周 波，孫培勇，馬旭東，戴先中

(東南大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引言

“微控制器”課程是國內(nèi)外理工科院校相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門以實驗實踐教學(xué)為主的綜合性專業(yè)課程，其目的在于通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握微控制器的硬件結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、系統(tǒng)擴展等知識，并在綜合運用前修學(xué)科和本學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，具備初步的微控制器系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、開發(fā)和測試的相關(guān)技能，切實提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，為今后的各種電子設(shè)計競賽、畢業(yè)設(shè)計、研究生科研乃至走上工作崗位從事工程實踐打下良好的基礎(chǔ)。因此，對本課程相關(guān)理論教學(xué)及實驗實踐活動的研究具有非常重要的實用價值和現(xiàn)實意義。

本文中，筆者將針對當前微控制器教學(xué)中的存在的一些問題進行深入分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的解決辦法，其主要目的是希望由此能夠構(gòu)建一個一體化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“微控制器”課程綜合教學(xué)體系，該教學(xué)體系將課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和課外實驗等環(huán)節(jié)結(jié)合起來，從課內(nèi)外各個方面激發(fā)學(xué)生的“微控制器”學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其實踐能力和創(chuàng)新能力。

1 “微控制器”教學(xué)現(xiàn)狀分析

根據(jù)筆者近幾年來承擔“微控制器”課程教學(xué)的經(jīng)驗，并通過對曾選修過本課程的學(xué)生的后續(xù)科研和工作情況的跟蹤調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該課程結(jié)束后大部分學(xué)生并沒有真正掌握微控制器應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計能力，因而無法迅速地投入進一步的相關(guān)研究和開發(fā)工作之中。通過對比目前國內(nèi)外同類課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以及對個人教學(xué)活動的總結(jié)和思考，筆者分析造成這種現(xiàn)象的主要原因是目前的“微控制器”課程教學(xué)存在如下幾個方面的缺陷［1］。

1.1 教學(xué)內(nèi)容的缺陷

就教學(xué)內(nèi)容而言，由于本門課程的綜合性強，涉及的前修課程較多，要求知識面廣，學(xué)生難于理解和接受;此外，微控制器產(chǎn)品豐富多樣，更新?lián)Q代速度很快，而當前教學(xué)仍以C51為主，對于其他實際應(yīng)用中常用的PIC、AVR、MSP430等單片機和后續(xù)嵌入式系統(tǒng)介紹不足，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容陳舊，又沒能根據(jù)當前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及時調(diào)整和合理編排;這些都成為制約學(xué)生將所學(xué)習(xí)的知識直接用于實踐的原因。

1.2 教學(xué)方法的缺陷

就教學(xué)方法而言，現(xiàn)有的“微控制器”教學(xué)大多采取“原理—編程—部件—擴展—案例”的模塊化教學(xué)方式，先理論后實踐，沒有強調(diào)所學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用背景，導(dǎo)致學(xué)生因沒有直觀感受而難以入門，只能被動地接受對特定課程知識的驗證和鞏固，此外，教學(xué)手段單一，沒有對內(nèi)容進行整合，缺乏鮮活的案例，致使學(xué)生所掌握的知識點零散不成系統(tǒng)，與實際脫節(jié)，無法達到在實踐中靈活應(yīng)用的效果。因而無法激發(fā)學(xué)生的興趣。

1.3 實驗環(huán)節(jié)的缺陷

就實驗環(huán)節(jié)而言，受當前實驗條件限制，大部分高校的“微控制器”實驗仍采用基于C51的實驗箱完成，由于C51系列已是淘汰產(chǎn)品，且實驗箱本身開發(fā)能力較弱，實驗時間有限，導(dǎo)致學(xué)生只能按照實驗指導(dǎo)書完成一些簡單的驗證性軟件實驗，基本沒有硬件設(shè)計實驗內(nèi)容，更談不上創(chuàng)新，從而使學(xué)生缺乏對整個微控制器系統(tǒng)軟硬件設(shè)計過程的全面了解。

1.4 課外實踐的缺陷

就課外實踐而言，雖然當前面向本科學(xué)生的各類電子設(shè)計競賽、畢業(yè)設(shè)計和科研項目等活動都需要微控制器技術(shù)的參與，客觀上為“微控制器”教學(xué)提供了良好的應(yīng)用背景，然而教學(xué)過程中并沒有將這些環(huán)節(jié)和“微控制器”課程直接結(jié)合起來，在“微控制器”教學(xué)過程中對于課外教學(xué)環(huán)節(jié)強調(diào)不夠，由于條件所限，無法通過大作業(yè)或者小設(shè)計的方式讓學(xué)生自主地將所學(xué)到的課堂知識用于實踐活動之中，真正以動手實踐的方式增進對所學(xué)知識的了解。最后，教師和學(xué)生之間的課外溝通方式有限，也不利于教學(xué)相長。

上述微控制器教學(xué)問題的現(xiàn)狀分析表明，當前教學(xué)模式亟需改革，必須樹立以實踐為導(dǎo)向的原則，將實踐貫穿整個教學(xué)過程，構(gòu)建一體化、開放化的理論、實驗和實踐教學(xué)體系，真正實現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)相長的目標，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，鍛煉其綜合運用所學(xué)知識進行動手實踐的能力和在此基礎(chǔ)上的創(chuàng)新能力，以適應(yīng)新時代人才的需要。

2 “微控制器”教學(xué)改革的實施措施

本文提出以實踐為導(dǎo)向，構(gòu)建一體化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的新型“微控制器”教學(xué)體系，具體實施方案如下。

2.1 優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容

以實踐為指導(dǎo)對課堂教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化，并改進教學(xué)方式，使理論教學(xué)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合。整體教學(xué)安排如表1所示。

表1 “微控制器”課程教學(xué)安排

從表1可以看出，課堂教學(xué)內(nèi)容分基本概念、編程基礎(chǔ)、中斷和定時器、并行擴展、串行擴展和測控系統(tǒng)等幾個重要的知識模塊展開，且課堂教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)是穿插進行的，即在講述完某個模塊的理論之后，立即進行實踐教學(xué)，以達到“做中學(xué)”的目的。最后安排了綜合課程設(shè)計環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生綜合運用之前掌握的知識解決某個問題，以達到鞏固學(xué)習(xí)成果的目的。

具體而言，本課程課堂教學(xué)內(nèi)容改革采取的主要措施包括:

(1)根據(jù)當前微控制器發(fā)展動態(tài)重新編排教學(xué)內(nèi)容，注重與前修“數(shù)字與模擬電子技術(shù)”、“微機原理”、“C語言”等課程的銜接，并適當介紹本行業(yè)的新思想和新概念，例如以基礎(chǔ)的8位C51為教學(xué)主體，結(jié)合16位乃至32位機和常用低功耗芯片(MSP430等)的新技術(shù)，達到主流與多品種共存的目的，擴充學(xué)生的知識面。此外，可針對當前發(fā)展的熱點問題(如嵌入式開發(fā))做相關(guān)介紹，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生就業(yè)做準備。

(2)對若干陳舊過時的教學(xué)內(nèi)容進行替換，例如根據(jù)當前單片機開發(fā)應(yīng)用中一般以C語言為主流的現(xiàn)狀［2］，將傳統(tǒng)的匯編和C語言編程并重的教學(xué)方式更改為以C語言為主、匯編為輔的教學(xué)方式，將現(xiàn)行教材以并行擴展為重點的教學(xué)內(nèi)容按發(fā)展趨勢更新為以RS232/422/485、USB、CAN串行擴展為主等等。

(3)對傳統(tǒng)的“原理—編程—部件—擴展—案例”的模塊化教學(xué)方式進行改進，實施以任務(wù)為驅(qū)動的教學(xué)方式，以提出問題并啟發(fā)學(xué)生逐步解決問題的流程安排教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為主體，重視案例法教學(xué)的作用，注重應(yīng)用背景和應(yīng)用實例的講解，使學(xué)生形成完整的微控制器系統(tǒng)設(shè)計知識概念。此外，為了鞏固教學(xué)效果，整個課堂教學(xué)應(yīng)和基本實驗穿插進行。

(4)重視基本概念講解，充分利用有限的課堂教學(xué)時間，力爭講解最重要、最難掌握的知識點和共性知識點，其它知識點則指導(dǎo)學(xué)生課外自學(xué)完成。

2.2 搭建虛擬實驗系統(tǒng)

針對當前單片機應(yīng)用中往往采用模擬仿真軟件進行預(yù)研和編程開發(fā)的特點，在“微控制器”教學(xué)中引入虛擬實驗系統(tǒng)，通過可視化的教學(xué)工具激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)習(xí)效果。具體而言，采用Proteus+Keil的業(yè)界流行方式搭建虛擬實驗系統(tǒng)［3～5］，并將其引入到教學(xué)和實踐的各個環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，既降低入門難度，又能夠從軟硬件設(shè)計兩個方面運用所學(xué)知識解決問題。此外，虛擬實驗手段的應(yīng)用，也為學(xué)生走上工作崗位后能夠快速適應(yīng)相關(guān)主流開發(fā)手段奠定了基礎(chǔ)。

該虛擬實驗系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括如下幾個環(huán)節(jié):①課上的案例教學(xué)通過仿真完成，以給學(xué)生更為清晰的直觀理解;②課外作業(yè)通過仿真進行軟硬件設(shè)計和應(yīng)用訓(xùn)練，以鞏固所需知識，實現(xiàn)邊實踐邊學(xué)習(xí)的目的;③實驗前通過仿真進行預(yù)研，鍛煉學(xué)生自己分析問題、查找資料并解決問題的能力，并節(jié)省實驗時間和資源。

2.3 建立開放式實驗教學(xué)模式

鑒于目前市面上相應(yīng)的單片機學(xué)習(xí)板和開發(fā)板比較多，且相關(guān)學(xué)習(xí)資料也比較豐富，另外考慮到部分學(xué)生在參加電子設(shè)計活動時往往已經(jīng)購買了自己的單片機開發(fā)板，本文提出了以開發(fā)板為主、實驗箱為輔的開放式實驗教學(xué)模式，利用開發(fā)板易于擴展和攜帶的優(yōu)點，解決傳統(tǒng)實驗箱實驗場地固定、實驗時間有限且只能進行軟件驗證的缺陷，便于學(xué)生課外自行學(xué)習(xí)和實踐，達到教、學(xué)、做三者的統(tǒng)一。對于開發(fā)板的選擇，可采用目前市場上應(yīng)用比較廣泛的MSP430或者AVR等單片機為原型，并按照廠家指導(dǎo)書編寫相應(yīng)的實驗任務(wù)書，從而加大軟硬件設(shè)計在實驗中的比例。

整個實驗教學(xué)可分為兩個層次開展，一是基本實驗環(huán)節(jié)，針對某個單片機功能開展軟件驗證實驗，以幫助學(xué)生掌握單片機各部件的基本功能。該基本實驗和課堂教學(xué)穿插進行;二是綜合課程設(shè)計環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從硬件設(shè)計出發(fā)綜合運用所學(xué)知識獨立自主地完成一個完整的微控制器開發(fā)小項目，由此強化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。由于當前網(wǎng)上單片機學(xué)習(xí)資料眾多，因此可以采取不限定學(xué)生設(shè)計題目的方式，由學(xué)生自擬題目并自定設(shè)計方案，加強教師的指導(dǎo)作用，使學(xué)生掌握從仿真預(yù)研、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計到調(diào)試的整個開發(fā)流程，通過提出問題、調(diào)研、分析問題、解決問題和總結(jié)改進的全過程來提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.4 加強課外實踐活動

加大課外學(xué)習(xí)實踐在整個教學(xué)活動中的比例，課堂上注重要點和難點闡述，課下引導(dǎo)學(xué)生進行擴展閱讀和實踐鞏固，優(yōu)化教學(xué)資源。其主要措施如下。

(1)充分利用學(xué)?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建課程主頁，通過網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)方式完善課程建設(shè)，并可由此加強教師和學(xué)生的溝通。此外可引導(dǎo)學(xué)生從網(wǎng)絡(luò)上進行調(diào)研，以及在技術(shù)論壇上尋求幫助等等;

(2)采用大作業(yè)或小設(shè)計的方式豐富課外的實踐活動，直接摒棄原有的課堂作業(yè)方式，并及時對學(xué)生進行課外跟蹤輔導(dǎo)。例如可指導(dǎo)學(xué)生從頭開始設(shè)計一個具有若干外擴和外設(shè)的單片機實驗板;

(3)和其他從事相關(guān)實驗教學(xué)和科研的教師合作，鼓勵學(xué)生帶著正在參與的電子設(shè)計競賽、SRTP項目和其它科研項目等課外實踐項目加入到課程學(xué)習(xí)中來［6～8］。另外一種方式就是直接與半年后學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計題目結(jié)合起來，讓學(xué)生提前進行相關(guān)的課題任務(wù)預(yù)研。這些手段都是教師和學(xué)生雙方都非常愿意接受的教學(xué)方式，對于學(xué)生提前進入實驗室進行相關(guān)科研或開發(fā)應(yīng)用研究具有較好的效果，也能夠進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)，達到學(xué)以致用的目的。

2.5 確立綜合性考核體系

由于“微控制器”課程自身的實踐性特點，決定了其考核不能采用一般課程的理論考試方式完成。如何設(shè)計一個合理的多元化考核標準，使其具備一定的靈活性和高度的綜合性，能夠真實地反映學(xué)生在微控制器軟硬件設(shè)計方面的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，無疑是一個迫切需要解決的問題。本文提出的課程體系所采用的考核方式擬由如下部分組成:

(1)基本實驗考核:這部分由學(xué)生分組完成，考核采用通常驗收和實驗報告批改方式進行。在驗收過程中主要是通過學(xué)生對教師所提問題的回答情況來決定基本的成績等級，然后教師再根據(jù)實驗報告對成績進行微調(diào)。課堂實驗考核占30%的比例;

(2)綜合課程設(shè)計考核:這部分是由學(xué)生獨立完成的，考核方式從三個方面進行:選題合理性、方案的先進性和合理性、設(shè)計質(zhì)量(包括正確性、完整性和性價比)，如表2所示。本部分考核占50%;

(3)其它課外小設(shè)計和課外實踐考核:根據(jù)平時布置的大作業(yè)或小設(shè)計以及學(xué)生參加的課外電子競賽、本科畢業(yè)預(yù)設(shè)、SRTP項目和科研項目等進行考核，這部分的考核方式占20%。

3 結(jié)語

本文通過對國內(nèi)外相關(guān)教學(xué)工作的廣泛調(diào)研，深入分析并總結(jié)了目前“微控制器”課程傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的各種問題。為了解決這些問題，本文提出了以實踐為導(dǎo)向的一體化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“微控制器”課程教學(xué)改革體系，構(gòu)建了包括理論教學(xué)、課堂實驗、課程設(shè)計和課外實踐活動等環(huán)節(jié)在內(nèi)的教學(xué)改革措施，其創(chuàng)新之處在于充分利用了現(xiàn)有微控制器及單片機技術(shù)資料易查、易仿真、設(shè)備易自備的特點，及其在各類電子競賽、科研項目等活動中的重要地位，結(jié)合課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和課外實踐等三個方面來改變當前微控制器教學(xué)嚴重滯后于現(xiàn)實應(yīng)用的現(xiàn)狀，著重培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)當前社會發(fā)展對相關(guān)人才的需求。

表2 綜合課程設(shè)計考核

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