机械专业单片机课程案例教学研究

王正初++范剑++李军

摘 要 指出单片机技术对机械工程的重要意义，分析机械类专业单片机课程所存在的问题，提出机械专业单片机的案例教学方法，详细介绍课程的准备、组织实施和考核等方面内容。实践表明，该种方法在机械专业的教学过程中是可行、有效的。

关键词 单片机；案例教学；机械专业

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）02-0081-03

Research in Case Teaching of MUC Course for Mechanical Major//

WANG Zhengchu， FAN Jian， LI Jun

Abstract The paper points out the importantsignificanceof MCU technologyin Mechanical Engineering and analyses the problem of MCU course for mechanical major. Case teaching method is put forward. Describe in detail the course of preparation， organization， implementation and evaluation and so on. The practice shows that the method is feasible and effective in the teaching process of mechanical major.

Key words MCU； case teaching； mechanical major

现在的机械产品基本上是机械结构与电路有机结合的机电一体化产品，单一的机械结构设备很少了。整个社会要求做机械的也要懂电，懂控制。机械专业学生通过单片机等相关课程学习，可以深入了解电路控制，以及如何实现电对机械的控制。从大的方面来讲，学生在以后从事设计或者相关行业遇到复杂机械结构的设计时，可以考虑采用芯片电路等控制，减少或简化结构复杂度；从小的方面来说，对机电一体化的原理有个大概的认识，为从事相关工作带来便利。总之，努力学点儿单片机知识对机械专业的学生会有很大的帮助。

1 目前机械专业单片机课程存在的问题

机械专业学生在校期间学习的专业知识涉及机械设计制造、电气自动化控制两个学科门类，其专业培养计划中涉及电气自动化控制方向课程的学时数占全部课程总学时的比例不到30%。对于单片机课程来说，由于该课程本身及其先修课程的学时数相对比较紧张，而且该课程教学以单片机自身的知识结构为主线，一般先安排部分理论和硬件基础，后讲程序设计，不少学生反映其内容抽象难懂，听来枯燥乏味，对课程的学习兴趣不大。

很多学校仍然采用理论课与实验课相分离的方法来组织开展教学，一般都是在上理论课的过程中穿插几次实验。实验教学中大多数是采用高度集成的实验箱，实验过程中学生只需要进行简单的连线，然后编写代码即可。这种实验箱在某种程度上对学生来说简直就是个“黑匣子”。在授课过程中也往往理论实践脱节，较少涉及运用理论知识去解决实验问题的实验项目，实验内容彼此孤立，学生难以建立“系统”的概念，也不利于培养学生“从概念到产品”的认知训练，即：学生从有一个概念（想法）开始，然后着手电路原理图的设计、编写程序代码、调试、PCB设计，最后形成产品的整个开发过程的训练。单片机课程虽然也可以采用Proteus等软件对单片机进行仿真，但是软件仿真不能直观上反应部分硬件的变化规律、运动特点等。

另外，学生在学完单片机课程后离工程实际还有较大差距，如很多学生在课程学习完之后不知道机械领域常见的步进电机、伺服电机、直流电机的驱动和控制，不知道电磁阀、手摇脉冲发生器、旋转编码器、光电开关、光栅尺等使用方法，由以上部件构成的稍微复杂点儿的控制系统，学生更加不知道如何去设计。学生在实验过程中仅仅是一般操作LED灯亮灭、电机转动、蜂鸣器鸣叫等，很少有一些真正“活动”的机构、装置来让学生控制操作。

所有这些都影响到学生对单片机学习的积极性，更无法激发学生实验积极性，不利于学生的实验兴趣及创新思维能力的培养，致使学生学得吃力，教师教得辛苦，教学效果没有显示出来。

2 单片机案例教学法实践

课程准备 考虑到现在的学生基本上都有笔记本电脑，课程组购置了本课程教学所需的多功能单片机学习开发板套件（如图1所示）。该学习板功能强大，价格便宜，非常易于学生携带；学习板上所有元件都是选用分立元件，学生能够看清所有元件的全貌；配合电路图，学生能对整个板的电路硬件一目了然；根据实际需要也可对部分电路进行重新设计。开发板相关配套资料非常齐全，特别有长20多个小时的视频教程，对于自学能力较强的学生来说，可以全面自学单片机。学生只需将笔记本电脑与该开发板做简单连接即可开始相关实验操作。将这些单片机学习板直接分发给学生，学生不但可以在教学的课堂期间学习使用，还可以在课外利用课余时间自行学习和调试，有利于他们将单片机的学习和实践从课堂向课外延伸，便于进行自主的学习和实践。

课程组织实施 考虑到学生学习时需要氛围，学生之间的讨论式互助指导效果往往比教师的指导要更有效和直接，因此在案例教学中按照能力和兴趣搭配，将2～3位学生编为一组，能够形成互助的学习机制。每次上课时，要求每组学生至少带一台笔记本电脑和学习板到教室。另外，由于单片机课程有较强的模块化特点，课程组重构并设计了课程教学内容，以专题形式呈现出来，各个专题内容见图2。

每次专题课前将教学课件将上传到课程网站（如图3所示），课件中每个教学案例都有控制要求及其难度标注、控制要求分析、硬件电路设计、程序设计流程图及程序源代码（如图4所示），其他相关的教学辅助资料也上传到课程网站上。要求学生在上课前打印教学课件，并把相关的案例在学习开发板上运行并观察控制系统的效果作为课堂学习的预习。要求各组以小组形式将课外实训的电子稿作业及时递交到课程网站，同时上传调试的视频短片。指导教师及时对学生作业写出评语并给定成绩，及时上传前次课程的课堂实训和课外实训的参考答案。课程网站的留言栏可以发布课程的相关信息，也为师生提供了一个相互交流的平台。endprint

在每个专题的授课过程中，先讲解本专题相关的部分理论知识，对理论部分做相应的铺垫，再设计一系列难度逐级提高的实训教学案例，即：先设计一到两个验证性实验引导学生在学习开发板上进行实验；接着指导学生完成一到两个提高性的实践，把理论知识和实践应用做进一步的对接，让学生能从控制系统整体的角度，有重点地加深对其中某一功能模块的理解和掌握；最后联合之前已经学过的其他专题，指导学生完成综合性的实践课题训练。这样一方面巩固之前所学，另一方面加强本专题知识的应用。

一般在每次课的最后一节，主讲教师根据专题学习的内容设计和派发课堂实训课题，要求学生以组为单位在课堂现场进行设计，要求他们在下课前必须完成；主讲教师逐一对各组的设计成果进行验收并记录为平时成绩。

以八段数码管专题为例，学生应该掌握的内容包括：1）共阴极和共阳极数码管显示原理；2）使用三极管的数码管驱动电路设计；3）查表显示字型码的程序设计方法；4）动态显示数码管的程序设计原理及方法；5）掌握数据分拆的程序设计方法；6）复习按键的使用并将其结合设计控制系统。其中第1～2部分内容以教师讲解理论为主，所花时间不超过15分钟，在接下来的两节课不到时间里都是在讲案例的过程，再穿插部分相关理论。

如该专题所涉及的案例主要内容包括：1）输出显示一个独立的数字；2）动态显示两个给定的数字；3）静态显示任意一个三位数；4）动态显示任意一个三位数；5）按键次数计数显示控制系统设计。每个案例讲完之后都要留出五分钟左右时间让学生整理、及时消化和及时答疑。对于学生来说，由于是分组进行的，在讲解过程中，各组学生内部分工明确：有的记笔记，有的跟着教师的进程编辑和调试程序，每个环节之间5分钟左右时间。这个举措非常重要和必要，因为在这个时间里，各组的小伙伴会积极地思考和讨论分析，能够把大部分的学生吸引进来参与学习，而且实践证明是非常有益的。一般在每次课的最后一节，约40分钟，主讲教师根据专题学习的内容设计和派发课堂实训课题，要求学生以组为单位在课堂现场进行设计，要求他们在下课前必须完成；主讲教师逐一对各组的设计成果进行验收并记录成绩。

课程考核 课程的考核方法注重学生的实际动手能力的培养，注重过程考核。本课程的综合成绩评定方法为：课堂实训作业占40%，课后实训作业占30%，期末考试占20%，平时表现占10%。每次课都有课堂实训，每组学生必须在规定的时间内完成，指导教师现场逐一检查并给定成绩。对于课后实训，学生需将实验报告（含控制要求、电路、控制要求分析、流程图、源代码等）和实验现象视频递交到课程网站。对于期末考试，课题组根据平时的课堂案例设计了拥有30多套试题的题库，学生从题库中现场抽取考卷，然后在单片机实验开发装置上设计调试。每卷有5道程序设计题，考试时间为90分钟。要求每位考生至少完成其中的3道，考试环节的成绩方为“合格”。至于平时表现，主要从学生平时出勤情况、课堂回答提问情况等方面进行考查。

3 结论

单片机技术是台州学院机械专业学生的一门重要课程。学生相关基础知识比较薄弱，该门课的课时少，但又需要学习很多软硬件知识，如要懂得机电一体化中常见的传感器、电机等接口电路和驱动控制方法，所有这些都使得学生在学习过程中感觉难度较大。如何提高学生的学习积极性和学习效果是教师要解决的一个重要问题。单片机的案例教学法自实施以来，已经初步取得成效。学生课堂积极性明显提高，选单片机类的课程设计、毕业设计的比例也明显提高。单片机相关的毕业设计的质量也明显提高。近几届毕业的学生也越来越受到很多公司的青睐。

参考文献

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