徐偉業(yè) 馬湘蓉 楊會(huì)軍 馮琤

南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 南京 211167

0 引言

“教師的最高境界是喚醒學(xué)生的興趣”--愛因斯坦語錄中的原話。實(shí)際教學(xué)過程中，經(jīng)過數(shù)年的綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的程序控制興趣的確可以收獲到意想不到的教學(xué)效果。本文從一線的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)出發(fā)，對(duì)激發(fā)學(xué)生程控興趣的教學(xué)思路做了總結(jié)與思考，希望對(duì)這門課程的教學(xué)與實(shí)踐提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程現(xiàn)狀

綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程是電子信息專業(yè)學(xué)生必修課程，是在學(xué)生學(xué)完語言類和電子類等課程后所設(shè)的一門綜合類的實(shí)踐課程，課程設(shè)置的目標(biāo)是將學(xué)生所學(xué)過的知識(shí)運(yùn)用于構(gòu)建一個(gè)規(guī)模較大的、數(shù)?；旌系摹⒖梢宰詣?dòng)控制的電子系統(tǒng)。在展開時(shí)要求具有較好的綜合性，實(shí)踐性，檢驗(yàn)性與可擴(kuò)展性。要求學(xué)生具有綜合的、靈活的運(yùn)用知識(shí)的能力，能夠用以往學(xué)過的知識(shí)，創(chuàng)新性地完成一定規(guī)模的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的微芯片的智能控制。同時(shí)該課程也是后續(xù)課程電子類實(shí)訓(xùn)的一個(gè)先期實(shí)踐課程，為后續(xù)的電子類實(shí)訓(xùn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此，該課程在電子專業(yè)的培養(yǎng)體系里具有承上啟下的中堅(jiān)作用。

這門課程一開始的培養(yǎng)目標(biāo)定得比較高，是因?yàn)檫@門課開始之前有較多的先修課程打底，所以，理論上認(rèn)為學(xué)生基礎(chǔ)比較好，自然教學(xué)起點(diǎn)放得比較高。但是實(shí)際實(shí)施的過程中，發(fā)現(xiàn)還是存在一些問題的，主要總結(jié)為以下兩條。

1.1 基礎(chǔ)不扎實(shí)，設(shè)計(jì)興趣不濃郁

在學(xué)習(xí)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程之前，學(xué)生學(xué)過相關(guān)的編程課程有2 門，一門是高級(jí)C 語言設(shè)計(jì)，在大一的第二學(xué)期展開，該課學(xué)時(shí)較多，還要參與計(jì)算機(jī)等級(jí)考試，但是，學(xué)生對(duì)總體的程序控制能力并不佳，具體可參考每屆大二學(xué)生的二級(jí)通過率。另外一門單片機(jī)原理與設(shè)計(jì)既涉及電子電路，又涉及程序編制與控制，但是因?yàn)檫@是第一次設(shè)計(jì)微控制，涉及內(nèi)容較多，特別是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制部分占比較大，這樣實(shí)際的語言控制的鍛煉機(jī)會(huì)大大縮水。因此，在學(xué)習(xí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，除少數(shù)學(xué)生的系統(tǒng)控制能力不錯(cuò)外，大多數(shù)學(xué)生的程控能力比預(yù)期來的要差了一截，不但設(shè)計(jì)興趣不濃，甚至還具有畏難情緒。

1.2 科目交互多，知識(shí)遷移不順暢

綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前的先修相關(guān)電路課程有電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)與EDA、高頻電子線路、單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)等。如果按照中等學(xué)生的正常發(fā)揮，大多數(shù)學(xué)生其實(shí)已經(jīng)儲(chǔ)備相當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)理論知識(shí)，具備一般的電路設(shè)計(jì)能力（包括一般的資料查閱與電路規(guī)劃、模塊組合等能力），但是因?yàn)樯婕暗目颇勘容^多，內(nèi)容的交互性比較強(qiáng)，學(xué)生的軟硬軟遷移與轉(zhuǎn)換的能力不順暢、不自如，特別是當(dāng)系統(tǒng)比較龐大復(fù)雜的時(shí)候，學(xué)生的這種設(shè)計(jì)與調(diào)試能力明顯跟不上。

2 綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)方法與思路的改進(jìn)

鑒于綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的重要性，針對(duì)教學(xué)中存在的問題，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣，提高課程學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。文中采用如下方法進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)與實(shí)踐。

2.1 入門開講放得很低很低

大家都知道，簡單的知識(shí)很容易理解與掌握，并且大多數(shù)人都有避難就易的心理趨同，因此，筆者在這門課程的最初采取簡單原則。一切從最簡單開始，降低起點(diǎn)。首先在程序驅(qū)動(dòng)上不再拋開C 語言的編制結(jié)構(gòu)，之前以為學(xué)生學(xué)過了，就應(yīng)該會(huì)，實(shí)際上，入門和熟練的差距還是有點(diǎn)距離的。大多數(shù)學(xué)生有基本的入門知識(shí)和深入研究的素養(yǎng)，但是要想一開始沒有鋪墊直入主題，學(xué)生多少有點(diǎn)功力不濟(jì)，因此，采用例題的形式將語言編程的基本知識(shí)進(jìn)行一次組合，如數(shù)組、數(shù)表、函數(shù)、變量、寄存器、時(shí)隙與時(shí)延、存儲(chǔ)空間與位置等等，再來一次演練，熟悉又陌生，溫故又知新。其次在硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上也從最簡單的電路開始，采用可視化器件，講究電路設(shè)計(jì)與連接，并且每個(gè)通路借助仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)操作演示電平和邏輯值，體現(xiàn)流水操作，所控即所見，雖然原理簡單，但也是一氣呵成。最后在微電腦的中控環(huán)節(jié)也不從內(nèi)部腦回路結(jié)構(gòu)開始，先避免繁復(fù)，僅僅從外圍的接口開始，將前端的程序和后端的硬件借助中控MCU 有機(jī)組合。因?yàn)槭前床襟E完成，又是從最底端開始設(shè)計(jì)，因此最簡單的程控就完成了。實(shí)際控制過程中，先讓學(xué)生裝好環(huán)境，帶了電腦到教室，現(xiàn)場只采用一句程序，驅(qū)動(dòng)微單片機(jī)任意一個(gè)P 口，點(diǎn)亮外圍電路一個(gè)7段數(shù)碼管，好多人會(huì)說這也太簡單了吧，單片機(jī)原理已經(jīng)學(xué)過了。不錯(cuò)是很簡單，但是讓學(xué)生再次溫習(xí)了之前的知識(shí)。C 語言賦值，會(huì)不會(huì)？端口選擇會(huì)不會(huì)？數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)會(huì)不會(huì)？都會(huì)，都是以前學(xué)過的，那好，可以變化嗎？數(shù)碼管可以變化顯示各種數(shù)值？個(gè)數(shù)由1 個(gè)變?yōu)? 個(gè)，靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，人眼視覺停留多少？延時(shí)怎樣準(zhǔn)確？和晶振的關(guān)系？微單片機(jī)定時(shí)器如何用？同樣的電路結(jié)構(gòu)只是提高了一點(diǎn)要求，教師先做好講解與示范，包括C 語言里的相關(guān)程序，學(xué)生先理解再做好程序調(diào)試，因?yàn)楹唵?，都能跟得上?jié)奏，連那些平時(shí)不怎么喜歡編程的學(xué)生也都能適應(yīng)。

依然是同一電路結(jié)構(gòu)，要求逐漸增加，模塊也逐漸累積，程序也已經(jīng)由最初的一行加碼到數(shù)百行。整個(gè)設(shè)計(jì)過程比較簡單，但是連續(xù)性很強(qiáng)，大多數(shù)學(xué)生并沒有因?yàn)楹唵味鵁o聊，反而是學(xué)習(xí)的過程覺得輕松，饒有興趣。還認(rèn)為自己可以開發(fā)系統(tǒng)，適應(yīng)變化，很有成就感。

當(dāng)然，這里的簡單不是簡化，而是分解，教學(xué)中采用遷移原理，將信號(hào)與線性系統(tǒng)課程里復(fù)雜信號(hào)分解為簡單信號(hào)進(jìn)行求解的原理遷移過來，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)也進(jìn)行分解，分解原則除了簡單還是簡單。實(shí)踐表明這個(gè)方法確實(shí)可行，消除了學(xué)生的畏難情緒，引起學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣，為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)涂上最初的底色。

2.2 知識(shí)遷移與轉(zhuǎn)換做得很細(xì)

綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)，課程內(nèi)容比較廣泛，無論你的教學(xué)設(shè)計(jì)多么簡單，學(xué)習(xí)起來仍然是有一定難度的，這就需要教師不但要在整體上把控有力，知識(shí)交互上也要講究方法。如何引導(dǎo)學(xué)生從底層開始，逐步學(xué)習(xí)軟件與硬件的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)接，完成學(xué)生的這種遷移與轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵問題。本課程按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為底層，中層和頂層，共三層來引導(dǎo)。

1）底層的線路轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：上述的七段數(shù)碼管顯示案例就是最典型的硬件線路與軟件的控制對(duì)接，幾條電路線可以轉(zhuǎn)換為簡單幾句語句，而且這種轉(zhuǎn)換從最基本最底層的電路已經(jīng)開始，只是在轉(zhuǎn)換過程中軟件的控制一定要遵循硬件的邏輯結(jié)構(gòu)，底層設(shè)計(jì)包含線路轉(zhuǎn)換，基本數(shù)據(jù)輸入輸出的邏輯變換以及函數(shù)塊的構(gòu)建與移植等。掌握這種最基本的轉(zhuǎn)換，在程控中實(shí)現(xiàn)程序語句與線路連接的等價(jià)代換。只要多做幾個(gè)練習(xí)，經(jīng)過這種底層的軟硬件鏈接和強(qiáng)化，基礎(chǔ)會(huì)得到非常大的固化，而且這種思維還會(huì)遷移到其他的課程學(xué)習(xí)中。

2）中層的芯片級(jí)封裝與控制：當(dāng)?shù)讓拥木€路能夠按照基本要求轉(zhuǎn)換或者對(duì)接完畢，就可以將芯片按照函數(shù)或者模塊的形式進(jìn)行封裝，在封裝時(shí)，特別注重每一個(gè)芯片在工作原理的學(xué)習(xí)和功能的使用，這個(gè)要很細(xì)致，不能操之過急，因此在功能描述時(shí)，依然采用底層的轉(zhuǎn)換邏輯，將時(shí)序與功能表用程控語言進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的遷移與轉(zhuǎn)換，然后借助可視化等手段調(diào)試成功后封裝，外掛微控制器外。中層設(shè)計(jì)比底層設(shè)計(jì)整體性強(qiáng)，但是按照芯片接口分類時(shí)，依然遵循簡單原則，將分類后的接口按照底層的遷移邏輯進(jìn)行函數(shù)設(shè)計(jì)，軟件描述服從硬件的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)軟硬件與芯片級(jí)的接口鏈接與知識(shí)遷移，設(shè)計(jì)好的函數(shù)逐層累加，最后完成功能模塊。

3）頂層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：當(dāng)所需的芯片級(jí)模塊已經(jīng)封裝好之后，頂層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)就變得比較簡單了，只要辨別清楚主函數(shù)里邏輯控制和時(shí)序控制就可以了。頂層的主函數(shù)設(shè)計(jì)要求以簡潔為主，因?yàn)槿魏尉唧w的功能要求在中層級(jí)完成，只要順著正常調(diào)用邏輯，少量程序就可以實(shí)現(xiàn)。但是頂層的邏輯控制需要顯示模塊配合，達(dá)到調(diào)試目的。

經(jīng)過這種三層遷移與轉(zhuǎn)換，軟件與硬件之間原理簡單明了，切換機(jī)制自如，軟件可以當(dāng)作硬件，硬件可以當(dāng)做軟件，從底層到頂層，逐步拾級(jí)而上，不再畏懼設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)復(fù)雜性。當(dāng)學(xué)生掌握了鑰匙，自信心再上一層樓，設(shè)計(jì)興趣也再次提升。

2.3 引入可視化教學(xué)做驗(yàn)證

可視化教學(xué)不是一般意義上的可視化編程，可視化編程在語法的控制與檢測方面要求比較嚴(yán)格，消耗學(xué)生很大一部分精力。而可視化教學(xué)是在已有的開發(fā)環(huán)境中添加可視化硬件設(shè)計(jì)，在學(xué)習(xí)中注重解決電路的實(shí)現(xiàn)問題上。在上述的軟件與硬件的聯(lián)調(diào)過程中，借助開發(fā)環(huán)境和仿真平臺(tái)，加入可視化器件，比如并口的LED、LCD 顯示器以及設(shè)置的寄存器和RAM 存儲(chǔ)器等，隨時(shí)將調(diào)試過程的中間值顯示出來以幫助驗(yàn)證。這些可視化器件并非僅僅只是一個(gè)中間驗(yàn)證環(huán)節(jié)或者終端顯示界面，而是與前面的入門案例和知識(shí)遷移相結(jié)合，一邊做著顯示與提示，一遍還需要復(fù)雜的程序編制來驅(qū)動(dòng)顯示器本身。另外，在驅(qū)動(dòng)顯示的同時(shí)還有函數(shù)調(diào)用，又因?yàn)轱@示器本身還是一塊硬件芯片，編寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)時(shí)還涉及軟件上的接口與硬件的對(duì)應(yīng)和封裝。所以，在展開可視化教學(xué)時(shí)，除了顯示與驗(yàn)證的功能外，還存有開發(fā)與設(shè)計(jì)的成分在里面。

引入可視化教學(xué)，使程控調(diào)試變得直觀易行。學(xué)生可以充分利用時(shí)間碎片自學(xué)自檢地完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目，好像系統(tǒng)開發(fā)變成了生活的一部分，不知不覺，興趣就培養(yǎng)出來了。

3 綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課堂效果與反饋

按照上述的教學(xué)方式與思路，進(jìn)行教學(xué)效果檢驗(yàn)。首先提前布置3 ～4 個(gè)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目，有難有易，自由選擇，然后拋出誘餌，以作品的完美度作為成績?cè)u(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生在選題時(shí)進(jìn)行人員組合，有的一個(gè)宿舍選一個(gè)題目的，也有一個(gè)宿舍四個(gè)人特意選兩個(gè)課題的，四個(gè)人兩兩討論，再互相討論；也有幾個(gè)要好的學(xué)生選一個(gè)題目的，便于交流；還有就是學(xué)生根據(jù)興趣或者難易程度，分散的，自由的任意選題。

課程調(diào)試中也會(huì)有各種問題出現(xiàn)，但是學(xué)生基本可以解決語法、變量、接口和一般的功能問題，遇到算法和邏輯性問題會(huì)熱烈討論，也會(huì)大膽提出自己的見解?；A(chǔ)好的學(xué)生不但在功能上有所翻新，而且在算法上也會(huì)尋求簡潔程序編制，做出與眾不同的作品來?？偟膩碚f，學(xué)生經(jīng)過前期的教學(xué)引導(dǎo)與實(shí)踐訓(xùn)練，在方法、思路和系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)的獨(dú)立性已經(jīng)很強(qiáng)，在學(xué)習(xí)的積極性方面也表現(xiàn)活躍，可以完成該有的設(shè)計(jì)任務(wù)。甚至有的學(xué)生對(duì)當(dāng)時(shí)的作品不太滿意，經(jīng)過不斷琢磨與改進(jìn)，還會(huì)重新提交更加完美的作品。事實(shí)證明，當(dāng)有足夠的設(shè)計(jì)興趣和設(shè)計(jì)信心，再加上充裕的時(shí)間，每一屆學(xué)生都有很特別的創(chuàng)新性作品，可以用百花齊放、百家爭鳴來形容。

課程結(jié)束后，許多學(xué)生反饋說這門課容量大、負(fù)擔(dān)重，但是可以學(xué)到很多的東西，特別是程控方面得到很好的鍛煉；有的學(xué)生說可以多開這樣接地氣的設(shè)計(jì)課；部分學(xué)生說離教師一萬行程序開發(fā)的目標(biāo)較遠(yuǎn)，過后會(huì)繼續(xù)補(bǔ)齊（因?yàn)樵陂_課之前，要求學(xué)生至少編寫一萬行左右的控制代碼）?？傊?，經(jīng)過系列的教學(xué)方法與思路的改進(jìn)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4 結(jié)束語

綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程不但需要學(xué)生掌握硬件設(shè)計(jì)，更重要的是能夠程序編制，自動(dòng)控制，因此需要在教學(xué)中不斷改進(jìn)教學(xué)思路，完善教學(xué)方法，努力提高學(xué)生程控的興趣與能力。首先，從簡單的理念入手，提起學(xué)生的入門興趣，再以可視化與知識(shí)遷移為手段，強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)技能，再以課題目標(biāo)為引領(lǐng)，深入電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精髓。

目前來說，學(xué)生對(duì)這門課設(shè)計(jì)興趣濃郁，比較認(rèn)可目前的教學(xué)方法，普遍認(rèn)為可以鞏固和學(xué)習(xí)到較多的專業(yè)知識(shí)。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，舍棄不恰當(dāng)?shù)姆椒?，推廣有價(jià)值的方法，只要這種教學(xué)尊重學(xué)生發(fā)展的規(guī)律、尊重認(rèn)知發(fā)生的過程，最終肯定會(huì)有所收益。綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程在程控教學(xué)時(shí)，基于學(xué)生的入門基礎(chǔ)和興趣培養(yǎng)，不斷探索、取舍與改進(jìn)，取得了較好的教學(xué)效果。