单片机课程设计中应用能力的分层培养

金国华 滕君华 马宝山 张大力

1.大连海事大学信息科学技术学院 辽宁大连 1160262.大连理工大学航空航天学院 辽宁大连 116024

在过去几年里，随着信息技术的飞速发展，国内和国外对实践应用型人才的需求量越来越大，要求也越来越高，促使大家更关注实践环节，特别是电子类专业单片机这门课程更需要突显实践应用的特点。单片机课程是电子类相关专业一门重要的专业基础课，并且是一门理论性和实践性很强的课程，而课程设计是单片机课程实践教学过程中非常重要的一个环节，从原理理论到具体的硬件、软件设计，不仅可以加深学生对单片机原理的理解，还可以提高学生的动手实践能力和单片机应用能力，培养学生的协同合作能力和创新能力，同时还可以锻炼学生的文档撰写能力和沟通表达能力。[1-3]

1 单片机课程设计现状

目前，我校单片机课程设计在教学实施中存在如下问题：学生能力差距较大；课程设计题目没有难度等级之分，课程设计内容单一，深度不够；教学实施方案陈旧，采用Proteus仿真、单片机实验箱、面包板结合的方式，教学效果不理想，无法调动学生的积极性和创造性，很难培养学生的硬件设计能力和创新能力；课程设计教学缺乏整体性、关联性和系统性。总的来说，传统的单片机课程设计无法加深学生对单片机应用系统的理解和认识，没有充分考虑学生的个体差异，不利于培养学生的动手实践能力和创新能力。[4-6]为此，我们吸收其他院校的经验，结合自身特点，大胆改革和实践，根据不同学生的能力层次实施分层次教学，因材施教，提高学生的学习兴趣和效果。[7-9]

2 课程设计的实施过程

课程设计具体实施过程如下：

(1)选题。分析任务指标，查阅资料确定实现方案，根据实际情况进行方案选择，确定实现设计的系统框图和电路原理图。

(2)系统仿真设计。用Keil和Proteus软件对项目的主要电路进行软件和硬件仿真，如有问题对程序和硬件电路进行必要的修正，保证设计的正确性。

(3)系统硬件、软件设计和调试。根据确定的方案和仿真效果，选择元器件列出清单，到实验室领用单片机小系统板、面包板和元器件，在面包板上搭出各个模块电路并测试正确，然后把单片机小系统板和各个模块连接到一起进行硬件和软件的系统调试；单片机小系统板是根据实际需要自制的，支持仿真器在线调试，如图1所示。

图1 单片机小系统板

(4)实物制作。在孔板上焊接电路元器件完成系统设计；在Protel DXP中设计完整的原理图，生成PCB图，制板，焊接元器件。

(5)系统调试和运行。

(6)撰写设计报告。

(7)实物展示、答辩验收。

3 单片机应用能力的分层培养

3.1 题目设计分层次

考虑到不同学生能力的差异，在课程设计命题时，题目要有难度等级之分，通过权值不同体现难度等级，权值有1.1，1，0.9，权值越大，难度就越大，典型题目有：权值为1.1的如自动往返电动小汽车、电子万年历、计算器、数字存储示波器；权值为1的如超声波测距、电子钟、电子琴、数字密码锁、数字温度计、动态点阵显示、波形发生器、直流电压表、频率计等；权值为0.9的如音乐播放器、速度测量仪、流水灯等。同时参考电子设计大赛题目的要求，每个题目也分别设有基本要求部分和发挥要求部分，基本要求部分80分，发挥部分20分。例如，自动往返电动小汽车题目的基本要求是可以实现小车的前进、后退、左转、右转、停止、自动往返功能；发挥部分的要求是循迹、避障。

对于个别能力突出的学生，可以考虑学生自拟题目，题目的设计参数要求要征得任课老师的认可，自拟题目数不超过总题目的10%。

3.2 单片机类型选择多种类

对于刚接触单片机的学生来说，实验室提供的单片机类型主要是51系列的单片机，学生在实际应用过程中可以直接把理论课上讲的内容拿过来用，通过课程设计环节巩固和掌握单片机技术的基本原理，培养学生的硬件、软件设计能力，锻炼学生的综合运用所学知识的能力和实践动手能力。有的同学对单片机比较感兴趣，自己购买51单片机开发板，在上单片机课程之前已经掌握了51单片机的开发和应用过程，对于这样有一定单片机基础的学生，实验室还可以提供的单片机类型有AVR系列单片机、PIC系列单片机、MSP430系列单片机、STM32系列单片机等，通过课程设计环节不仅可以开阔视野、学习和掌握新技术，还可以锻炼学生的自学能力、查阅文献能力、综合应用能力、实践创新能力等，为后续嵌入式系统，FPGA，DSP等课程的学习、电子设计大赛奠定坚实的基础。

3.3 成品形式多样化

对于单片机课程设计这样综合考虑学生动手能力、思考能力和设计能力的课程，学生所表现出来的能力差异是显而易见的，尤其在制作课程设计成品环节。对于能力一般的同学，要求学生用仿真器、自制小系统板和面包板系统联调通过，实验现象正确，通过课程设计基本掌握了单片机应用开发过程，成品形式如图2a所示；对于能力中等的同学，要求学生根据自己的硬件设计在孔板上焊接元器件，下载程序，完成电子产品的制作，通过课程设计掌握了单片机应用开发过程，成品形式如图2b所示；对于能力较强的同学，要求学生学习PROTEL绘图软件，根据自己设计的硬件电路绘制PCB板图，制板，焊接元器件，下载程序，调试，完成电子产品的制作，通过课程设计系统掌握了单片机应用开发过程，成品形式如图2c所示。

图2 部分课程设计成品图展示

3.4 考核结果分层次

教师根据每位学生在课程设计过程中的具体表现，依据如表1所示五个考核指标全面评定学生的成绩。

按上述考核评价方法得出的课程设计总评成绩是百分制，而单片机课程设计最终成绩采用五级分制等级成绩——优秀、良好、中等、及格、不及格，我们采用如图3所示转换规则将总评成绩转换为最终成绩。

图3 总评成绩和最终成绩之间的转换规则

4 实践效果

将因材施教、分层培养的思想引入单片机课程设计，取得了较好的实践教学效果，调动学生根据自己能力积极参与课程设计全过程，使得每位同学的自学能力、综合知识运用能力、单片机应用能力、软硬件设计能力、实践动手能力、创新能力都得到了不同程度的锻炼和提升。对于能力一般的同学，通过课程设计学习和掌握基础的单片机应用技术，掌握了电子产品开发的思路和过程，提高了实践动手能力，培养了兴趣；对于能力中等的同学，通过课程设计学习和掌握基础的单片机技术、制作技术、传感器应用，提高了综合应用能力、实践动手能力，培养了创新意识；对于能力较强的同学，通过课程设计学习和掌握主流的单片机技术、制作技术、传感器应用，切实提高了技能，培养了创新潜能，为后续的科技竞赛、科研项目、工作打好坚实的基础。

6 结束语

通过对单片机课程设计的教学改革和实践，笔者认为，分层教学与学生的单片机应用能力、创新能力的培养是相辅相成的，培养学生应用能力、创新能力的前提是直面学生能力层次存在差距的现实，尊重学生自身发展意愿，而分层教学的最终目的是为了提高学生的单片机应用能力、创新能力。实施因材施教、应用能力分层的教学体系，从教师角度看便于实施，从学生角度看，容易学、人性化[10]，每位同学的单片机应用能力、创新能力都得到了最大限度地提高，大大改进了教学效果。

[1]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2]黄光华.以创新能力培养为目标的单片机实验教学改革[J].产业与科技论坛,2011,10(15):177-178.

[3]胡瑞强,张毅刚,李成伟.单片机课程设计教学改革探讨[J].实验科学与技术,2010,8(3):46-48.

[4]葛浩,林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理,2011,28(10):138-140.

[5]宋跃,余炽业,张志坚.单片机精品课程的实践教学改革[J].实验室研究与探索.2009,28(3):83-85.

[6]贡雪梅.项目教学法在单片机原理课程设计中的应用[J].实验技术与管理,2009,26(7):115-116.

[7]李萍.以单片机实验教学改革探大学生实践与创新能力培养模式[J].中国现在教育装备,2012(11):49-50.

[8]张晓群.单片机实验教学改革与创新人才培养[J].西安建筑科技大学学报(社会科学版),2011,30(3):94-96.

[9]王鑫国.本科生单片机应用能力培养模式改革与思考[J].甘肃联合大学学报:自然科学版,2010,24(6):104-106.

[10]卢倩.单片机课程中学生实验创新能力的分层培养[J].教研教改,2009(12):34-35.