创新设计实践促进“单片机”课程教学

金　红， 蒋存波

(桂林理工大学 信息科学与工程学院， 广西 桂林 541004)

0　引言

单片机(嵌入式处理器)具有功耗低、体积小、较高的信息处理能力的特点，因此在现代电子信息系统中得到广泛应用。正是由于单片机在电子信息系统中的重要作用，“单片机”课程成为大学本科电子信息工程、物联网工程、自动化等相关专业的一门重要专业基础课[1-3]。“单片机”课程包含硬件和软件两方面内容，除了课堂讲授理论外，还要求通过实验和设计制作实践培养创新学生的应用能力。

1　当前“单片机”教学的现状

“单片机”课程通常是通过课堂教学讲授单片机系统的基本结构、指令系统以及接口等，更注重汇编语言或C语言程序设计。目前，普遍弱化单片机硬件原理和PCB结构等内容，实验课主要是利用实验箱进行一些基础性、验证性的实验，习惯于用杜邦线在实验箱中进行信号连接[4,5]。

这种教学方法能够让学生初步掌握单片机软件设计的基本方法，但从后续的课程设计和毕业设计过程以及学生毕业后回访等反映，这种教学方法还存在一些问题，主要体现在：①学生未掌握对单片机应用系统整体设计方法，尤其在硬件的总体结构、电路设计、PCB设计、各PCB板之间的相互连接等方面的知识传授存在较大缺失；②学生未建立电子信息处理系统性能指标及理论计算相关概念，未掌握基本的性能指标计算方法以及影响技术性能的关键元器件参数；③学生在软件设计中缺少整体思路，大多数未进行算法和程序流程设计，也不考虑数据结构，习惯于从网络下载一个类似程序进行简单修改，程序调试与排错能力亟待提高；④对样机进行实验测试能力及实验数据分析能力有待提高。

为改善“单片机”教学效果，提高学生单片机系统应用能力，我们对“单片机”教学进行如下改革。

2　创新设计实践与单片机教学融合

为培养学生的单片机应用能力，在“单片机”课程后，我们专设了一门为期4周的“电子系统创新设计实践”课程，该课程需要学生利用单片机完成一个信息采集与处理系统的设计与实现。我们为此设置10～20个设计题目，以任务驱动方式给出具体设计指标要求和设计思路。学生可以依据个人兴趣，两人一组选择其中的一个设计题目，通过这一课程，除培养设计制作能力外，还可培养学生的协作与沟通能力。

这门实践课程的主体分为如下两部分：

(1)案例引导：选择一个设计题目。在硬件设计方面，设计题目名下的实习指导书详细描述设计思路、装置的结构与电路功能模块的划分、各模块电路原理、各模块之间的工程连接方法，关键电路参数计算、PCB设计等。在软件设计方面，实习指导书给出程序设计思路与方案、算法设计与程序流程图、软件设计过程、程序调试过程等。学生通过阅读实习指导书并模仿进行电路原理、PCB设计，掌握硬件设计的基本方法，掌握电子信息系统各功能电路模块之间的不同连接方法；软件设计则是面向过程的结构化程序设计，通过软件构架和流程掌握程序设计基本方法和结构。

(2)设计指导：采用导师制，每个导师指导3～4个设计题目，指导教师需要先熟悉相关设计题目包括国内外技术现状与趋势、基本原理、不同设计方案及相应特点、技术难点在内的相关内容以及实习报告撰写要求，在设计过程中指导学生完成硬件软件的设计与调试和设计报告的撰写。这样不仅可以方便对学生的指导，同时经过3～5轮次实习，指导教师的相关能力也能得到较大提升。

3　具体实施过程

3.1　预设的设计题目

从2013年开始在我校电子信息工程专业进行试点，在“单片机原理与应用”、“传感器原理与应用”课程后，增加一门“电子系统设计创新设计实践”课程，时间为4周，预设的设计题目如表1所示。实习指导书中给出了每个设计题目的详细功能和技术指标要求。每年实习学生人数115～135人，指导教师5-6人。

表1　预设的设计题目

3.2　案例引导

在单片机信号检测与处理装置中，模拟信号的检测一般是将被测信号转换成模拟电压UT，对这个电压信号放大到适当的值UAD=K×UT后，送到AD转换电路将其转换成数字信号NAD，单片机读取数字信号NAD并进行数字处理。电压测量是此模拟信号测量的基础并具有典型性，因此以电压测量装置设计为一个题目。在此设计题目的实习指导书中给出电压测量装置的详细描述。

1)总体方案

实习指导书中详细描述了电压测量的原理和总体方案，给出总体方案原理框图，对框图的工作过程进行描述，说明哪些功能是由硬件实现的，哪些是由软件实现的。

2)硬件设计

以任务驱动方式给出硬件设计思路说明以及硬件结构示意图、电路原理图、PCB设计图。特别强调注重电路不同功能单元PCB之间的连接方法，以引导学生抛开杜邦线，逐步了解电子信息系统中的电路模块的工程连接方法。电压测量装置为了反映PCB之间的连接关系，采用两块PCB结构，一块为信号调理电路，另一块为单片机电路，如图1所示。图1中4为单片机PCB，7为信号调理电路PCB，1为单片机与信号调理电路的板对板连接器，6为LCD模块，5为LCD模块与单片机的板对板连接器，3为各支撑各模块PCB之间的塑料螺柱，2为固定螺丝，8为测量表笔(表夹)。通过该图和样机实物，可使学生掌握一种电路板之间的连接方法和电子装置结构设计方法。

图1　电压测量装置结构示意图

3)软件设计

实验指导书详细说明电压测量算法，给出软件设计方法说明和程序流程图、数据存储格式，以及软件工程建立、软件模块结构划分、源代码编辑、程序调试的详细步骤。

3.3　设计指导

实验指导书还详细说明设计的电压测量装置需要测试的内容、测试原理与方法、测试数据的记录以及给出测试数据的处理方法等，以此检验所设计装置在功能、性能指标上是否达到设计要求。在完成该设计题目过程中，要引导学生从模仿开始，逐步过渡到在导师指导下自主独立完成所选的设计任务。

4　结语

“单片机”是一门应用性和实践性很强的专业课程，在课堂理论教学与实验教学的基础上，我们尝试增加一门设计制作单片机应用装置的实践课，让学生完成一个单片机应用系统硬件和软件的设计并完成样机的制作与调试。

2013～2015年三年在电子信息工程专业的试点表明，这门新设的实践课程对学生单片机技术的掌握和应用能力的提高具有较明显的效果，试点班级学生初步掌握单片机应用装置设计和制作的人数从以往的极少数提高到近1/4。通过三年的指导，相关教师的单片机应用能力也得到显著提高。从2016年开始，试点已扩大到物联网工程专业，期待进一步改进完善后推广到其他相关专业。

参考文献:

[1]金红,蒋存波.单片机课程教学的探索与实践[J]. 南京:电气电子教学学报, 2013,04:44～46.

[2]王亚林,余力,蔡文培等.设计导向型“微机原理及接口技术课程”的教学模式探索[J]. 赤峰:赤峰学院学报(自然科学版),2015,1:P215～216.

[3]高红慧,韦利春,高红彬.浅谈本科教育阶段的单片机课程教学[J]. 绵阳:高教研究,2011,9：86.

[4]王许,谢玲.浅谈单片机教学方法与教学模式改革的探讨[J] 石家庄:教育教学论坛,2016，1:74～75.

[5]樊爱龙,关大陆.应用型本科高校电类微机/单片机系列课程教学浅析[J]. 本溪:辽宁科技学院学报,2016,18(1):60～62.