沈曄湖 蔣全勝 朱其新

(蘇州科技大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009)

0 引言

單片機原理與接口技術(shù)課程是一門綜合了數(shù)字電路、軟件工程以及控制技術(shù)等領(lǐng)域知識的交叉性應(yīng)用課程[1]。在一個典型的實時檢測或自動控制系統(tǒng)中，單片機通常作為系統(tǒng)的核心元器件，具有極其重要的作用，因此在工農(nóng)業(yè)、國防、交通等領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用[2]，目前已經(jīng)成為機械工程等專業(yè)的必備知識內(nèi)容，許多高校將該課程設(shè)置為機械工程專業(yè)的核心必修課。

然而現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)方法和設(shè)計在教授單片機原理與接口技術(shù)這門交叉性應(yīng)用課程時存在著如下不足：填鴨式的知識灌輸傳統(tǒng)教學(xué)模式，沒有體現(xiàn)該門課程實踐性強的特點；把課程教學(xué)分為理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分內(nèi)容，兩者相互割裂，導(dǎo)致學(xué)生無法做到兩者的融會貫通，實現(xiàn)學(xué)以致用；教學(xué)著重傳統(tǒng)的51系列微處理器系統(tǒng)的單片機講解，沒有很好地跟進時代的發(fā)展，從而導(dǎo)致了課程的知識點層面狹窄，跟不上當前企業(yè)應(yīng)用的實際需求。

為了適應(yīng)機械工程專業(yè)學(xué)生的知識架構(gòu)特點和用人單位的要求，對單片機原理與接口技術(shù)課程整體教學(xué)設(shè)計和教學(xué)方法進行與時俱進的改革具有重要的意義。

1 制定符合新工科目標的教學(xué)大綱

在傳統(tǒng)的單片機原理與接口技術(shù)課程教學(xué)中，把課程教學(xué)分為理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分內(nèi)容。教師先講理論，學(xué)生由于事先沒有接觸過單片機，對其開發(fā)流程和設(shè)計原理缺乏基本的了解，因此導(dǎo)致學(xué)習(xí)理論課主要依靠死記硬背，缺少對單片機開發(fā)的深入理解。例如對于程序設(shè)計部分內(nèi)容，學(xué)生只是把它當作脫離運行環(huán)境的軟件設(shè)計語言來學(xué)，沒有將其與單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點進行有機的聯(lián)系。

近年來，教育部積極推進“新工科”建設(shè)，本質(zhì)上是要構(gòu)建以專業(yè)結(jié)構(gòu)和課程結(jié)構(gòu)為核心的工科新結(jié)構(gòu)，探索實施工程教育人才培養(yǎng)新模式，打造具有國際競爭力的工程教育新質(zhì)量，建立完善中國特色工程教育的新體系[3]。為了達成新工科的培養(yǎng)目標，需要對課程的教學(xué)大綱進行針對性的改革。將傳統(tǒng)的基于知識點講授的教學(xué)模式改變?yōu)榛陧椖框?qū)動的教學(xué)模式。授課的內(nèi)容圍繞具體的應(yīng)用項目展開，硬件和軟件融會貫通，交叉講授；授課知識內(nèi)容根據(jù)應(yīng)用項目螺旋上升，由基礎(chǔ)的MCS51系列逐步過渡到STM32系列[4]，滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用場景需求；課程知識點講解的順序按照整個應(yīng)用設(shè)計過程的流程進行，便于學(xué)生在設(shè)計過程的相應(yīng)時間節(jié)點能夠具備足夠的理論知識；重構(gòu)考核模式，采用筆試、項目報告、項目展示、實物制作等多方面多維度的手段實現(xiàn)對學(xué)生面向?qū)嶋H應(yīng)用創(chuàng)新能力的合理評估。

綜上所述，可以把本課程的目標設(shè)定為：在理解單片機硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入理解其對應(yīng)的軟件設(shè)計方法；能夠初步實現(xiàn)完整應(yīng)用項目的全周期設(shè)計、制作與調(diào)試；能夠針對機械裝備控制領(lǐng)域的具體問題選用適當?shù)慕鉀Q方案。

2 基于項目驅(qū)動的教學(xué)改革探索

由于不同學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷以及動手能力存在一定的差別，因此本文提出的基于項目驅(qū)動的教學(xué)改革遵循個性化教學(xué)方式，針對不同的學(xué)生情況設(shè)計適合其發(fā)展特點的項目驅(qū)動方式，具體主要包含如下3種模式。

2.1 以賽帶學(xué)，相互促進

該模式主要針對軟硬件基礎(chǔ)較好、學(xué)有余力的學(xué)生。在完成課內(nèi)學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項目、學(xué)科競賽（如全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等）。在教師指導(dǎo)下合理組織隊伍，圍繞賽題進行合理分工。通過競賽的方式帶動面向創(chuàng)新應(yīng)用的單片機前沿技術(shù)學(xué)習(xí)。教師指導(dǎo)學(xué)生對整個項目的進程進行合理的時間規(guī)劃，在項目的關(guān)鍵節(jié)點組織進行匯報總結(jié)。由于大賽有嚴格的時間節(jié)點，在一定層面上可以督促學(xué)生嚴格按照時間進度進行學(xué)習(xí)和研究，保證學(xué)習(xí)進度的順利開展；由于大賽均要求進行實物展示，使得學(xué)生能夠在理論學(xué)習(xí)和軟件仿真層面之上進行更為具體的項目開發(fā)工作，提升學(xué)生的動手能力；由于大賽賽題均有一定的新穎性，因此可以培養(yǎng)學(xué)生在借鑒現(xiàn)有技術(shù)方案的基礎(chǔ)之上充分發(fā)揮想象力，大膽進行創(chuàng)新設(shè)計，應(yīng)用新的軟硬件開發(fā)平臺、新的設(shè)計思路，從而能夠大力培養(yǎng)這些優(yōu)秀學(xué)生的探索、創(chuàng)新能力；由于大賽一般是團隊合作方式，因此有利于學(xué)生團隊分工合作能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生認清自身的優(yōu)勢和缺點，揚長避短，確定自己在團隊中的最佳定位。此外通過以賽帶學(xué)的方式可以遴選出部分具有較高技術(shù)團隊帶領(lǐng)能力的優(yōu)異學(xué)生，這些學(xué)生資源對于學(xué)校研究生招生和推薦頭部企業(yè)工作都是十分有益的。

2.2 企業(yè)項目，實戰(zhàn)演練

該模式主要面向畢業(yè)后確定直接就業(yè)的學(xué)生。此類學(xué)生對于本課程的學(xué)習(xí)目標較為明確，在課程學(xué)習(xí)過程中更加側(cè)重企業(yè)急需的開發(fā)技術(shù)和自身能力的培養(yǎng)，從而提升其在就業(yè)市場的競爭力。為此教師需要結(jié)合此類學(xué)生的需求，在系部乃至學(xué)院的支持下，主動對接當?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)，并從企業(yè)需求中遴選拆解出適合學(xué)生開發(fā)學(xué)習(xí)的小項目，以課程項目的形式進行下達，按比例計入學(xué)生課程最后的平時成績中。教師在分配項目的過程中需要綜合考慮項目的規(guī)模和難度，對于開發(fā)難度和規(guī)模相對較大的項目需要鼓勵學(xué)生在自由組合的基礎(chǔ)上成立2～3人組成的項目小組開展合作開發(fā)。教師還要協(xié)助學(xué)生與企業(yè)進行溝通，保證學(xué)生在整個項目開發(fā)期間得到企業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)。教師通過每個項目每周提交項目進展報告的形式掌握各項目小組的進展狀況并根據(jù)具體情況進行適當指導(dǎo)。在課程結(jié)束前，教師通過組織項目答辯會的方式對各個項目進行考核。在條件允許的情況下，教師應(yīng)當積極邀請相關(guān)企業(yè)的技術(shù)人員一同參加項目答辯會，并對項目開發(fā)成效進行打分評估。在課程完成后，教師應(yīng)對學(xué)生的項目表現(xiàn)、項目成果和筆試表現(xiàn)綜合評估后擇優(yōu)向企業(yè)推薦相關(guān)學(xué)生，從而提高學(xué)生和企業(yè)一起參與到此類項目中的積極性。

2.3 畢設(shè)驅(qū)動，無縫對接

該模式面向更廣泛的課程學(xué)生群體。由于本課程一般設(shè)置在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期，任課教師可以結(jié)合往年的畢業(yè)設(shè)計題目中與單片機相關(guān)的開發(fā)內(nèi)容（如串口通信、無線單片機及其點到多點無線通信等），并結(jié)合課程大綱按不同的知識內(nèi)容對課題進行分類。教師在講授相關(guān)章節(jié)知識點時結(jié)合畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容設(shè)計相應(yīng)的小項目、小實驗、小練習(xí)，布置給學(xué)生。題目類型可以豐富多樣，例如軟件編程、軟件仿真、單片機開發(fā)板實驗等。學(xué)生根據(jù)任務(wù)的不同通過提交軟件代碼、仿真截圖、實物視頻以及項目報告等多種形式來展示成果。最后，教師對成果進行評分。

筆者在講授數(shù)據(jù)采集及簡單控制程序小節(jié)過程中，結(jié)合“遠程濕度測量與報警系統(tǒng)設(shè)計”這一畢業(yè)設(shè)計課題布置了蜂鳴音報警子系統(tǒng)設(shè)計小項目。該項目要求學(xué)生采用壓電式蜂鳴器，結(jié)合TTL系列7406或7407集成電路低電平驅(qū)動。通過將驅(qū)動器的輸入端連接51單片機的P1.0引腳來控制壓電蜂鳴器。在軟件部分，通過定時在P1.0引腳產(chǎn)生周期為60ms的方波來使得蜂鳴器產(chǎn)生報警音。

通過一系列的知識點的練習(xí)，學(xué)生們可以更好地掌握畢業(yè)設(shè)計所需要的基礎(chǔ)知識和技術(shù)手段，使得畢業(yè)設(shè)計上手更加容易，提高畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，同時也能促進本課程的教學(xué)效果，最終達到一箭雙雕的目的。

3 結(jié)語

單片機原理與接口技術(shù)是一門綜合運用軟、硬件多領(lǐng)域綜合知識并且又和應(yīng)用緊密相關(guān)的課程，在新工科背景下的機械專業(yè)人才知識體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的地位。要使機械專業(yè)學(xué)生能夠扎實理解單片機的結(jié)構(gòu)、工作、開發(fā)和應(yīng)用原理，以及面對實際問題的創(chuàng)新設(shè)計使用方法是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。本文從教學(xué)大綱制定、項目驅(qū)動教學(xué)方法等角度全面闡述了新工科背景下針對機械工程專業(yè)的單片機原理課程施教改革方案，期望能夠起到拋磚引玉的作用。通過進一步的總結(jié)與創(chuàng)新探索，相信必然能夠培養(yǎng)出更多適應(yīng)工業(yè)4.0趨勢所需要的新時期機械工程專業(yè)人才。