优化单片机原理及应用课程设计教学，提升学生综合能力

沙爱军 郭丽红

摘要：单片机原理及应用课程设计是一门重要的实践课程，牵涉到学生多个能力的培养。在相关理论学时缩减的情况下，依然需要提升学生的理论联系实践能力，独立查阅资料、分析问题、解决问题的能力以及语言表达和撰写文档等能力。为此，需要衔接好相关的理论课程、优选课程设计题目，做出精心的组织安排，并对考核、文档撰写等提出要求。结合我院通信工程专业的实际情况，对如何优化单片机原理及应用课程设计，以及在设计过程中培养学生上述各种能力进行了探索。

关键词：单片机原理及应用课程设计;能力培养;教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0117-02

新时代，对工程技术人员的工程素养提出了较高的要求，单片机原理及应用课程设计是我院继《单片机原理及应用B》课程之后开设的一门实践性课程，学生综合运用课程所学知识，通过对一个小型项目进行单片机软件、硬件系统设计与调试，加深对单片机结构、工作原理的理解，掌握单片机小型项目的设计方法，从而增强学生的工程实践能力、综合应用知识的能力、分析解决问题的能力。在此过程中，还可培养学生查阅科技资料和撰写科技报告的能力，训练学生养成认真严谨的工作作风，为未来设计大中型系统，以及成为一个合格的工程复合人才打下良好的基础。

1单片机原理及应用课程设计教学面临的问题

本院通信专业单片机原理及应用课程的体系由相关支撑课程以及48学时的理论教学和课内实验、1周课程设计以及大四时一个月的综合性的软硬结合的专业实训组成。

在实际教学中，由于通信技术日新月异，为了纳入一些新技术，对一些课程课时进行了调整，单片机原理及应用课程由原先的64学时压缩为48学时（含8课时学时实验），主要讲解51单片机的基本原理，汇编语言编程，C语言编程，5l单片机的片内资源，以及51单片机的片外接口中的存储器扩展、串并口扩展、键盘接口、数码管接口，其目的主要是用有限的课时，让学生掌握单片机系统开发的基本原理，以及基本的学习方法。而其他的如液晶显示接口、模数转换接口、数模转换接口、单总线接口、12C接口、SPI接口等内容则留给学生自学或者在需要的时候自己去查阅相关资料。单片机原理及应用课程内容见图1。

单片机原理及应用课程设计要达到增强学生的能力，为学生独立设计大中型单片机系统打下良好的基础，很显然如果仅仅按照课堂上所讲的内容来做课程设计，则所做题材的可选余地相对较少，也不利于拓展学生的综合能力，为此，我们需要选择合适的课程设计硬件平台，同时优化课程设计内容及组织安排。

2优化单片机原理及应用课程设计内容及组织安排，提升学生多方面能力

2.1选择合适的单片机原理及应用课程设计平台

本课程设计平台采用nKDE-51单片机实验教学系统，该系统采用模块化设计，以方便学生自由组合，设计实验，可进行数十种实验。整个实验系统包括六个功能模块，包含的主要资源有：单片机、1602字符点阵LCD显示模块、数码管显示模块、键盘、红外接收模块、继电器、蜂鸣器、实时钟（RTC）芯片PCF8563、E2PROM存储器芯片24C16、温度传感器芯片DSl8820、串行A/D变换芯片TLCl549、串行D/A变换芯片TLC5619、RS-232串行通信、以太网接口以及其它扩展的输入输出接口等。该系统能为课程设计提供较好的平台。

2.2精心选择课程设计内容，将重要内容涵盖其中

为了让学生能综合运用各种知识，同时，也让学生设計的系统丰富多彩，和实际联系的更紧密一些，培养学生带着解决实际问题去探索、查阅、解决新的问题的能力，我们适当将一些本来由学生自学的内容引入进来，以达到这方面的目的。

我们精心选择了一些题目，这些题目的基本内容在课堂上已经讲过，但也会有一部分片外接口和芯片的内容是课堂上未讲，要求学生自学。由于课程设计只有一周时间，既要注意拓展学生能力，同时，又要避免太难打击学生积极性，需要控制题目难度：一方面，在每个题目中只增加一、两个相关的未学的芯片，另一方面，将题目分为基本功能和扩展功能，学生可以在实现基本功能的基础上扩展功能，学生还可主动思考添加更多的模块并实现更多的扩展功能，提升能力和成绩等级，这样既兼顾了基本面，也有利于能力高同学的突破。

提供的部分题目列举如下：

1）电子时钟的设计。基本功能：有自动计时功能，能显示计时时间（数码管显示或1602液晶模块，有启动键、停止键和清零键，整点报时，闹钟功能，当时间到时蜂鸣器提醒。扩展功能：通过按键/串口设定时间，利用模拟12C时序控制PCF8563时钟芯片等来实现。

2）带存储播放功能的简易电子琴设计

基本功能：利用单片机内部定时器、行列式键盘和数码管，来控制并显示和产生不同频率的声音。扩展功能：实现存储和再播放的内容等。

3）数字电压表设计

基本功能：通过单片机编程，完成通过IO端口模拟总线时序控制串行了LCl549进行A/D变换的程序，同时显示实测电压值（十进制电压值）（在四位LED数码管上或在1602上液晶模块上显示）。扩展功能：通过软件设定阈值/通过按键设定阈值/通过串口设定报警阈值，超过规定电压值，则报警（蜂鸣器、LED灯闪烁）。

4）DSl8820数字温度计设计

基本功能：通过IO端口模拟单总线时序控制DSl8820，实现对温度的测量，并显示实测电压值（十进制电压值）（在四位LED数码管上或在1602上液晶模块显示）。扩展功能：通过软件设定阈值/通过按键设定阈值/通过串口设定报警阈值，超过规定温度值，则报警（蜂鸣器、LED灯闪烁）。

其他的题目还包括：低频信号源设计，编写单片机通过10端口模拟总线时序控制了LC5615进行D/A变换，产生方波、三角波、锯齿波、梯形波和正弦波的程序;IC卡读写器设计，编写单片机通过IO端口模拟12C时序控制24C16读写的程序，通过键盘/串口对24C16E2PROM进行模拟充值，通过LED/LCD实时显示卡内的实际金额等。

2.3优化组织，注重细节，在课程设计中提升工程素养

1）编写好指导书，起到指导示范作用

配合所使用的课程设计硬件平台，指导书中一方面要对涉及的相关芯片的原理、外围引脚等做合适的介绍，同时，也可以提供相关的连线参考、操作步骤以及基本的例程供学生学习、模仿。但也不能面面俱到，要留下余地供学生自我探索、查阅资料。

2）提前做好选题工作，提升学生自我认知能力

在课程设计前的一周甚至更久，将题目和选题要求等发放给学生，进行选题，一人一题，要求学生预先了解相关课题的要求和所用到的知识点以及相关芯片。题目本身难度不同，学生自身能力也有差距，学生可以根据自己的能力和兴趣，选择不同的题目。同时，也要避免班级选择同一个题目的人数过多，影响教学效果。学生也可以自己选择相关的题目，难度应不低于上述课题，并得到指导教师批准。

3）科学安排好课程设计周的任务，因材施教，鼓励学生动手，提升学生实际能力。

课程设计的一周里，是学生能力提升的重要阶段。在这一周里，首先要科学安排好时间。

教师用0.5天首先讲解相关的原理以及要求，然后学生用1天完成课题初步设计，确定总体结构和硬、软件框图，搭建硬件电路泡括对新接触模块加强学习和实验），优化设计方案系统，再用1.5天完成基本功能的编程和调试，用1.5天完成系统扩展功能的编程和调试以及0.5天进行答辩验收。

在每个时间节点中，指导教师每天保证足够的时间来指导学生，回答学生提出的问题。要鼓励学生将理论和实践结合起来。对于能力强的同学，要启发其思考，要求其进一步加以钻研，加以创新、改进、优化、提升系统功能，例如，如何用串口助手来控制单片机上的多个设备，以及如何将单片机上的多个数据发给单片机，再如，若实现多点温度测量该如何修改设计方案等等。对于能力一般的同学，则要求其不能满足于模仿接线和改写指导书上的例程，要求其掌握基本的原理，脚踏实地地弄懂硬件连线的原理，进行程序的编写以及弄懂软硬件协同工作的过程，避免其滥竽充数，使得每个学生工程能力在其自己的基础上都有所提升。在答辩验收阶段，则让学生利用有限的几分钟时间，由学生自我介绍和提问相结合，锻炼其口头表达能力。此外还要加强每个阶段的考核。考核成绩由考勤占10%，设计与调试占30%，答辩占30%，设计报告占30%等组成，成绩按分优秀、良好、中等、及格和不及格五档。

3认真撰写报告，提高学生文档撰写以及表达能力

在完成课程设计的软硬件系统后，还应该撰写课程设计报告，报告撰写能力是一个本科大学生所必备的基本的能力，可以完整描述课程设计的整个过程，也是课程设计的总结和升华，但一些理工科学生报告书写却不够如人意。一方面是部分同学重视不够，态度不端正造成的，部分同学认为课程设计的主体任务已经完成，相关内容已经掌握，不愿浪费较多时间来撰写报告，导致报告内容粗制滥造，格式混乱，错别字较多，语句不通顺，甚至将别的地方类似的内容直接复制到自己的报告中，还有些同学则是语言表达能力欠缺：比如详略不当，重点不突出。为了让学生的报告撰写能力在课程设计阶段得到训练，我们规定了设计报告内容应包括的内容：课题名称及要求;系统总体设计方案（画出系统框图、方案的论证与比较等内容）;系统分析与设计（画出系统的硬件电路接线图、软件流程图）;编程与调试（源程序及解释、调试步骤、遇到的问题及解决方法）;功能展示;设計总结等。其中，要求对原理、方案和所实现的过程、特色创新部分要加以重点书写。同时还制定了一个word模板，从摘要、目录、页码、标题、正文的字体和段落、图表、参考文献、附录等角度给出了一个较为规范的参考，让学生能模仿、训练、提高，为未来毕业论文的撰写以及走上工作岗位撰写相关文档打下良好的基础，同时，培养其严谨认真的工作作风。

4结论

单片机原理及应用课程设计是一门重要的实践课，通过一个星期的实践训练，达到了如下目的：（1）将理论和实践、软硬件设计和调试结合起来，使学生学会了如何去设计一个小型的单片机系统，提高了理论联系实际、分析问题，解决问题的能力，也为未来的更复杂的系统设计打下了较好的基础;（2）进行了研究性和自主性的学习，设计中课题可能涉及部分未学的知识，需要学生有选择性地学会搜集相关的材料，吃透其中的关键，并运用到自己的课题中，极大地提升了学生们的自主学习能力，提高了他们的积极性和成就感;（3）锻炼了学生表达能力和撰写报告的能力。验收阶段的答辩和撰写相应的总结报告，分别从口头表达和文字表达角度锻炼了学生的表达能力，从而提升了学生的整体工程素养。