片机实践教学以理论为主的考核与评价模式,突出学生实践能力与过程考核的重要性.在单片机课程教学中,增加实验部分在期末考试总成绩中的比重,最多可达到50%,突出学生动手能力和分析解决问题能力的训练.另外,学生学习期间参加的各类电子设计、创新创业大赛的成绩也可以折合成一定的分数,加到他们期末总成绩中去,以激发学生综合应用所学知识,参与实际项目的热情.在课程设计与毕业设计环节中,应侧重学生应用能力与设计过程的考核与评价,如学生方案设计的合理性和创新性、电路设计的规范性、实践动手能力的强弱、综合应用所学知识分析和解决问题的能力,最后结合设计报告、论文的撰写水平、答辩情况等,综合评定学生课程设计与毕业设计的成绩.
4 结束语
实践教学在单片机课程教学中占有非常重要的地位.无论是实践教学体系改革,还是实践教学方法改革,其目的都是要切实提高单片机实践教学质量,丰富和完善单片机实践教学的内容,激发学生主动学习的兴趣,从而使学生掌握单片机的本质,提高学生的单片机应用开发能力和工程素质.在此改革引领下,经过几年的实践与探索,我校的单片机实践教学质量有了明显的提高,学生的动手能力不断增强,多位学生在全国、省级电子设计、创新创业大赛中获得了优异成绩.单片机实践教学改革任重道远,但只要抓住 “以学生为本”的基本思路,就能使实践教学改革不断完善,切实体现实践教学应有的地位,培养高素质的应用创新人才.
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作者简介：苏晓峰,男,陕西宝鸡,西安建筑科技大学机电工程学院,实验室老师,助理工程师,硕士,研究方向：机械电子与工业自动化控制.
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