基于單片機的課程設計范文

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基于單片機的課程設計

篇1

【關鍵詞】汽車單片機 課程設計 CDIO

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889(2015)12C-0067-02

近年來,隨著國際工程教育改革的不斷深入,CDIO工程教育模式應運而生。其中,C(Conceive)構思,主要包括商業計劃、發展理論、技術程序制訂和市場需求分析,企業戰略及規則制度建立;D(Design)設計,主要包括工程進度及實施方案設計制訂等;I(Implement)實現,主要指將設計方案轉化為產品成果的過程,包括設計方案的確認、程序編碼、樣品測試及成品制造;O(Operate)運作,主要指對系統進行改進、修訂和淘汰,對產品前期程序進行評估的過程。CDIO工程教育模式的核心理念來源于工程產品系統的生命周期,其核心思想是強調學生掌握扎實的工程基礎理論及專業知識,在此基礎上將教育過程運用到工程實踐的具體領域中,整個人才培養過程注重團隊協作和創新能力訓練,為培養新一代高水平、高素質的工程師打下扎實的基礎。

根據桂林航天工業學院汽車服務工程專業和車輛工程專業課程特點和人才培養方向,并結合用人單位人才需求標準,融合CDIO課程教學大綱,借鑒CDIO檢驗測評標準,對教學大綱進行整合,設計出更具實踐性、合理性、針對性的汽車單片機課程設計項目,將所要學習的知識巧妙地隱含在項目任務之中,引導學生邊學邊做,獨立或協作完成相應的項目學習任務。項目通過1年的研究和實踐,逐步形成一套切實可行的有利于學生工程實踐能力提高的人才培養模式。

一、傳統的汽車單片機課程設計中存在的問題

汽車單片機課程設計是汽車服務工程專業的一門獨立專業實踐課。從學科性質上看,它是一門專業理論和專業技能結合的綜合實踐課程;其任務是使學生獲得就業前必備的綜合專業技能,為學生走上工作崗位打下良好的專業基礎。傳統的汽車單片機課程設計采用的是在現成的PCB電路板上完成元器件焊接組裝調試等任務,這種模式存在以下問題:

(一)課程設計題目選擇缺少針對性

交通燈控制電路,搶答器控制電路,電子鐘控制電路等傳統的單片機題目,對汽車專業的學生來講針對性不強,沒有將單片機技術與汽車電子控制技術有機結合起來,不利于學生對課本上控制原理的理解與掌握,沒有達到“學以致用”的目的。

(二)課程設計教學模式缺少創新性

由于學生沒有參與電路板的設計,而是在PCB電路板上直接焊接組裝成套器件,這種機械式的實踐模式,不利于學生對汽車電子控制產品設計和創新能力的培養,不利于今后從事產品的開發和技術革新,沒有達到“融會貫通”的目的。

(三)課程設計能力培養缺少全面性

由于缺少PCB電路板設計制作環節,學生無法從源頭了解掌握現代電子產品設計制造技術,并且對所焊接出的電路板進行調試與故障分析時,往往都會束手無策,完全依賴老師,這樣不利于培養學生分析和解決問題的能力,沒有達到“追本溯源”的目的。

二、基于CDIO理念的課程設計改革與實踐

綜上所析,傳統的汽車單片機課程設計的培養模式不能有效提高學生設計、創新以及分析解決問題的能力,因此基于CDIO理念,以項目的“C構思-D設計-I實現-O運行”的全生命周期為導向,如圖1所示方案對汽車單片機課程設計進行改革與實踐。

圖1 汽車單片機課程設計改革與實踐方案

(一)培養學生構思能力

在題目的選擇上具有涵蓋性,面向汽車電子控制系統多方面的單片機應用,學生能夠完成整個知識體系的學習;具有完整性,每一個項目都是一個完整的單片機最小應用系統的設計開發,學生能夠通過該項目的學習,實現理論與實踐相結合;具有設計性,能讓學生舉一反三,以達到某一控制功能為目標,采用不同的設計方法;具有創新性,根據題目要求利用課本所學知識自由發揮;具有趣味性,貼近實際,能夠調動學生對汽車電子控制相關知識的學習興趣,使學生主動完成知識的學習。根據以上原則,確定出課程設計題目如表1所示。課程設計開始之前,提前一個月公布課程設計題目,通過適當的安排和組織,學生可根據題目組成5-6人的團隊,并且給各團隊充分的自由,讓團隊成員集思廣益,提出題目構成想法,并可參考指導老師的建議共同完善。由于構思時間充分,團隊成員群策群力,最后在課程設計開始時可得到最佳的項目方案。

表1 汽車單片機課程設計題目

編號 題目名稱

1 汽車車窗控制電路設計

2 汽車車燈控制電路設計

3 汽車發動機點火模型控制電路設計

4 汽車發動機噴油模型控制電路設計

5 汽車發動機轉速測量電路設計

6 汽車冷卻液溫度測量電路設計

(二)培養學生設計能力

在確定題目方案后,就要根據題目對相應控制電路進行具體設計。首先利用 Proteus 和 Keil 兩款軟件的聯調來完成控制電路的仿真設計,雖然能看到虛擬仿真的運行結果,但是仿真環境過于理想化,許多電路設計出現的實際問題在仿真中是遇不到的,理想仿真結果與產品實際的運行結果之間存在很大偏差。為了有效避免仿真設計的缺陷,利用實驗室的單片機開發板實現硬件電路的設計與調試,這樣大大提高了設計效率。

(三)培養學生實現能力

所設計的電路在仿真軟件及硬件開發板運行通過后,在PROTEL軟件上繪制控制電路原理圖并生成相應的PCB文件圖打印出來,利用制板機將PCB圖轉印在銅板上,使用鹽酸和雙氧水等腐蝕劑對銅板進行腐蝕,利用鉆孔機對電路板打孔,并將事先準備好的元器件手工焊接在電路板上。這一環節使學生能夠正確識別和使用元器件,掌握了手工制板并進行相應電氣連接,按照電路功能模塊進行調試,能夠有效分析和排除相應故障,最終實現題目相應功能。

(四)培養學生運作能力

在完成題目要求的設計任務后,也要做好軟硬件實物的展示工作,課題項目負責人作為主講人,團隊成員協助課題演示,對題目的設計方案、研究思路、關鍵技術、工作原理、研究成果、存在的問題等內容等進行公開匯報,在此過程中,指導老師及其他同學可以不時提問,這樣互動問答可以鞏固學生對相關知識的理解和綜合運用能力。

三、課程設計改革的實施效果

對汽車單片機課程設計改革方案我們實施了一年,新方案得到我院2012級汽車服務工程本科專業學生的支持和歡迎,取得了很好的教學效果。

激發了學生的學習興趣,他們主動參與熱情非常高,在整個課程設計期間實驗室使用率非常高,學生考勤率很好,特別是當其作品通過驗收后,學生充滿成就感,圖2為汽車車燈控制電路實物作品。

在本課程設計要求學生利用單片機完成與汽車電子控制技術相關實用電路的設計,通過在Proteus軟件及實驗開發板上進行試做調試成功后,再進行印制電路的設計制作并完成產品的裝配、調試、檢測,從中對學生進行產品設計、制作、工藝等方面的一系列綜合訓練。

圖2 汽車車燈控制電路實物作品

【參考文獻】

[1]朱向慶,胡均萬,增輝,等.工程教育模式的微型項目驅動教學法研究[J].實驗技術與管理,2012,29(11)

[2]曹海平,管圖華.基于CDIO理念的電工電子實訓教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(1)

【基金項目】2015年度廣西教育廳教改B類項目(2015JGB436);2014年度廣西高等教育教學改革工程項目(2014JGZ152);2014年度廣西壯族自治區教育廳立項項目(LX2014466);2013年度桂林航天工業學院校級教學改革研究項目(2013JB11)

篇2

關鍵詞:工學結合;單片機課程;開發與建設

一、單片機課程的性質與作用

單片機是工科應用電子技術、電氣自動化、機電一體化等專業的一門專業課,它是為從事電子產品、機電產品的生產與研發企業培養具有單片機應用產品設計、分析、調試和制作能力的實踐型人才而開設的課程。圖1是以應用電子技術專業為例,從職業崗位能力、典型工作任務等方面闡述單片機在專業課程體系的地位。《單片機應用技術》是應用電子專業的核心課程,并且是綜合性很強的實踐課程,需要綜合《電子應用技術》等其它專業核心課程的知識和技能,結合單片機的應用技能,解決電子產品生產制造領域的實際問題。單片機課程學習的最終目的是用來設計電子產品或機電產品,它培養的目標是本專業較高層次職業崗位的需要:電子產品設計與開發。

二、單片機應用技術課程開發與建設的基本做法

1.立足電子產品設計開發崗位,以產品設計過程為抓手開展課程建設。單片機課程在行動領域的職業能力(崗位)主要體現在:單片機應用產品的硬件設計能力、軟件編程能力和檢測調試能力。這三者之間內在聯系緊密,電子產品功能的實現需要通過對硬件、軟件的綜合調試才能實現,三者有機地融匯于產品設計開發過程中。通過產品的設計制作過程可以使三者得到系統的培訓。單片機應用技術的工作課程實質上就是用單片機設計產品的過程。[1]

2.校企合作,共建課程。我們深入淮安市經濟技術開發區大型電子企業(引進的外資企業:富士康電子科技有限公司、達方電子有限公司等)以及本地有實力的電子企業(洪澤瑞特電子設備有限公司、金湖紅光儀表集團有限公司等),與這些企業生產一線專門從事單片機產品研發的工程技術人員共同探討怎樣培養職業崗位能力,使它更能貼近職業崗位的需要,研究制定課程標準、授課計劃以及課程建設的項目,并聘請他們擔任實踐教學的老師,指導學生畢業設計,和校內教師共同組建課程建設小組。同時調查了解本專業學生在企業的工作情況,與畢業生座談交流,通過他們的切身體會,對我們以往的課程建設提出建設性的寶貴意見。

3.構建職業能力、職業素質和工程意識三者合一的能力培養模式。電子產品的設計開發不僅僅是一個產品的開發過程,對企業來說還是一個企業行為,是一個系統工程,與實驗室里開展的實驗項目有本質的不同,不僅需要學生具備相應的職業能力,還需具備必要的職業素質和工程意識。根據單片機產品開發過程推演出的職業能力有:產品的功能分析與分解、資料的檢索與使用能力、單片機資源的調配能力、硬件電路的設計能力、編程軟件的使用能力、程序設計與調試能力、產品的制作調試能力以及技術文件的編制能力等。職業素質是基于企業文化推演出的嚴謹規范、團結協作、拓展創新等職業素養,基于工程推演出了成本、安全性、可靠性、節能環保等工程意識,并將這些職業能力、職業素養和工程意識融入我們的教學當中,構建三者合一的能力培養模式。圖2為職業能力、職業素質和工程意識三者合一能力培養模式結構圖。

三、系統化學習情境設計與實施

1.系統化學習情境設計。從企業單片機應用產品的開發過程提煉出的任務環節依次為:產品的功能分析與方案設計、器件及資料準備、功能電路設計、功能程序設計、產品功能硬件軟件聯合調試、產品制作、產品測試,這是一個完整的系統工程。工作過程行動導向課程體系也要求學習情境是一個完整的項目制作[2],兩者在內涵上是一致的。我們選取三個電子產品,以它們設計開發的過程為載體,結合單片機的知識點和應用技能組織教學內容,構建系統化的學習情境。三個產品是:循環流水燈(以霓虹燈位原型)、電子鐘(以電子表為原型)、溫度測量控制系統(測量控制是單片機最廣泛的應用)。由簡單到綜合,分別對應于單片機學習過程中的三個階段:“入門”、“基礎”、“拓展”。三個學習情境的實施過程在步驟上是重復的,在內容上是包含遞進的,是一個螺旋上升的學習過程,符合人的認知規律。圖3為以產品設計制作過程為載體設計的單片機課程系統化學習情境,學生通過三個階段的學、做、練一體的訓練,可以達到單片機應用產品開發應用崗位職業能力的要求。

2.學習情境的組織實施。為便于課堂教學的組織實施,依照單片機應用產品設計開發的環節,結合單片機知識點和應用技能將每一個學習情境分解為幾個學習任務,如表1所示。在每個任務里學習相關的單片機知識點,進行相應的實踐制作活動,完成相應的職業能力、職業素養和工程意識的訓練,每個學習情境最后的學習任務都是對前面任務的綜合。每個學習任務都按照“資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估”工作過程步驟實施教學,在“做”中“學”,在“學”中“練”[3],以練促學,全面提高學生單片機的應用能力。

3.考核評價。對學生學習情況的評價考核分為兩部分:過程考核和綜合考核。過程考核是在每個學習任務實施過程中進行現場考核,對每個學習任務編制詳細的過程考核表,內容包括:知識點、應用技能、學習態度和效果,考核方式采取學生互評和老師檢查評價,最后由老師綜合考核情況給出過程考核的成績,過程考核成績占總成績的70%。綜合考核是在所有學習任務完成后,通過以其它電子產品的設計為課題,給出產品的功能要求和技術指標,由學生按照單片機應用產品的實施環節寫出的完整實施過程報告,以檢驗學生對單片機知識的掌握,綜合運用能力和創新思維,綜合考核成績占總成績的30%,由老師評定。

參考文獻:

[1] 姜大源.關于工作過程系統化課程結構的理論基礎[J].職教通訊,2006,(1):7-9.

[2] 王朝霞.“基于工作過程以行動為導向”的學習領域課程方案設計[J].教育理論與實踐,2009,(1):48-50.

篇3

[論文摘要]文章分析了電子信息工程專業單片機原理與接口技術課程教學的現狀,認為提高設計性實驗開設的質量是教學改革的重點,指出設計性實驗開設中要注意理論與實驗的銜接、驗證性實驗與設計性實驗的銜接、課堂與課外的銜接,并不斷完善適合設計性實驗的評價體系,提高人才培養的質量。  

電子信息工程專業作為實踐性、應用性非常強的理工科專業,學生必須具備扎實的基礎理論知識,具有較強的實驗技能,今后才能順利地從事電子設備和信息系統的維護和研發。要實現這個目標,必須十分重視相關課程的建設,搞好實驗教學改革。而單片機原理與接口技術課程作為電子信息專業的一門專業主干課程,其應用性非常強,設計性實驗開設質量對于學生今后就業、工作至關重要。

一、教學現狀

單片機原理與接口技術課程是電子信息工程專業核心課程之一,理論的重要性不言而喻,但在實驗教學方面大都還是停留在傳統的實驗模式上,離培養學生實踐動手能力和創新精神還有差距。很多學生反映,課程學習下來理論基本掌握了,驗證性實驗也能順利完成,但要真正完成一個實際項目時,卻無從入手。出現這種現象原因是多方面的,筆者認為主要有:

1.教學模式方面的原因。傳統教學方式中,教師主要注重于理論的完整性和知識結構的完備性。理論上從單片機的結構講起,然后講匯編指令和c語言編程,再講硬件接口及相關的程序編寫,最后講一兩個實例,課時也就差不多用完了,再想講其他東西就沒有時間了。實驗也注重基本原理和基本方法的訓練,為了讓學生認識單片機的基本組成和基本指令,所開出的實驗就占了大部分實驗課時,最后只能做幾個綜合性實驗或做一個簡單的設計,這樣就結束了整個課程的學習。

2.教師方面的原因。自從高校擴招以后,學生的數量劇增,而教師并沒有同比例增長,教師承擔的課時量太大,教學壓力過重。具體到單片機原理與接口技術這類專業性和實驗性都非常強的課程,存在著精力投入不夠的問題。如果要改革實驗教學的模式,以設計性實驗為主的話,教師就要投入非常多的精力。

3.評價體系方面的原因。就評價體系而言,目前通行的仍然是以分數的高低來評價學生學習成績的好壞。一般采用平時成績、實驗成績、考試成績各占總成績的一定比例來得到學生課程的最后得分。對有些課程來說這種方法是比較科學的,但對單片機原理與接口技術課程,就會存在這些問題:學生成績不低,但一旦面臨實際問題時,無從入手,沒有達到本課程的教學目標。

二、解決對策

為提高單片機原理與接口技術課程教學質量,培養學生解決實際問題的能力,筆者認為,提高設計性實驗開設的質量是教學改革的重點,應該從以下幾點來改革:

1.教學模式。提出和采用新的教學模式,實驗開設要特別注重開出的設計性實驗質量。新的教學模式主要包含理論教學和實驗教學兩個方面。在理論教學中,單片機的結構和基本指令講解要精,應通過實例來將相關的知識串起來,力求通過具體實例的講解達到以較少的理論課時就讓學生真正掌握單片機的結構和指令的目的。在實驗方面,則采用以開設設計性實驗為主、驗證性實驗為輔的方法,并提高實驗課的課時數。適量開設驗證性實驗,在課堂內只做1~2個,而將大部分實驗內容放在課堂外,由學生通過開放實驗室單獨完成。增加較多的設計性實驗,供學生選做,在教師精心指導下,讓學生在課外準備,課內完成,切實提高學生的實戰技能。

2.教師自身的定位。教師應自覺提高自身做項目的能力,并保證足夠的精力投入到教學中去。教師要注重平時積累,一方面,要自己動手,精心制作好幾個作品。另一方面,也可以通過提出選題,指導學生去做,將完成后的作品及文檔全部存檔。只要通過2~3年的積累,就可以形成難度、層次區分較為合理的項目選題庫和作品庫,既為后續班級的教學創建了良好的條件,對后續學生的實驗起到示范和引領作用,又為今后的教學工作減輕了負擔。要做好這些,就要求教師充分明確自身職責,牢固樹立以教學為中心的觀念,保證有足夠的精力投入教學中。

3.評價體系。作為評價體系,要改變傳統的基本是以分數論英雄的模式。單片機原理與接口技術課程如果只是掌握了一些理論知識而沒有實戰能力,分數再高都不能算是學好。作為對學生的評價,筆者認為一定確立以實踐能力為主體的評價體系,通過對學生做的項目難易程度、項目完成的效果等驗收情況來給出合適的評價。

三、設計性實驗開設與評價體系建立中要注意的幾個問題

想搞好單片機原理與接口技術課程建設,提高學生的實戰能力,就要以設計性實驗的開設為重點來進行整體設計。筆者認為需要特別注意抓好以下四個銜接:

1.理論與實驗的銜接。理論教學是單片機原理與接口技術課程教學中必不可少的組成部分,但其開設方式不能采用傳統的教學方法,而應設計出一種項目教學或稱為專題講授的形式來進行。首先,要講透基礎部分,筆者認為可以分成單片機的內部結構、單片機的指令系統、程序編寫的基本思想、硬件接口構建等四個專題進行。其次,要針對課程特點,做好五個簡單項目,如外部中斷的使用、定時器中斷的使用、并口的擴展、串口通信、ad和da轉換。最后,要對相關知識點全面整合,綜合演練,實戰2~3個較為復雜的綜合性項目,進行原理圖分析、算法設計和程序分析,并制作出作品進行演示。按這種思路設計,理論教學大致課時數為36~48個課時,實驗課時數為24~36個課時。

據此分析,實驗教學則應充分重視設計性實驗的開設。與理論教學相對應,每講完一個項目,就要依托該項目開設一個設計性實驗,每個實驗3~5個課時。通過簡單的5個項目和較復雜的2~3個項目的訓練后,學生能掌握單片機開發和設計與實物制作的基本方法和技能。當積累了2~3年后,有了很多已成功的項目可參照時,不同的學生就可以選做不同的設計性項目。在進行單片機原理與接口技術的課程設計時,則應要求學生在設計性實驗的基礎上進一步深化,將多個部分綜合在一起設計制作一個更復雜、具有較完備功能的實際系統。這是一個由理論出發,通過基礎實驗、簡單的設計性實驗、復雜的設計性實驗,最后完成復雜的課程設計過程,符合循序漸進的教學規律,實現了該課程理論與實踐的完美結合。在此過程中,設計性實驗的開設基本覆蓋了單片機原理與接口技術課程的所有知識點,使學生牢固掌握基本理論,熟練掌握基本設計思路,綜合應用基本設計方法,從而達到學以致用的根本目的。

2.驗證性實驗與設計性實驗的銜接。驗證性實驗是指為驗證已經學習過的理論知識所設置的實驗;設計性實驗是指給定實驗目的要求和實驗條件,由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗。驗證性實驗作為一種傳統的教學方法,在現在的實驗教學中也還有一定的作用,可為設計性實驗的開設提供一些必要的基礎。現在的驗證性實驗一般是在相應的實驗箱上完成,通過開設1~2個驗證性實驗可讓學生了解單片機的基本構成和基本工作原理,所以在開設設計性實驗前開設驗證性實驗是非常必要的。同時,一些設計性實驗的開設可在實驗箱上對驗證性實驗進行改造而成,特別是對于開始的簡單的設計性實驗更是如此。比如一些驗證性實驗,所有的電路硬件在實驗箱中是現成的,同時給出相應的實驗程序范例,學生就可以在實驗箱上進行驗證,對所做實驗的功能進行分析。教師只需要在理論教學時將程序流程圖和涉及的算法講述清楚,最后要求學生去編寫程序,然后再進行功能驗證即可。采用這么一種由驗證性實驗作為基礎并進行改造的方法對于以基本原理的掌握為目標的簡單的設計性實驗具有很強的可操作性,有利于驗證性實驗到設計性實驗的自然銜接。

3.課堂與課外的銜接。設計性實驗開設要做好課堂與課外的銜接。因為設計性實驗是要學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗,所有的實驗方案不可能僅在幾個課時的實驗課上完成,主要工作要在課外完成。一方面,實驗方案的制訂、原理圖的設計、實物的制作等主要在課外完成,實驗課中主要是在教師的指導下進行調試和測試。另一方面,設計性實驗很難一次性成功,往往需要多次嘗試、反復修正才行,這些必須在課外完成。要使設計性實驗真正達到較好的效果,除了在理論教學中要注重和實驗教學銜接外,課外的銜接尤其重要,要做好實驗室開放,讓學生在課外能夠較方便地利用實驗室的資源,也應鼓勵學生采購一些比較簡單的單片機開發工具,如簡易開發版、燒錄器等。

4.評價標準的再定位與評價體系建立的思路。驗證性實驗往往只涉及一門課程的一個章節或一個知識點的內容,學生通過驗證性實驗,可以使所學理論知識具體化和形象化,加深對所學知識的理解與掌握,培養基本動手能力。設計性實驗突出它的自主設計性,可以是單一知識的運用,也可以是多知識點的綜合運用,給出實驗目的、要求和實驗條件,由學生自行設計實驗方案并加以實現,所以設計性實驗帶有試探性、研究性,在時間上也需要課內與課外相結合。

由于驗證性實驗與設計性開設的目標不同,所以最終的考核方式也不同。對于驗證性實驗,教師可以直接根據學生所做的實驗報告評判其實驗成績。傳統的做法是百分制。一般每個實驗成績包括三個部分:實驗預習(20分)、實驗操作(40分)、實驗報告(40分)。使用傳統的百分制,可以評價學生是否掌握了基本理論和設計方法。但設計性實驗所涉及的知識點數量不同,綜合運用的效果不同,設計方案是否得當,步驟是否簡易可行,實驗的成本、效率是否令人滿意等等,都不能一概而論,因此需要結合各方面進行綜合的評定。設計性實驗的考核要貫穿這樣一個原則:淡化結果,注重過程。對于設計性實驗我們更重視學生在整個設計過程中的表現,而測定結果只作為考核的次要因素。學生在設計方案中是否有獨到新穎的想法,整個實驗思路邏輯是否清楚,實驗過程是細節嚴密還是顧此失彼,結果是否可信等都是評定設計實驗成績的重要因素。考核中要充分鼓勵和肯定學生在設計過程中所表現出的敢于挑戰、主動學習、大膽創新的精神,以及由此帶來的思維水平和實踐水平的全面提高。

因此,設計性實驗不宜采用傳統的百分制,筆者認為,宜采用優、良、中、及格、不及格5個檔次來進行評定。首先明確“優”和“及格”的標準,在“優”的標準下,適當下降一點作為“良”的標準,“及格”標準高一點作為“中”,達不到“及格”標準的就判定為“不及格”。比如,每一個項目都設定多個指標,完全達到指標并有所創新的評為“優”;完全達到指標而無創新的可評為“良”;實現主要指標可評為“中”;實現部分指標,能體現設計者掌握了基本相關基礎知識則可評為“及格”;沒有實現任何指標,或沒有做的評定為“不及格”。這樣就應在設定實驗指標上著手,針對具體的實驗進行不同的設定,才能比較準確地定性評價學生的實驗能力,這一點仍需在實踐中不斷探索和改進。

四、結語

單片機原理與接口技術課程是電子信息工程專業至關重要的專業核心課程之一,必須更加重視設計性實驗教學的改革,提高設計性實驗開設的質量,做好理論與實驗的銜接,驗證性實驗與設計性實驗的銜接,課堂與課外的銜接,完善設計性實驗的評價體系,才能培養出符合社會發展需要的高素質人才。

篇4

關鍵詞:C+PROTEUS;科技創新;單片機綜合設計

中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)30-0094-02

《單片機應用技術》課程是一門理論與實踐性均很強的學科,是工科電類專業一門很重要的專業基礎課,它將數字電路和模擬電路的基礎知識、匯編語言及C語言編程技術、通信原理和微處理器知識等綜合在一起,屬于技術性、工程性、實踐性很強的一門課程。

《單片機原理及應用》課程的特點是涉及硬件結構復雜,涉及知識面較廣,經常涉及到電子技術基礎、電路原理及編程C語言等知識,因此,要想將課堂所學的單片機系統結構及應用技術與所學知識有機融合,能夠在實踐中游刃有余地應用,還需要反復的實際設計與實踐。針對《單片機原理及應用》課程抽象難學,尤其難于應用于實踐開發的現狀,我們在教學中注意做到理論聯系實際,將課堂教學與科研開發和科技創新緊密結合。

在課堂教學中,初期階段,采用C+PROTEUS的教學模式,引導學生應用C語言編寫應用驅動程序,然后在PROTEUS環境下仿真運行,逐步理解和領會單片機的設計思路。在綜合應用階段,通過引入實際工程應用實例,接觸實際科研項目中設計開發產品,使學生了解所學知識的應用價值,激發學生的學習興趣,深化學生對知識點的理解。

在實踐環節,由專業課教師指導,學生設計為主,帶動學生自己設計單片機課程的實驗開發平臺,并在所設計的開發系統基礎上,增設大量綜合性、設計性實驗,啟發學生的思維,以提高學生綜合分析問題和解決問題的能力。同時,在大學生科技創新和各類電子設計競賽活動中,積極引導學生應用所學單片機技術進行開發設計,進而培養學生實踐能力、創新能力。

通過上述各個環節,分層次、分階段,層層深入,真正在單片機課程教學中做到理論與實踐緊密結合,真正實現提高學生應用單片機技術解決實際問題能力,進而探索一條在課程教學中如何提高大學生科技創新能力的可行之路。

一、改革教學環節

1.初期的課堂教學中,將C語言與PROTEUS軟件有機結合,提高學生對單片機的實際應用能力。從目前單片機技術應用層面上看,對單片機系統的開發一般采用C語言完成,因此,在課堂教學中強化推廣采用C語言進行編程設計的技術,并逐步取代原來采用匯編語言進行設計的模式。從而,提高學生對單片機技術的實際應用水平。PROTEUS軟件是一種近年來逐漸流行的單片機系統設計的專業仿真軟件,可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU,并提供周邊設備的仿真,例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫,有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件,編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。在單片機教學初期,采用C語言+PROTEUS仿真的教學模式,引導學生應用C語言編寫應用驅動程序,然后在PROTEUS環境下,繪制原理圖并仿真運行,觀察設計效果是否正確,發現問題在修正編寫的C語言程序,如此反復,逐步提高學生控制單片機和設計單片機系統的能力。

2.綜合應用階段,通過工程設計實例,深化學生對知識點的理解。作為多年從事單片機課程教學的教師,具備多年來單片機開發與實踐的工作經驗,在應用單片機技術進行智能儀器儀表開發上有許多成功的設計項目,如基于單片機系統設計的大慶油田的井地電位成像監測系統、開關磁阻電機設計、過套管電阻率測量儀開發設計等等,都是應用單片機處理器進行設計的,在課堂教學中,結合上述實際開發項目,講述單片機的設計及應用技術,使學生直接接觸實際科研項目中設計開發產品,深化學生對知識點的理解,認識到所學知識的應用價值,從而,激發學生的學習興趣,啟發學生思維。以單片機中應用IO端口控制數據采集芯片為例:模數轉換器是實際工程應用中較為常用的一種數據采集芯片,目前,主流的控制數據采集芯片的技術是通過單片機IO引腳控制方式實現,通過單片機的引腳模擬數據采集芯片的工作時序,再通過C語言編程,完成對數據采集芯片的控制。在學習中,學生對于模數轉換芯片的工作時序圖始終感到很抽象,因此,在編程設計上往往不知從何入手。我們在教學中,結合橫向科研項目“過套管數據采集”中數據采集,通過實物演示、數據讀取實際設計案例講解,從工程數據采集需求,到硬件電路設計原理,以及最終程序上的編程實現,在講解中,學生不僅了解了數據采集芯片的工作時序邏輯,而且也能夠獨立應用單片機IO端口進行數據采集接口的設計。

二、改革實踐環節

1.在單片機課程實驗內容上更多增設綜合性、設計性實驗,提高系統設計能力。由專業課教師指導,學生設計為主,更多增設綜合性、設計性實驗,以提高學生的系統設計能力。預計增加設計性、綜合性實驗:8_8LED點陣掃描輸出實驗、直流電機正反轉調速實驗、基于I2C通信接口的數據采集顯示實驗和基于串行通信接口的智能遠程數字鐘實驗等。通過大量綜合性設計性實驗,要求學生自行設計電路,編寫驅動控制程序,不僅可以幫助學生加深對單片機知識結構的理解,而且可以提高基于單片機處理器的系統設計能力,培養學生的實際動手能力、學習興趣和創新精神。

2.強化單片機綜合課程設計環節,提高應用單片機綜合設計能力。在完成單片機基本課程及實踐基礎上,對機電、自動化、儀器類專業應強化安排綜合課程設計,以課題項目的形式要求學生組隊共同完成,采取開放式管理的模式,在2~4周內,首先運用所學電子技術基礎知識,查閱相關文獻資料、電子線路參考設計手冊、電子元器件手冊,進行電路設計、程序編制,在設計過程中,鍛煉自己熟練掌握和使用先進的計算機電路仿真軟件工具,提高設計效率;其次進行電子市場調研、購買相應元器件,完成電路設計制作、功能調試、參數測定、寫出設計總結報告;最后由教師組織全班進行設計交流、現場功能演示和提問答辯,同時教師完成每組的成績評定和設計總結,為下次的課程設計提出合理化建議。在課程設計的選題上,發揮廣大教師的積極參與,不斷對課程設計的題目進行更新,修改課程設計的內容,增加設計性、綜合性設計內容。目前,開設的新增加的課程設計題目包括:模擬交通信號燈控制系統;基于P89C51RD2單片機數據采集板卡設計實現;基于凌陽單片機的音樂播放器設計開發實例;公交語音報站播放器設計;簡單計算器設計實現;通過大量新穎的具有高技術含量的綜合設計,充分調動學生的熱情,讓學生從實驗中既學到知識,由學會探索問題進而解決問題,發揮潛能,提高創造能力。

3.積極引導學生將所學單片機技術應用于大學生科技創新和各類電子設計競賽活動。單片機技術是現代電子系統設計開發的主流技術,在科技創新和電子設計競賽中應用這些技術,往往有事半功倍的效果。鼓勵單片機課程學習好的同學積極參與科技創新和電子競賽,應用單片機技術進行相關項目和題目的設計,以2013年為例,我校學生參加北京市電子設計競賽,設計中采用單片機技術進行設計開發,獲得二等獎2項、三等獎3項,為學校爭光。通過學生間影響,激發學生學習單片機技術的熱情,形成一個較好的學習氛圍。

三、結束語

單片機原理及應用課程是一門應用性和實踐性很強的專業課,把握課程特點,了解學生理解上的薄弱環節,通過課堂教學和實驗環節的改革與創新,各個環節,分層次、分階段,層層深入,真正在單片機課程教學中做到理論與實踐緊密結合,激發學生學習的興趣,啟發學生的創造力,將單片機課程教學中所亟待解決的提高學生應用單片機技術解決實際問題能力落到實處,進而,使學生創新能力和綜合實踐能力得到提高。

參考文獻:

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[7]曹建樹,薛龍,蔣力培,焦向東,俞建榮,黃愛峰.單片機創新實踐教學改革與實驗室建設[J].實驗室研究與探索,2005,(09).

篇5

關鍵詞 系統工程 實踐教學 課程設計 單片機 A/D轉換芯片

中圖分類號:G424 文獻標識碼:A

0 前言

實踐教學是高等應用型人才培養體系中的一個重要環節,它對培養學生的工程素養和實踐動手能力起著極其重要的意義。實踐教學包括專業課程實驗、開放性實驗、課程設計、電子競賽和畢業設計等,其中課程設計、電子競賽、畢業設計按教學組織大多是由專業教師承擔教學任務。

如何制定人才培養流程,使整個實踐教學過程做到系統化和整體性,一方面需要合理安排與本專業學科基礎類課程相關的實驗教學環節,另一方面要探索課程設計、電子競賽、畢業設計等專業工程實踐環節的規劃,充分擴展專業特色課程相關的實踐教學的內涵。其中后者是提高學生動手能力和綜合思考問題最佳方式。

1 以系統工程的思想構建專業實踐教學體系

系統是由互相關聯、互相制約、互相作用的若干組成部分構成的具有某種功能的有機整體。系統工程是運用系統思想直接改造客觀世界的一大類工程技術的總稱。專業實踐課程活動涉及到學生專業學習的整個階段,也可以看作是一項系統工程。為了提高專業實踐教學活動的教學效果,保證專業知識的可持續性發展,就應該按照系統工程的思想和方法,協調專業實踐教學活動中各項因素。在實際工作中,一方面要重視每一項工作,將每一項工作做到位,另一方面要重視各項工作的內在聯系,建立系統的、整體的教學體系,這樣才能使實踐教學的功能最大化。

目前在高校的實踐教學中常見的問題是缺乏大學四年整體的實踐教學體系,學生每一年都在做不同的實驗不同的設計,設計的系統性和完整性被割裂開,學生不能用聯系的眼光去看全部的設計,不能體會到各專業課程之間的聯系和傳承。針對這一情況,必須做好系統化統籌安排。

結合各個階段專業課程的學習,合理安排專業實踐環節,最大限度激發學生的主動性和能動性,是專業教師必須思考的問題。下文以浙江科技學院測控專業某小組四年的課程設計、專業實驗和畢業設計為例,詳細介紹如何將教師和學生結合起來,系統地完成四年的專業教育。

2 改革與探索――以數字電壓表的設計為例

基于系統化工程的實踐環節,專業教師根據學生學習的各個階段,合理安排與專業課程相對應的課程設計環節,有效地發掘各個環節的密切聯系,培養學生系統化的設計理念。

在一年級本科始業教育和專業認知實習環節,專業老師提供各種設計題目供學生進行分組選擇,這些題目必須具有傳承性的,并且說明各個設計要用到的專業知識,比如說電子課程設計要有電路原理、數字電路和模擬電路相關知識;下一階段就要用到單片機和傳感器等知識;再下一個設計可能要用到虛擬儀器、控制系統等知識,讓學生在一年級就對本專業的整體構造有感性認識,從而激發他們專研專業知識的興趣。

2.1 基于ICL7107的多量程直流數字電壓表的設計

根據教學計劃的安排,在一二年級學生所接觸的主要是專業基礎課,學生能自由掌控的專業知識有限,因此在二年級電子課程設計中,我們要求學生設計一款直流數字電壓表,具體要求是能實現0mV~2V測量范圍。專業教師只負責提出任務以及實現的功能,學生自行查閱資料,提出解決方案,然后師生一起討論可行性。在實踐中,學生提出了以ICL7107,ICL7135等芯片不同的解決方案。

2.1.1 數字電壓表的組成

數字電壓表基本量程200Mv,可以擴展量程2V和20mV。整個電路設計沒有超越學生現有理論知識,學生有能力獨立完成,同時功能的擴展又要求學生綜合運用所學的各門專業課程,完成復雜電路的設計,鍛煉了綜合分析問題并獨立解決問題的能力。

2.1.2 總結分析

這一階段學生只能使用電路模電和數電的相關知識,結合電子綜合實驗,學生查閱資料,了解ICL7107的原理,掌握雙積分式芯片的基本電路的設計,完成了芯片的供電模塊―― 直流穩壓電源的設計,并可以在此基礎上開拓量程自動切換的功能(如圖1所示)。

2.2 基于單片機的數字電壓表的設計

隨著二三年級大量專業課程的學習,學生可以運用的專業知識更加豐富了,他們可以完成設計的功能也隨之更加強大。在此基礎上,學生延續前面的設計,改進了電壓表的設計。

2.2.1 基于單片機的數字電壓表的設計

由于ICL7107沒有BCD碼輸出,沒有像ICL7135那樣的BUSY信號,在與單片機連接時,學生遇到了障礙,于是又展開了一場討論,如何利用單片機只是完成直流/交流電壓的測試任務。根據大量查閱的文獻資料,有學生提出采用ICL7135芯片的想法,該芯片與ICL7107工作原理相似,是4 1/2位A/D轉換器,加上電路ICL7135可組成一個滿量程為2V的數字電壓表。ICL7135可以采用并行采集方式與單片機系統進行連接。如圖2所示,模擬電壓送到ICL7135進行A/D轉換,然后送到單片機中進行數據處理。處理后的數據送到數碼管中顯示。其中ICL7135電源部分可以沿用上學期的直流穩壓電源。

2.2.2 總結分析

現階段可以要求學生用到所學的單片機等知識,完成功能更多、精度更高的課程設計。在單片機等課內實驗中,學生完成了單片機最小實現系統,結合前期所做的電子課程設計,學生可以開發基于單片機的數字電壓表。該設計引入單片機編程實現從數字量編碼轉換到七段譯碼,最后送到數碼管顯示輸出測量結果。學生利用單片機最小實現系統,擴展單片機系統的應用,專業知識得到了綜合運用。

2.3 基于ICL7135的畢業設計

ICI7107/7135都是CMOS雙積分A/D轉換芯片,可以轉換輸出 000個數字量,對外提供6個輸入、輸出控制信號。因此,除用于數字電壓表外,還能與異步接受/ 發送器、微處理器或其他控制電路連接使用。

因此,在選做畢業設計題目過程中,學生對需要進行模擬信號處理的設計中大多選用這兩款芯片,如圖3所示,在選用ICL7135作為A/ D 轉換器,模擬信號由傳感器采集,由ICL7135 轉換后數字量送入單片機,由單片機對ICL7135 輸出的信號進行處理,在數碼顯示管(LED)上顯示。并可通過鍵盤輸入溫度設定值。單片機根據設定溫度進行相關運算(如PID、模糊運算等),產生控制信號。

當然還可以挖掘更多的基于ICL7107和7135的應用的實例,這里我們致力于讓學生對知識點的綜合運用,當他們能用課堂上所學到的知識,系統地解決一個實際的問題,這里面的滿足感和成就感能大大激發學生的學習潛能,提高學習效率。

篇6

中圖分類號:TN911-33; TP311 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0074-03

Application of Proteus Software in Theoretical and Practical Teaching about Embedded Syetems

WANG Zhong, QIN Ying-lin

(Department of Computer Science and Technology, Shandong Jianzhu University, Jin’an 250101, China)

Abstract: The introduction of Proteus software into all the teaching steps in the course of the embedded systems is proposed to solve the problems of the teaching difficulties and high cost of teaching for the course of the embedded systems. The method proposed in this article is performed in the classroom teaching. The prupose is to let the students master the design of hardware systems gradually and improve the students' abilities. The model design of dynamic simulation can be applied to the graduation projects and innovative design. The application of Proteus software in embedded system teaching can reduce the teaching cost and improve the teaching effect.

Keywords: computer application; embedded system; Proteus; keil

0 引 言

嵌入式系統是一門涉及計算機體系結構、計算機軟件以及其他相關電子技術的綜合技術。目前,嵌入式系統技術已經成為最熱門的技術之一,各類企業對具備嵌入式系統設計開發能力人才的需求量非常旺盛。在目前各高校開設的嵌入式系統課程中,普遍采用的微處理器是8位的單片機8051,32位ARM7TDMI核的飛利浦NXP LPC系列和三星S3C44B0芯片。首先以單片機作為嵌入式系統設計學習的入門,掌握了基本的概念和設計方法之后,再把ARM7內核CPU作為一種“功能更強大的單片機”,無縫升級到流行的ARM平臺。

傳統的嵌入式系統教學,課堂環節多是純理論教學,實踐環節一般也是使用傳統的實驗箱,實驗項目較少,內容固定,創新手段不足,很難為學生的創新實踐創造良好的實驗平臺。鑒于傳統教學模式中面臨的問題,在課堂教學、實驗、畢業設計、創新設計中引入Proteus軟件,可達到事半功倍的效果。

1 Proteus軟件介紹

Proteus是由英國Labcenter公司開發的嵌入式系統仿真及開發平臺,該軟件具有以下特點[1-3]:

(1) 能進行智能原理布圖;進行單片機軟件調試和單片機與電路的協同仿真;滿足單片機軟件仿真系統的標準。

(2) 支持常見的單片機類型和飛利浦公司ARM7(LPC系列)處理器及常見的器件如8255,ADC0809。

(3) 可以與Keil μVersion 3,ADS1兩個集成開發環境結合,把用匯編和C語言編寫的程序編譯后,進行軟、硬件結合的系統仿真。

2 Proteus軟件在教學中的應用

在教學環節中,教師可以將Proteus和Keil 建立的虛擬實驗平臺搬到課堂上,將實踐教學與理論教學融為一體,從而改進教學效果[4]。下面是一個實際的課堂案例。

在講述外部中斷處理過程時,將Proteus 和Keil 聯調,通過仿真步驟,可以將單片機處理中斷的軟件執行過程和單片機內部資源變化的情況以直觀、清晰的畫面呈現給學生,從而帶來單純理論分析難以達到的效果。

匯編程序如下:

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0003H

AJMP INT0

ORG 0100H

MAIN: MOV IE,#0FFH ;開中斷

SETB IT0 ;INT0 為邊沿觸發方式

SJMP $INT0: CPL P1.0

RETI

END

全速運行Protues,可以看到Proteus 中電路的按鍵閉合時,P3.2 引腳產生一個下跳沿,PC=0x0003H,指向AJMP INT0 轉移指令,堆棧指針SP=0.9H,數據存儲器的08H 和09H 單元存放著01H 和05H,即存放了下一條指令的地址。由此學生可以知道,當發生外部中斷請求時,程序會自動保存斷點的地址,同時程序將會轉移到中斷服務程序的入口地址。由于是外部中斷0產生的中斷請求,因此程序會轉移到外部中斷0 的入口地址0003H 單元。而AJMP INT0 是一轉移指令,所以程序會轉移到標號INT0 處,即真正的中斷服務程序。隨著CPL P1.0 指令的執行,Proteus 電路圖中的發光二極管會改變當前的狀態。當程序執行完RETI后,PC=0x0105H,說明中斷程序執行完后,程序又回到斷點的位置。RETI 指令能把斷點地址取出,送回到程序計數器PC 中去。至此,一個完整的中斷處理過程執行完畢。

通過外部中斷執行的例子可以看出,在課堂上使用Protues 和Keil 聯調建立的實驗平臺[5],許多抽象概念都可以以直觀的方式介紹給學生,使得學生不僅能夠觀察到軟件執行時單片機內部的I/O 口和存儲器的變化,還能夠觀察到軟件程序和電路互動的過程。

3 Proteus軟件在實驗和課程設計中的應用

現有的單片機實驗教學環節通常包括2個部分:課內實驗和課程設計。所有這些實驗都是在實驗箱上完成的。由于硬件實驗箱的結構固定,資源有限,學生在做實驗時無法將所學的知識融會貫通。所以到課程設計階段,很多學生無法完成綜合性實驗。采用Proteus 軟件仿真可以彌補硬件實驗的不足。基于Proteus的實驗可以分為以下3個階段逐步完成[6]。

(1) 驗證階段。主要讓學生熟悉Proteus與Keil軟件環境,使學生對單片機虛擬系統仿真有感性認識。實驗指導書給出實驗任務與要求、Proteus實驗原理圖、實驗操作步驟、多媒體課件、程序流程圖及程序源代碼等。學生根據實驗步驟或實驗操作錄像進行實驗操作、實驗調試,并觀察程序運行結果。

(2) 設計階段。主要培養學生用Proteus繪制系統原理圖,以及用Keil進行源程序設計的能力。實驗指導書給出實驗任務與要求、實驗原理圖。學生根據實驗原理圖用Proteus繪制硬件電路圖,按照實驗要求設計程序,在Keil環境編寫源代碼,調試成功,加載程序到Proteus硬件圖仿真。仿真成功后按照實驗原理圖在實驗箱上搭建硬件電路,加載程序,觀察實驗現象,并與仿真結果相比較。

(3) 綜合階段。主要激發學生學習興趣及主觀能動性,提高學生創新能力。學生根據實驗任務及要求設計硬件電路(包括CPU選型、元器件選型及參數設置、電路連接等)并繪制Proteus硬件原理圖;根據硬件功能模塊進行軟件設計(包括系統原理框圖、程序流程圖及源代碼編寫等)。軟硬件設計完成后,進行兩者間聯調,充分利用Proteus與Keil的聯合仿真功能,及時發現并改正硬件電路或程序源碼的錯誤。系統仿真成功后,再制作實物。

在課程設計環節中,要求學生在Proteus 中繪制硬件電路圖,在Keil 中編寫程序,同時在設計硬件電路時盡可能考慮實驗箱的資源,以便在Keil 中編寫的程序能夠很好移植到實驗箱上。這樣學生可以隨時進行課程設計和課題研究,在聯合仿真驗證成功后,再進入實驗室使用實驗箱做進一步驗證。

學生可以針對不同的應用,選擇最適宜的單片機,而不用局限于課堂上常講解的51系列單片機。學生可以在聯合仿真成功之后,再進行電路焊接、系統調試和程序固化,避免因設計方案不正確所造成的浪費。同時也可以使學生了解與本課程相關的科技發展最新動態和成果,掌握自己不熟悉的單片機,提高實驗能力和開發能力[7-8]。

4 Proteus軟件在畢業設計和創新設計中的應用

在畢業設計中,單片機控制類的設計由于時間短,人數多及實驗設備缺乏,給畢業設計帶來了一定的困難。采用Proteus仿真軟件后,只需要一臺電腦就可以開展工作。學生前期的仿真工作可以利用Proteus仿真軟件在電腦上完成,再進入實驗室進行現場調試,┮環矯妾可緩解設備不足的問題,也可不影響正常的教學。

在項目研究和創新設計中,利用Proteus軟件進行輔助設計,可以做到縮短研發周期,減小硬件成本的投入。動態元器件仿真模型是Proteus 的特色動態模型,具有動畫效果[9],如LED發光管、按鍵開關等。這是Proteus 的特色。但有些動態模型在庫中沒有,Proteus在創建動態模型方面給予用戶廣闊的創作與發揮空間,可以設計自己的動態模型,展現出Proteus 在動態仿真方面的無限魅力。它不但使人機交互式仿真得以實現,而且使仿真形象、生動,創造出極為接近現實的課程教學與產品研發的情境。

5 結 語

采用Proteus仿真軟件作為單片機和ARM的教學平臺[10],可充分利用機房的現有設備,減少實驗設備的硬件維護、實驗環境,又與實際工程系統非常接近,拉近了學習與就業的距離。

近年來,將Proteus 仿真軟件應用在教學、課程設計、畢業設計、山東省大學生電子設計大賽中,使用該開發環境對學生進行培訓,在不需要硬件投入的情況下,學生普遍反映比以往單純學習書本知識更易于接受,更易于提高,增加很多實踐經驗。實踐證明,這種教學方法不但可以降低成本,經濟優勢明顯,且具有較高的推廣價值。

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篇7

【關鍵詞】LabVIEW;虛擬儀器;單片機;溫度控制

Abstract:Based on intelligent temperature control system as an example,this paper detailed illustrates the process of drawing the virtual instrument technology into the curriculum project.Practice shows that this kind of curriculum project greatly mobilize the students' interest in learning,not only the students' professional curriculum knowledge understanding and application deepened,and improve the quality of the curriculum design’s accomplishment,also realizes the independent colleges teaching goal of strengthen students' practice ability.

Key Words:LabVIEW;Virtual instrument;Single chip microcomputer;Temperature control

一、引言

在關于實施《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》工作情況的報告中,教育部指出:“高校要把實踐育人擺在重要位置”。加強實踐育人環節是提高高等教育質量的核心要求。同時也制訂了《關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》,就是要求高校特別要抓好三件事,其中重要的一件就是強化實踐教學環節,深化實踐教學方法的改革,鼓勵引導學生在實踐中學習,在科研研究中學習。作為獨立院校,實踐教學是在教學過程中的重中之重,它可以學生的科學思維方式、嚴謹工作作風、扎實的專業知識和實驗技能,為今后學生能順利走上工作崗位打下良好的基礎[1]。

本文以學生在專業課程設計中設計的一個智能溫度控制系統為例,具體闡述了如何將虛擬儀器技術和專業課程中的相關專業知識結合,構建一個完整的溫度控制系統,培養學生工程應用的能力。

二、專業課程設計的實踐教學要求

根據獨立學院的特點,學院制定了強化實踐教學,突出實踐能力的培養,構建“應用型”人才培養目標的實踐教學體系。電類專業的專業課程設計作為本院大四學生第一學期實踐教學中的重要一環,應當全面調動學生學習的主觀能動性,融會貫通其所學的各種專業知識,如:單片機技術、數據處理技術、傳感器技術等課程的基本原理和基本分析方法,打破各課程界限,開闊思路,將所學理論知識進行綜合運用,使學生能拓寬知識面,建立“電子電路系統”的概念,提高學生工程設計能力與創新能力,實現知識向技能的轉化,以便今后能盡快地適應社會的需求。

如何在現有實驗室資源條件下,“以學科知識為基礎,以綜合應用為核心,以培養創造性思維為重點”進行課程設計項目的選擇,成為其是否能收到預期效果的關鍵。這些項目既不能超出學生現有的知識水平與操作技能,也不能讓學生完全照搬已有的成果,同時又要適當引入新技術,對相關課程知識能夠進行適度拓寬、提高和綜合應用。此外,還要盡量面向實際,讓學生拿到題目后有真實感,在實現的過程中有自信心,完成后有成就感,使課程設計真正起到培養學生分析問題、解決問題和鍛煉系統設計能力的作用。

為此我們將虛擬儀器技術引入到專業課程設計中,采用硬軟件相結合的方式,把學生以往的課程設計成果(單片最小系統設計)利用起來,進一步拓展和加深,起到了較好的教學效果[2]。

三、虛擬儀器技術

虛擬儀器技術可實現自動測量、自動記錄與自動數據處理,是集測試、計算機、信號處理、應用電子等多種高新技術于一體的綜合應用技術,在電子測量、電子工程、故障分析及教學科研等方面的數據采集和分析中得到了廣泛應用[3]。在專用測量系統方面,它能夠很好地滿足自動控制和工業控制的要求,適用于一切需要計算機輔助進行數據存儲、數據傳輸和數據處理的計量場合,容易實現實驗測試平臺的虛擬化和自動化,實驗資源也可在更大的范圍內共享,具有功能強、性價比高的特點。一個虛擬儀器系統通常由3部分組成:信號的獲取和采集、信號的分析與處理、結果的輸出與顯示。虛擬儀器系統結構如圖1所示。

圖1 虛擬儀器系統結構圖

系統中數據采集由硬件實現,信號的分析與處理、結果的輸出與顯示則靠軟件完成。首先將物理信號轉換為電壓或者電流等電信號,然后通過數據采集電路將電信號采集進入計算機,借助軟件控制數據采集電路進行數據分析、處理和顯示。程序設計采用了先進的圖形化編程語言工具LabVIEW。對于構建虛擬儀器,LabVlEW有許多特點和優勢,如:儀器控制與數據采集的圖形化編程;直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風格;內容豐富的高級分析庫;可進行信號處理、統計、曲線擬合以及復雜的分析工作等。利用虛擬儀器技術進行課程設計的項目也很多:如溫度采集和控制系統、虛擬頻譜分析儀,虛擬信號發生器、虛擬數字萬用表、脈搏測試系統等。

四、智能溫度控制系統設計

在工業應用中,數據采集電路一般采用數據采集卡實現,而數據采集卡相對比較昂貴,而目前許多普通高等院校的經費不足,這就大大限制了大學生動手能力和創新能力的發展。鑒于LabVIEW能很好的支持串口通信,這使得單片機技術、測控技術、信號分析等專業實現有機的統一,也可以讓學生進一步理解和加強所學專業知識。下面通過智能溫度控制系統的設計的實例來說明怎樣通過專業課程設計提高學生的動手能力和創新思維。

(一)要求分析和硬件設計

利用實驗室現有的傳感器(熱電偶加熱電路)設備,將溫度測量得到的電壓值經A/D轉換后送給單片機,單片機將測量值通過串口芯片MAX232送給PC機,PC機接收到系統傳來的信號,使用LabVIEW在PC機上直接對數據進行分析、處理和顯示,PC機再將溫度控制結果傳送給單片機,作為熱電偶是否繼續通電加熱或者斷電停止加熱并起動風扇進行降溫的控制信號,硬件電路的整體框圖如圖2所示。

圖2 單片機硬件電路框圖

圖3 單片機程序流程圖

圖4 基于labVIEW的智能溫度控制前面板

(二)單片機軟件設計

系統軟件由主程序和若干子程序構成,有A/D轉換子程序,串口讀寫子程序等,程序的流程圖如圖3所示。系統開機后,首先執行主程序,完成系統初始化工作,然后調用A/D轉換子程序,讀串口程序(讀取加熱或起動風扇的控制信號),再將A/D轉換的數據傳輸到PC機上,然后執行循環。

(三)LabVIEW程序設計

在設計中,LabVIEW作為上位機數據處理系統,完成對單片機采集的數據信號進行一系列的變換處理。LabVIEW程序設計由前面板和程序框圖兩部分構成,前面板由輸入、輸出控制和顯示三部分組成,通過串口設置、溫度設定完成數據的初始化。前面板直接面向用戶,是溫度控制系統的核心,因此在設計這部分時,要考慮界面美觀整潔、易操作、便于讀取數據等。根據設計要求,前面板如圖4所示主要有通訊設置、溫度設定、風扇控制以及溫度趨勢顯示等,整個界面力求美觀、簡潔。

程序框圖是圖形化代碼,主要實現了LabVIEW創建串口對象并初始化,接收單片機發來的數據,然后經數據處理后將處理結果發送給單片機,程序框圖如圖5所示。

圖5 基于labVIEW的智能溫度控制程序框圖

五、結束語

該系統使高校多門課程(傳感器原理、測控技術、單片機應用技術、信號分析與處理等)的知識得到了有機的結合。采用LabVIEW軟件和單片機技術相結合的實踐教學模式,不僅克服了昂貴的數據采集卡的硬件電路的投入,還使得實驗室的常用的電子設備得到了有效和充分的利用,也讓學生充分的學以致用,達到了理論與實踐統一的效果,更進一步的激發了他們對學習的興趣。

由于采用串口通信,硬件電路簡單,所以該系統還可以用于其他對數據傳輸速率要求不高的應用場合,如機械振動測試、電壓實時監視、壓力的測量系統等,這些系統也具有很好的實用性,為學生后續的畢業設計乃至今后的工作都提供了良好的實踐機會。

參考文獻

[1]陳林,潘旭,陳喬,嚴士欽.虛擬儀器技術在電子技術課程設計中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(8):83-86.

[2]李晴,朱敏.《虛擬儀器技術》課程建設思路與實踐[J].常州信息職業技術學院學報,2007(3):61-63.

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論文關鍵詞:單片機原理及應用技術;設計理念

《單片機原理及應用技術》是機電一體化技術專業的一門必修專業技術核心課程。該課程是根據“機電一體化技術”專業職業崗位要求設置的一門實踐性和綜合性非常強的專業技能課程,是基于職業標準和工作過程開發的理實一體化的學習領域課程,是屬于職業學習領域課程之一,它擔負著幫助畢業生在未來職業生涯中從擔任單片機程序的編制、控制系統的自動化控制等崗位的重任。通過本課程的學習,旨在培養學生學習單片機的結構和原理、單片機的指令系統、程序設計、單片機的硬件結構及其擴展、單片機的應用等,培養學生具有單片機的編程、硬件的結構設計的能力及團隊協作、溝通表達等綜合素質,這對提高機電一體化專業人才培養質量、提升畢業生就業能力與就業質量具有重要意義。

一、課程整體設計理念與思路

(一)設計理念

打破以知識傳授為主要特征的傳統學科課程模式,轉變為基于工作過程的項目課程開發與設計,工作任務為中心、項目課程為主體,讓學生在完成具體項目的過程中來構建相關理論知識,并發展職業能力。

1、以崗位需求為依據:依據自動化控制系統實踐能力要求,設置課程內容,實現課程內容和職業崗位需求緊密結合;2、以工作過程為基礎:按照工作過程中活動與知識的關系來設計課程,突出工作過程在課程框架中的主線地位,按照工作過程的需要來選擇知識,以工作任務為中心整合理論與實踐內容;3、以職業能力為主線:真正以“能力”為主線來設計課程。要按照工作的相關性,而不是知識的相關性來確定課程設置。

(二)設計思路

本課程從應用的角度出發,依據由簡到難的原則,以典型工作任務為主線,設立教學項目,通過教師指導學生開展自立學習完成工作任務或項目,實現對工作過程的認識和對完成工作任務的體驗,從而形成職業能力。共設置9個學習項目, 每個學習項目均應從知識技能等方面達到教學的標準。

二、課程整體設計

(一)課程目標設計

確定課程目標的依據是根據人才培養方案中崗位具體工作對能力、知識、素質的基本要求。通過教學,本課程總體目標是實現學生能力、知識、情感態度與價值觀等不同層面職業素養的綜合提升和協調發展,培養可持續發展的滿足企業需求的高技能人才的目標。  1、能力目標:(1)具備單片機硬件圖的表達、閱讀、分析能力;(2)具備單片機匯編語言編程的能力;(3)具備單片機硬件擴展的能力;(4)初步具備單片機的應用能力。

2、知識目標:理解單片機的結構及其工作原理,了解單片機的特點及其發展過程;掌握單片機的指令格式、尋址方式、數據傳送類指令、算術運算類指令等各種指令系統。掌握單片機軟件編程的方法;掌握單片機的硬件結構及其硬件擴展的方法。

3、態度目標:具有實事求是的科學態度和吃苦耐勞的實踐意識;具有開拓和創新精神,具有良好的職業道德和職業素質。

(二)課程內容設計

為了保證學生畢業后能夠勝任有關崗位的要求,我們依據專業人才培養方案經過反復研討后,選擇了貼近實際的5個典型項目作為教學內容,以保證學生可持續發展能力的培養。并根據學生的認知規律以及職業能力成長規律,將教學項目組織為5個對應的能力訓練項目。

(三)教學方法設計

1、基于教與學的教學方法。一方面以學生為主體,以專業課程和專業技能提高的需求為目的確定綜合案例、單項任務和理論知識。通過課堂練習與測驗、課后研究報告、課后綜合案例及課程實驗與學生一起“學中做、做中學”。另一方面,以教師為主導,老師指出課程學習目標和學習方法,進行正確引導(課堂、實驗、課后研究報告),了解學生困惑,進行正確指導(課程學習、作業、實驗報告、課后研究報告書);2、創造真實氛圍的工作環境,實施一體化教學法。注重學生職業素質的養成,創設真實氛圍的工作環境,開展一體化教學,將教室與實訓室合二為一,形成仿真的工作場所,使教學過程變為生產過程,學習任務變為工作任務,使學生通過學習親身體驗工作。教學組織過程實施“學做一體”。采用行動導向教學模式,教、學、做過程中,實行以學生為主體的教學互動,以活動為導向的自主學習;3、案例教學法。如講解單片機編程知識時,引入生活、工業控制實例等開展案例教學,如電動玩具的前進后退、走廊燈光的延時熄滅、倉庫貨物數量統計、交通燈制作等案例,增加學習興趣和動力,又為學生利用所學知識解決相應的實際問題奠定基礎;4、項目教學法。以生產過程為載體開發教學項目,整個教學圍繞各個項目的解決而展開,教師提出引導性問題,學生查找資料進行決策分析,制定出計劃,并進行實施,引導學生自主思考。

另外,還充分利用現代化多媒體教學手段,提高教學效率。充分利用網絡教學手段,提供了網絡教學平臺,提高學生自主學習的能力。

三、課程資源設計

使用高等職業教育時空技術專業“雙證課程”培養方案規劃教材、高職高專系列教材等作為教學參考教材,實行以多媒體技術為主的網絡教學環境;推薦優秀網站,建立包括課程標準、教學內容、課件等內容的教學資源庫。鼓勵、引導學生利用網絡自主學習,利用校內實驗實訓教學條件,讓學生有目的的,主動地去學習。

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[關鍵詞]單片機;創新能力;教學改革

[中圖分類號]G40―057

[文獻標識碼]A

[論文編號]1009―8097(2009)13―0282―03

引言

《單片機原理及應用》課程是向學生傳授單片機技術的基礎課程,它綜合了多門基礎課和專業基礎課的知識,主要培養學生進行智能化電子系統整體設計的能力,培養強電專業學生的弱電控制能力。通過學習,使學生掌握單片機應用系統的硬件設計和軟件編程技術,可為后續更高層次專業課程的學習、畢業設計、參與實際的綜合設計課題和將來參加工作打下良好的基礎。因此搞好《單片機原理及應用》課程的教學工作,提高學生的創新能力,對提高教學質量有著非常重要的現實意義。

一 目前教學中創新能力培養存在的主要問題

我院的自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程三個電類專業均開設了《單片機原理及應用》課程,學生在學習了電路基礎、數字電子、模擬電子、微機原理等基礎課程的基礎上,再學習《單片機原理及應用》課程,在整個教學安排上是非常合理的。然而通過40學時的教學和一周的課程設計,最終對學生的學習情況考核時發現學生對該課程的掌握情況并不十分理想,尤其是創新能力較差,主要表現在:

1 學生主動學習的意識不夠,缺乏創新思想,學習過程中一旦碰到問題,很難認真思考、探索研究、積極主動地解決問題。

2 在《單片機原理及應用》的教學過程中,傳統的教學還是以理論為主,以課堂授課為主,學生很少有應用具體電路解決實際問題的機會,不利于創新思維的培養。

3 目前實驗課程體系驗證性實驗過多,綜合性、啟發型實驗不夠,沒有大型設計性和綜合性實驗,基本沒有對學生動手能力訓練,更不用說培養學生的創新能力。

4 在傳統的教學思想和方法引導下,學習成績主要是以考試成績確定的,因而常常出現“高分低能”現象。這種評價體系造就學生對實踐環節學習的輕視心理,即是以成績合格為目標,而不是能力獲得為標準,限制了學生的創新能力。

二 改革思路和方案

針對以上問題,在單片機教學中,根據學生、教材、教學設備等實際情況,將授課內容進行全面、合理的整合優化。減少冗余,加強綜合性、創新性內容,在對整個課程鏈研究的基礎上進行了課程改革,改革后的講課學時分配如表1所示:

在對整個課程鏈研究的基礎上進行課程改革,可以避免學生反復學習同一內容,但又學得不夠深入等問題。對照以前的教學大綱,了解當前學生所學課程,對單片機的大綱做了更改,利如增加了單片機應用典型案例、接口部分知識,刪除了同步、異步通信概念、進制部分知識等。

這種改革符合目前國家教育教學改革基本方針,可以減輕學業壓力,用有限的課時學習盡可能多的知識,做到“厚積”。在改革過程中注意積極開展教育創新。為培養創新意識,積極探索具有創造性的教學方法和手段,在授課中改變老師唱主角,學生當觀眾的教學模式:改變學生靜態、被動接受的地位,建立以學生為中心的實踐性教學模式。利用學生對新事物感興趣的心理特點,鼓勵學生積極、主動地去探究知識,教會學生進行創新的科研方法和在自主的學習中學會創新。另外在現行開設單片機課程中,實踐內容所占比例偏少,實驗設備陳舊,內容跟不上時展,因此進行了實踐性教學環節改革,改善教學與實踐脫節的現狀,使各環節相互銜接,增加創新實驗,通過加強動手能力的培養,提高了學生的綜合素質和創新能力,培養應用型本科人才。

三、為提高創新能力所采取具體措施

1 提高學生學習單片機的興趣,培養學生創新意識

興趣是最好的老師,只有有了學習興趣,才能夠在學習中創新,喜歡創新,注意創新,發揮自身的創造性。為激發學生的學習興趣,在開課之后,我們首先向學生介紹單片機的多種應用功能及其良好的發展前景,讓學生明白學什么、為什么學和學會后能做什么,并利用圖片、錄像和實物等介紹一些當前的單片機先進科技和教師相關單片機科研成果;邀請一些單片機科技公司的技術人員、知名教授來校作單片機知識專題講座;請一些已畢業從事與單片機技術有關的學生來現場指導教育,使他們了解單片微機在工業控制、智能化儀器儀表、計算機外部設備、計算機網絡與通訊技術和家用電器等領域的應用及學好單片機的重要性和必要性,激發他們的學習興趣,鼓勵他們動腦思考有哪些領域或哪些與我們日常生活相關的電器或儀表等設備適合用單片機控制,從而使學生具有初步的創新意識。

2 鼓勵學生進行單片機應用系統開發,培養學生的創新能力。

不斷鼓勵學生利用課余時間進行單片機應用系統開發,制作自己興趣的產品,編寫單片機程序。由于初學者一般沒有開發板和仿真器這些設備,為了給學生創造條件,我們采取了以下措施:

(1)給學生提供一些單片機仿真軟件,讓學生在電腦上模擬實際系統,編寫軟件。例如提供了proteus仿真軟件,它可以仿真51系列、AVR,PIC等常用的MCU及其電路,還可以和keil軟件互聯,可以像使用仿真器一樣調試程序。又不需要任何費用,特別適合學生在單片機學習的起步階段使用。我們在實驗室里安裝了這個軟件,并在教學過程中向學生演示它的功能和使用,鼓勵有電腦的學生安裝這個軟件,讓他們利用課余時間自己動手做做電子表、步進電機、直流電機控制、LED顯示,AD、DA轉換,交通燈設計等方面的模擬實驗。

(2)鼓勵有一定經濟條件的學生買一些小型的單片機學習開發板。目前市場上有很多專門為在校大學生學習單片機量身定做學習開發板、主控芯片。包括凌陽、51系列、AVR系統等,它們價格低,特別適合于學生利用課余時間學習單片機開發。而實驗室也購置一部分這樣的開發板,對學生開放,給學生創造自主學習和開發單片機系統的環境,從而培養了學生的創新能力。

3 在實驗中培養創新思維

改變原有的實驗教學模式,減少驗證性實驗,增加設計性、綜合性實驗,并開放實驗室,隨時恭候學生的來臨。在整個實驗進行過程中,以學生為實驗的主體,最大限度地調動和發揮學生的主觀能動性,引導學生積極對待實驗中出現的問題,并自己動手解決這類問題。指導教師在實驗的組織管理上起主要作用,而在實驗中僅起指導作用,給學生指明方向,避免多走彎路,并解答實驗當中出現的一些疑難問題。例如:在彩燈移動實驗中,鼓勵學生編寫不同的移動花樣,采用多種不同方法編程,并設計電路圖,這樣將生活中常見的小產品與課程實驗結合起來。使同學們加深對理論知識的

理解,學到了實際知識,培養了分析問題、解決問題的能力,培養學生的創新思維。

4 通過課程設計改革培養工程素質,強化創新能力。

創新能力不僅僅體現在一些制作發明上,更重要的是要有必要的工程素質。在課程設計過程中,注重培養學生的工程素質。從課程設計選題開始,就要求學生注意收集相關資料、作好分工、做好實驗記錄、總結調試心得等。使學生熟悉從立項、方案論證、軟硬件設計與調試、PCB設計、結構設計、到安裝調試等電子設計的全過程,系統地培養學生的學習能力、交流能力、合作能力,使學生理解并認識了良好的工程規范。在設計階段,引導學生從不同角度觀察問題、提出問題、解決問題,注意實現創新性設計。在報告整理階段,引導學生對設計過程進行總結。從方案設計到器件選型,從程序開發到調試。都要求學生將實踐中獲取的經驗總結文字材料,使學生在設計過程逐步體驗本課程的系統性。例如,選擇電子時鐘系統作為課程設計的同學,其硬件電路盡管相對簡單,涉及的單片機資源并不多,大部分同學都能夠很快的實現基本功能,但在此基礎上,引導學生進行創新設計,在硬件電路基本不變的情況下,通過重新規劃設計軟件,實現許多如計時器、萬年歷、秒表、定時報警器等附加功能。

每年課程設計的題目既可從教師給定的題目中選擇,也可以自行擬定,自行擬定的題目在做之前要提交可行性報告。這就進一步鍛煉了學生的創新能力。2007―2008學年我專業的課程設計的可選題目如表2所示:

而課程設計評分依據學生的實際完成情況和文字報告等進行評價。例如,確定若干個基于單片機實現的儀器系統如時鐘、點陣顯示器等基本功能供學生選題。在指定的時間范圍內,提交完成基本功能的儀器系統、相關文字報告等,最后進行答辯。畢業設計得分由設計產品功能和質量分(40%)、畢業設計報告分(30%)、答辨分(15%)、特色與創新分(15%)等部分組成,并要答辨。

5 通過考核方法改革考核學生的創新能力

考核方法作為課程教學的最后環節,它直接檢驗教和學雙方的效果,間接指導著學生的學習。目前《單片機原理及應用》課程使用比較普遍的考核方法仍然是閉卷筆試。應該說,閉卷考試在基礎理論類課程教學中,在強化學生學習和掌握知識的作用是不可替代的,但《單片機原理》課程應用性、實踐性都很強,如果仍以閉卷考試作為主要評價方法,則不能較好檢驗學生的實踐能力和創新能力。因此對當前的考核方法進行了改革,并擬建立一種長期的跟蹤考核制度,將考核重點放在學生在實踐中發現問題的能力考核上。即將原來的純筆試改成了設計報告、機考和筆試相結合評分的方法。在課程結束后學生要提交一個設計報告,設計一種產品,該報告的評分標準為:報告(50%)+創新意識(30%)+程序調試(20%)。而機考指的是在實驗室里現場考核,主要考核學生動手能力和程序調試能力。而筆試試卷在考核學生的基礎知識的基礎上,更強調學生的創新性思維,在題型上進行了改革。減少了一些需要死記硬背的客觀題,增加了靈活多樣的程序設計,電路設計等題型。充分考核了學生的學習情況和創新能力。最終成績測評比例為設計報告(30%)+機考(20%)+筆試(50%)。

6 開展第二課堂,培養學生的創造能力

為加強對學生學習的引導,我們將課堂教學延伸到課外,注意對學生參與實踐活動興趣的培養。將學生的課外科技活動納入到創新能力培養的過程中來,成立了創新電子社團,以電氣工程及其自動化、電子信息工程專業學生為主,其他專業學生也可自愿參加。由《單片機原理及應用》課程的主講教師作為主要指導教師,每周輔導1―2次,并提供不同層次的實踐內容,組織多種形式的實踐活動,提出靈活多樣的實踐要求,吸引學生主動地、有選擇地參與這些實踐活動,讓學生根據自己的發展方向,結合自己的興趣和需求,選擇適合自己的題目或感興趣的產品設計。在設計和制作過程中,教師給予適度的指導,使學生能夠獨立、主動、保質保量地完成自己的設計目標和任務,把學生被動地學習變成積極主動地學習,把依賴于老師的學習變成獨立的學習和思考。設計題目和產品的實現也增強了學生獨立解決問題的自信心,進一步提高學習的興趣。在教師的指導下,學生可以通過第二課堂對課堂教學內容進行補充和提升,可以根據自己的興趣進行選題、完成自己感興趣的課外實驗項目、設計和電子制作,可以自己設計電子作品等,這樣就使他們在完成學習任務的基礎上,使自己的創新思想得以實現。大大激發了學生的課外學習興趣和主觀能動性。也為學生提供了自由發展的空間,提高了學生的創造能力。

7 依托各種競賽,推進課程改革,提高創新能力

積極參加全國大學生電子設計競賽、盛群杯單片機競賽,飛思卡爾智能車競賽等各類比賽。這些競賽既培養了學生電子設計能力,提高了實踐能力,也鍛煉了學生的團隊合作精神。通過各類競賽,掊養一部分學生的動力創新能力,再通過宣傳,使其它學生對單片機學習產生興趣,為參加這些競賽而努力,從而進一步提高了學生的創新能力。

四 結束語

在進行了課程改革以后,學生的學習熱情受到了很大的激發,出現了自主式學習的熱潮。由于課程的改革,使理論教學的時間大大縮短,學生有了更多動手和思考的時間,在課程結束時,大多數同學提交了自己的作品,更有部分同學在單片機比賽中取得了優異的成績。我們將以此為契機,積極、主動地促進單片機課程的進一步改革,使單片機課程跟上時展的潮流,使學生學完單片機后,不僅僅具有初步單片機應用系統的設計和開發能力,還具有了一定的創新能力,有效的提高了學生的綜合素質。

參考文獻

[1]江世明,劉湘濤,申壽云等.省級重點建設課程《單片機原理及應用》的創新與實踐[J]懷化學院學報,第2006,25(8):162―163.

[2]龔益民.《單片機原理及應用》教學改革與實踐[J].2007,(5):119―120

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關鍵詞:高等職業教育;學習領域課程;教學改革;工作過程

單片機應用課程是一門電子電氣類跨專業的核心課程,對學生的職業技能培養起到主要的支撐作用。為了更好地服務區域經濟發展,實現高職院校創新型高技能人才培養目標的要求,我們近年來一直在探求單片機課程教學的新理念、新方法和新的教學手段。來源于德國的基于工作過程導向的教學改革,根據企業崗位的工作任務、工作過程設計課程教學,注重學生的綜合職業能力的培養。我們在單片機課程的教改中,采用了這種以工作過程為導向的教學改革,經過實踐和探索,在培養創新型高技能人才方面取得了顯著的成效。

一、以工作過程系統化引導課程改革

2008年10月,基于工作過程系統化的“單片機應用設計與制作課程設計”教改課題被批準為學院教學改革課題。在課題的研究過程中,我們采用基于工作過程系統化的方法進行單片機課程的教學改革,課程開發設計的步驟為:企業市場調研分析職業崗位群工作任務分析歸納確定典型工作任務分析研討確定學習領域課程學習情境設計。課程開發設計過程如圖1所示。

(一)根據人才培養目標和職業崗位,注重實踐和創新,設計教學過程

根據應用電子、電氣自動化技術等專業的人才培養目標,針對電子電氣類企業的相關工作崗位,以職業能力培養為重點,與行業企業合作,從單片機應用產品設計與制作的方案設計、軟硬件設計、裝調測試等典型工作任務分析入手,編制《單片機應用設計與制作》課程標準。

以綜合職業能力培養為重點,注重學生創新能力的培養,通過與行業企業合作,分析職業工作過程,整合典型工作任務,選擇具有典型工作過程特征、符合教育教學原理及包含專業知識的工作任務作為課程載體,綜合實際工作過程和完整思維過程訓練設計學習情境。學習情境的設計類型從封閉型、開放型直到開放創新型,體現職業性、實踐性和創新性的要求,學習情境的設計如圖2所示。

(二)編寫基于工作過程系統化的學習領域課程教材

通過對職業工作過程的分析,編寫出具有學習目標、學習和工作內容的學習領域課程教材,以任務作為課程的載體組織教學內容,每個學習情境確定學習情境任務描述、學習目標、學習與工作內容和學業評價要求。教材的主要特點:

1.工學結合,以工作任務組織教與學。以任務為導向,將工作與學習相結合,既能通過學習性任務系統地學習單片機的知識,又能通過學習和工作的過程得到綜合能力的培養和訓練,教材的內容和編排體現了工學結合的職業教育特征。

2.依據職業工作任務,設計學習情境。根據職業工作任務的分析和歸納,按照職業工作過程和學習認知規律,根據教育教學原理,設計了6個學習情境,6個學習情境的工作任務來源于實際的職業工作任務,具備了典型工作過程的工作要素。

3.根據職業崗位需求,采用以匯編為基礎,以C語言為主的編程語言。在目前實際的單片機開發應用工作中,C語言以優良的可讀性,便于改進、擴充和移植,便于合作編程,成為目前單片機開發和應用的主要語言,但在一些實時性要求較高的應用和一些小型應用項目中,匯編語言仍然是很有效的編程語言,所以本書的單片機應用以C語言為主要編程語言,以匯編語言為要求基本掌握的編程語言,避免學生學完單片機課程后,卻看不懂單片機的指令系統。以C語言為主,基本掌握匯編語言的學習方式,適應職業崗位的實際工作需求。

4.基于Keil和Proteus的開發仿真平臺。Keil是目前職業崗位應用最多的MCS-51系列單片機軟件開發平臺,集成了文件編輯、項目管理和軟件調試等多種功能,Proteus是一款功能很強的EDA工具軟件,在單片機應用電路的仿真中具有突出的優勢,將Keil開發軟件和Proteus仿真軟件結合應用,可以實時、動態地模擬單片機系統的動作,本課程所有任務和案例的程序和電路原理圖都通過了Keil的項目編譯和Proteus的仿真驗證。

(三)具有豐富的現代教學手段的情境教學實驗室的建設及實踐教學

建立了三個能滿足學習情境教學和實訓工作要求的理實一體的單片機多媒體網絡教室,配備了能夠進行學習情境教學要求的實訓設備;建立了能滿足開放型創新實踐教學的創新工作實驗室。在經過教改建設后的單片機實驗室,實現了理論知識的學習、虛擬實驗和實物電路的實驗能夠在同一教室進行的實驗室教學和實踐教學相結合的模式。為實現職業教育課程的目標,學習的內容是工作過程,而通過工作過程為實踐教學創造了良好的條件。

在校外實訓基地實踐教學方面,與揚州的多家企業建立了穩定的校企合作關系。通過合作,這些企業逐步成為學生和單片機課程教師參與單片機課程創新實踐、參與行業企業創新實踐的實訓基地。

二、培養單片機應用創新型高技能人才取得豐碩成果

通過以工作過程系統化為導向的單片機課程的教學改革,收到了明顯的效果,學生學習的興趣提高了,應用單片機的能力也有了顯著的提高;應用單片機技術進行課程設計、畢業設計和創新設計的學生越來越多。自單片機課程啟動以工作過程系統化為導向的課程改革以來,每學年有400名左右的大二、大三的學生學習單片機應用,有越來越多的學生應用單片機技術進行畢業設計、參加大學生實踐創新訓練計劃,其中獲得多項省級、學院級大學生實踐創新訓練計劃立項和省級院級優秀畢業設計。

特別是在“全國電子專業人才設計與技能大賽”活動中多人次取得優秀成績,這項活動是為了推動高校教學改革,培養大學生的創新意識和工程實踐素質,由工業和信息化部人才交流中心舉辦的,我系學生在“單片機設計與開發”中獲得全國二等獎1名,全國三等獎2名,江蘇一等獎2名,二等獎2名,三等獎5名和多名優秀獎。

三、教科研工作取得顯著成績

通過以工作過程系統化導向的教改教研活動,鍛煉培養了一支教育教學理念先進、實踐操作能力強、教學水平較高、專業素質好的教師隊伍。編寫由清華大學出版社出版的工學結合模式、21世紀高職高專規劃單片機應用教材一部,《單片機應用設計與制作》教材被立項為學院精品教材。多名老師在指導學生參與技能競賽中成績突出,獲得省級和全國性獎勵。此外單片機課程教學團隊在培養單片機應用創新型技能人才的同時,積極主動地開展教學和科研工作,獲得過多次學院、省和全國性的獎勵,主持了多項教科研項目,在多種專業學術期刊發表了10多篇和單片機應用相關聯的教科研論著。

參考文獻:

[1] 姜大源,吳全全.當代德國職業教育主流教學思想研究[M].北京:清華大學出版社,2007.