轮机工程专业“单片机原理及应用”课程教学改革

黄玉燕

(集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021)

随着电子技术的发展，现代船舶日趋走向高度自动化，船舶动力系统及维持船舶运行的各种电气设备系统的管理和参数检测大多实现以计算机控制技术为基础的自动化控制。计算机控制技术已成为轮机工程专业不可或缺的专业基础课，是学生学好“轮机自动化”课程必要的前导课。目前相关院校的轮机工程专业的计算机控制技术多以“单片机原理及应用”作为课程讲解，该课程属于硬件基础课，其本身的特性决定了课程内容之间相对独立、知识点零散且内容枯燥。要真正理解计算机控制技术，需要在“单片机原理与应用”课程中学习较多的硬件基础知识，在芯片级上理解电路间的工作原理。该专业虽然不需要学生掌握编程技术，但计算机控制技术中，硬件技术和软件编程不是相互独立的，为了讲解芯片的应用技术又必须用到编程语言。作为专业基础课该课程往往课时不多，集美大学轮机工程学院目前的课时是40学时，在这短短的课时内还要坚持理论与实践并重，才能真正符合专业的需要。如果以传统的教学方法，没有对教学方法和教学内容进行必要的改革，这门课总是让学生觉得很难，甚至不知所云，这会给学生后续专业课的学习带来相当大的麻烦。为此本文从专业的角度出发提出该课程的教学改革方案。

一、制定合理的教学大纲，优化教学内容

教学大纲体现了教学目标要求，以纲领的形式规定了教学的计划和任务，是教师教学的指导依据，在课程中起着极其重要的作用。集美大学轮机工程学院本着以专业要求为指导方针，征求了具有丰富船上实践经验的轮机员和专业课程教师的意见，了解轮机工程专业在实践中对该课程的具体要求，从专业实际需要出发，对该课程教学内容进行优化并调整了教学方向，制定了新的教学大纲。与以往有很大不同的是，新的教学大纲大幅提高了实践教学在课程中的比重，着重强调了该课程以实践为基础的教学模式。大纲基本体现了该专业的岗位性和应用性的特点，强调实用性、实践性。因为该专业的学生学习这门课不是以研究和开发计算机技术为目标，重点是理解计算机技术在船舶机舱各个系统模块自动控制中的作用，教学目标以够用为度。新的教学大纲将重点放在专业实际应用中涉及的原理、通用性较强的接口电路上，根据实际应用情况简化了芯片内部结构电路原理的教学，侧重点放在芯片的外部特性和应用上，增加了实际训练，强化应用，以实际操作理解芯片本身的工作原理及信号在芯片之间传送和控制的原理。为学生理解船舶机舱参数自动控制系统的结构原理奠定必要的基础。

二、加强课堂教学，改进教学方法

课堂教学是很重要的过程，是实现教学目标的主要途径。课堂教学方法是否合理，在很大程度上决定了教学效果的好坏，决定了教学目的能否真正实现。

1.激发学习兴趣

课程开始第一次课精彩的开场是非常重要的，需要向学生介绍该课程在所学专业领域上的应用情况。对于轮机专业可以举一些船上的实例，如以燃油黏度或柴油机冷却水温度控制系统等为例，以专业项目为导向对单片机控制技术作与专业相关的介绍，说明本课程是专业的重要基础。同时通过单片机在现实生活和工业控制中的广泛应用进一步说明单片机应用的普遍性，如果能对该课程融会贯通，实际上是掌握了一门通用性技术。通过实际案例和精心准备的相应图片资料引起学生的兴趣，激发学生学习的积极性。

2.以应用为教学主线，以仿真演示促进课堂教学

单片机课程都是按照“结构”“指令”“编程”“扩展”及“接口”的体系来组织。只有在课程即将结束时才有涉及单片机应用系统，而此前的学习目标不明确。如果在教学中按照教材顺序孤立地讲授各个模块知识，必然会让学生觉得内容抽象、空洞，甚至学不下去。为了解决这个问题，教师需要改进教学方法，将单片机的应用作为主线贯穿始终，在讲授每一硬件模块知识时，与该模块在专业上的实际应用相结合。同时为了使学生能够在课堂上有直观的感性认识，教学中采用Proteus软件仿真演示是一种很有效的方法。

Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM7等常用的MCU，支持多种常用外围器件，提供多种虚拟仪器仪表，能对汇编语言编写的源程序代码直接编译并仿真调试［1］［2］。教学中可以利用该软件对专业上的案例进行仿真，达到生动形象、直观的效果，使教学内容不再枯燥。以船舶上锅炉水位控制系统为例，船舶锅炉水位通常要求控制在一个范围内。

图1 船舶锅炉水位控制单片机仿真

如图1在锅炉中放置三个电极A、B、C，锅炉运行时要求水位控制在电极B和C间，电极由导线引出，B和C电极有水时，则其相应的引线上电位为高，无水时其电位相应为低电位。水位信号的这种变送方法学生很容易理解，高低水位信号分别从单片机的P1.7和P1.0引入，Proteus仿真时，可以用右图电路中的开关S1和S2合、断模拟电极B和C处无水、有水两种情况，P2.0输出高低电平控制直流电动机的转和停来模拟对水泵的控制，在Proteus应用软件中编写相应的汇编指令，然后直接编译后加载到图中的AT89C51单片机中，课堂演示时通过任意按动S1、S2，可以让学生很直观地看到［3］当水位在电极B和C间时，电动机工作状态维持不变;水位低于电极B时，电动机启动转动，模拟了水泵开始打水的工作;水位高于电极C时，电动机则停止转动;如果S1合、S2开(相当于低位电极处无水，高位电极处有水)仿真系统通过P3.3输出报警且控制电机停转，表示系统出错了。这个仿真实验可以很清楚地讲解单片机的结构以及各个结构模块的作用，又与其所学专业相结合，给课堂教学带来很好的效果。

对于每个教学模块都制作了几个相应的仿真演示，演示的项目仿真轮机专业上的控制案例，还将仿真演示的图和编程都提供给学生，让学生可以自己在课后对仿真项目进行操作、调试，这往往会引发学生的兴趣，同时对学生理解课程方面起到很好的作用。［4］

三、强化实践教学

多数院校的单片机实验室都配备了单片机实验箱和相应的实验说明书，说明书为单片机课程的每个章节配备了一些验证性的实验项目，并提供了相应的实验电路图和实验程序清单，程序固化在实验箱的ROM芯片中。这些程序多数比较长，因为该课程对于轮机专业的学生应以硬件特性为主要内容，编程内容很少，自然对长的程序难以看懂，所以学生在实验室往往会直接将ROM中的程序调出，实验结果马上出来而且完全正确，但其实际效果很差，很多学生根本不知道实验的原理和实验说明了什么。为此，根据专业的需要，教学中调整了实验内容，主要采取了以下措施。

1.将教学引入实验室

有些教学环节直接在实验室完成，教师将教学内容所需的仿真用Proteus做好后通过投影可以很好地讲解，学生利用实验箱用真实的硬件构成实验项目，老师讲解的同时学生动手，碰到问题学生很快就能理解是为什么，大大促进了学生对课程原理的理解。

2.开设适宜的实验内容

不采用实验箱原有的配套实验，根据专业的需求，自编实验教材，开设一些难易适当的实验，如简单的定时器、计数器、接口、中断实验，设计所需编程很少就能实现的实验。实验教材只是给学生提出问题，提供解决问题的思路，起到启发作用，但不给出具体的电路和编程，让学生自己设计，并且通过实验调试中的单步运行和设断点运行可以很好地理解具体的控制原理。通过两届学生的实践，多数学生能在规定的实验课时内独立完成实验，收到良好的教学效果。

四、结 语

根据课程在专业应用上的情况适时修订教学大纲，修订后的大纲体现了淡化原理、注重实用的特点，使课程教学内容符合专业的需求。同时利用多功能的计算机软件作为平台改善教学方法，使该课程体现了内容直观、透彻的特点。课程设计上积极地引导学生学习“单片机原理及应用”的热情，通过调查课程改革后的两届学生对课堂教学效果的反映，与以往的情况相比较，结果表明这种改革是卓有成效的，显著改善了课堂的教学效果。教学改革是一项长期而系统的工程，需要不断的探索与实践，不断改善教学方法，提高教学能力，这还需要我们不断地付出艰苦的劳动。

［1］候玉宝，陈忠平.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真人［M］.北京：电子工业出版社，2008：11-27.

［2］伍冯浩，谢 斌.基于Proteus与Keil的单片机实验教学改革［J］.实验室研究与探索.2009，28(7)：125-127.

［3］林志琦.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006：50-85.

［4］高 博，周 婷.“单片机原理及应用”课程实验教学改革［J］.中国电力教育.2010(1)：153-154.