单片机实践教学体系构建与实施

金国华， 毕 胜， 王 璐， 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)

0 引言

“微机原理与应用”、“单片机原理与应用”这两门课程是以单片机技术应用为核心的课程，具有很强的理论性、实践性，是电子类相关专业的主干技术基础课，是后续的“嵌入式系统”、“FPGA”、“DSP”等课程的先修课程，在电子类学生的专业培养中具有举足轻重的作用[1～2]。学生对这两门课程内容的掌握程度，尤其是在学习过程中培养的技术应用、实践创新能力，将直接关系到其将来的就业竞争力。如何提高学生的单片机技术应用、实践创新能力，是任课教师应认真思考、研究和探索的问题，也是国内外各高校不断开展教学改革的动力[3]。

1 课程教学现状

“微机原理与应用”列为我校通信工程、电子信息工程等专业必修的学科基础课程，80学时，其中实验24学时，而“单片机原理与应用”列为学科基础选修课程，36学时，其中实验6学时，另外还单独开设了单片机应用课程设计30学时。足见我校在人才培养计划中非常注重应用能力的培养。

在课程的教学过程中，我们发现学生在动手实践、技术应用方面尚存在一些问题，普遍表现为眼高手低、技术跟踪和创新能力差[4]。究其原因有：

(1)课内实验多为验证性内容，缺乏综合性和设计性内容，不利于培养学生的综合应用能力；课内实验教学模式单一，仅限于以实验箱为平台连线验证原理，硬件实践动手机会少，学生被动学习，兴趣不高，这些实验很难培养学生的实践动手能力。

(2)实验采用的现代先进技术资源少、缺乏系统层面上有参考价值的教学应用，导致学生的实际应用能力跟不上技术发展，不利于培养和提高学生的实践、创新能力。

(3)目前网络上动手实践与高新技术接轨的信息资料太少，学生的开发应用能力的提高缺乏有效指导[5～7]。

2 实践教学体系构建与实施

学生具备单片机应用能力和实践创新能力，是循序渐进、不断积累和长期训练的结果。为此，我们以培养学生的技术应用、实践创新能力为目标，基于CDIO理念，构建了以课内实验、课程设计、课外实践(大学生创新、科技竞赛、科研项目)、毕业设计为核心的实践教学体系。该体系是一个循序渐进、不断提高、分层培养、注重技能的阶梯式教学体系。该实践教学体系具体的构建和实施介绍如下：

2.1 实验环节

实验是实践教学体系的基础环节。在实验环节中，设置课内实验和开放实验。

1)课内实验

“微机原理与应用”实验课开设了AD和DA转换、中断、定时器、接口控制、串行通信等实验，“单片机原理与应用”实验课开设了IO口控制、键盘扫描、数码管显示等实验。

课内实验帮助学生理解和掌握基础知识、基本原理、基本的程序编写和调试技能，但由于各个实验相对独立，没有知识系统化的环节，所以学生很难把握系统的整体设计。

2)开放实验

在夯实课内实验的基础上设置了开放实验，主要包括简单的综合性和设计性实验，实验内容贴近生活，如交通灯、温度计、抢答器、密码锁、音乐播放器等。学生根据实验给定的功能要求，综合运用课内实验所学的多个知识点，自主设计硬件电路原理图、在keil软件环境下编写程序、在proteus仿真软件中进行软硬件结合的仿真调试，仿真通过后到实验室搭建电路、调试、完成系统功能。开放实验不仅调动了学生的积极性，提高了学生综合运用知识解决实际问题的能力，而且使学生掌握了proteus和keil软件的使用、单片机应用系统整体设计的基本思路和方法。实验环节为后续的课程设计、大学生创新、科技竞赛等打下良好的基础。

2.2 课程设计环节

课程设计是单片机实践教学过程中进一步培养学生单片机应用能力的重要环节。在课程设计的实施过程中，采取以学生为主体、教师为辅导的形式，基于CDIO理念，让学生全程参与单片机应用系统的整个开发过程，即查阅资料、设计方案、仿真调试系统、硬件设计、系统实物制作和调试、撰写课程设计报告和参与答辩[8]。

为了培养学生设计的能力，实验室提供三款开发板：自制的51开发板、MSP430开发板-LaunchPad 、STM32开发板，如图1所示。面向学生开放开发板的学习资料，包括硬件电路原理图、PCB版图、应用实例等。经过选题、安装软件、熟悉开发板使用到设计电路，学生能够真正理解单片机内部结构及原理，并在原有电路的基础上修改、设计自己的应用系统电路。学生在课程设计中完成的部分成品如图2所示。

这样的教学方法可以满足不同层次学生的要求，每个学生的实践动手能力、软硬件设计能力都得到了一定的训练和提高。

2.3 课外实践环节

经过课课内实验训练、课程设计实践训练，学生具有一定的理论知识基础和实践动手能力，知识结构趋于全面，设计能力逐步提高，但是缺乏面对工程实际的工作经验，因此鼓励那些对单片机有浓厚兴趣且学有余力的学生多参加课外实践活动，提高理论水平、实践能力、设计能力，增强创新意识，进一步培养单片机技术应用能力[9]。

1)大学生创新

a) 51单片机开发板 b) MSP430开发板-LaunchPad c) STM32单片机开发板 图1 实验室提供的三种单片机小系统板

a) 数字温度计 b) 超声波测距仪 c) 计算器 d) 公交车报站器 e)语音存储回放系统图2 部分课程设计成品图展示

大学生创新竞赛是我省深化高校创新教育改革的重要载体。竞赛项目要求：突出“培养创新精神，提升实践应用能力”的主题；内涵丰富，技术含量高，创新性、实践性强，应用特色突出等。我校每年都会拨出经费来支持大学生创新项目实践。从课题申报到结题有一年多的时间来供学生完成作品设计和制作调试。项目的开发强化了学生的实践创新、技术应用能力，积累了工程实践经验，提高了学生的综合素质。

图3的双轮直立自平衡小车的作品来自学生的大学生创新项目。该系统是以高性能的MK60单片机为控制核心，将姿态传感器采集到的姿态信息与速度信息经过算法处理，输出合适的PWM信号去控制电机，从而实现车体直立运动，并将车体的角度信息在OLED屏上实时显示。

a) 实物原图 b) 系统结构图图3 双轮直立自平衡小车

2)科技竞赛

电子设计大赛、飞思卡尔智能车大赛等各类国家级、省级科技竞赛每年都会如期举办。参加此类大赛可以让学生在机械设计、软硬件设计、编写代码、实践动手、团队协作、撰写文档等多方面的能力得到锻炼，最大限度地激发了学生的学习积极性，进一步强化了单片机技术的应用和机电一体化思想，同时加强了和兄弟院校学生的交流，拓展了学生的视野。

2015年，我校有三名学生参加国家级电子设计大赛荣获国家一等奖，他们的选题是风力摆控制系统(B题)。系统硬件部分主要由K60主控模块、姿态采集模块、供电模块、电机驱动模块、风力摆机械部分、液晶显示模块等组成。机械部分为万向节悬挂65cm硬质杆，底端连接4个风机，风机组的中心固定L3G4200D姿态采集模块。K60使用IIC协议采集到L3G4200D的姿态数据，单片机根据设定值利用PID控制理论，通过控制PWM占空比来控制4个风机的转速和方向，实现对风力摆的控制。软件部分实现了液晶显示屏显示菜单，并通过按键选择不同模式。图4为该题目发挥部分要求的测试图片，激光笔在地面上画圆，并在风扇停止吹动后5 s内回归画圆轨迹。

3)科研项目

参加教师的科研项目也是课外实践环节的一个部分，项目内容大致分为两种，一种是前沿技术，一种是实际应用。对于能力突出、具有创新潜质的学生，提倡尽早参与教师的科研项目中去，学生在项目开发过程中，既能得到教师的引领和指导，又能接触到高新技术，还能训练学生的独立开发能力、应用能力、软硬件设计能力、实践创新能力，为将来从事技术开发工作奠定良好的基础。

图4 风力摆测试图片

图5为学生参与完成的可穿戴式心电信号采集系统设计项目。该系统能够对心电信号进行长时间的持续监测，可嵌入服饰中，具有体积小、功耗低、使用方便等特点。该系统包括一个心电数据采集模块，它以5导联形式负责采集心电信号，采集到的数据存于SD卡，低功耗MSP430单片机负责数据的传输与处理，它通过USB接口与电脑通信。整个系统使用锂电池供电，可以通过USB接口为电路充电。

图5 可穿戴式心电信号采集系统

2.4 毕业设计环节

毕业设计是检验学生掌握基本理论、综合运用所学知识、理论和实践相结合的一个重要环节。经过三年的系统培养，学生掌握了通信、电子信息技术领域的基础知识和专门知识，具备电子系统和通信系统的分析与设计能力、硬件和软件设计与开发能力，具备了运用现代信息技术获取知识的能力，具备了较强的实践能力。每年各位指导教师提出的毕业设计题目有很多跟单片机相关，学生在毕业设计环节，可以根据兴趣选择一个题目，从查阅文献、确定方案、系统设计、软硬件设计开发、系统调试到完成作品，在毕业设计过程中不仅检验了所学、强化了动手实践、提升了技术应用能力、增加了自信，更为后续学习或工作积累了宝贵的经验。

图6为学生的一项毕业设计实例，它是基于ARM与ZigBee的无线温度传感网络的设计成品图。该系统利用ZigBee开发板和ARM开发板搭建了一个无线测温系统，对周围环境温度进行感测并实时显示在开发板界面上。首先，通过ZigBee开发板上的温度传感器将采集到的温度数据传送到核心芯片中，芯片收到数据后将其打包成标准ZigBee帧，通过无线链路发送至空中；协调器的核心芯片收到ZigBee帧之后对其解包，取出温度数据，再发送至自身串口的缓冲区，通过串口将温度数据发送出去；ARM开发板收到完整的数据后，将数据在屏幕上实时显示出来，并绘制相应的实时温度曲线。

图6 基于ARM与ZigBee的无线温度传感网络

3 结语

本科生单片机应用能力的培养是一个系统工程，我们不仅要保证课内实验、课程设计的教学质量，更要为学生在课外多提供动手实践的机会和平台，充分调动学生的学习热情[10]。基于CDIO理念，我们通过教学改革构建了较为系统、循序渐进的集课内实验、课程设计、毕业设计以及课外实践环节一体化的实践教学体系。该体系自实施三年来，相关专业学生参加2015年和2017年全国电子设计大赛取得国家级一等奖3项、二等奖4项，参加2016年辽宁省电子设计大赛取得省级一等奖3项、二等奖6项，参加近三界全国大学生飞思卡尔智能车比赛取得了国家级一等奖3项、二等奖6项，获奖水平比三年前有明显提升。实践结果表明，四个环节能力培养循序渐进、不间断，不仅有效提高了学生的单片机技术应用能力，而且培养了学生的实践创新能力，提升了学生的综合素质和市场竞争力，取到了较好的教学效果。