应用型单片机工程训练实践教学环节的创新与实践

何尚平，方玲，罗小青，吴静进

(1.南昌大学科学技术学院信息学科部，江西 南昌330029;2.国家开放大学 教育学院，北京100081)

单片机作为典型、具有代表性的嵌入式系统，并随着计算机技术、微电子技术的高速发展，目前各类院校很多专业已经普遍开设了单片机及其相关课程，并作为学习各种微处理器、控制器的基础［1-2］。

单片机作为一门实践性、技术性很强的课程，在学好基础知识、基本技能的同时，最终在于掌握实际应用。目前，大部分院校开设了课程设计、课程实训、工程训练等单片机实践教学环节［3-4］，以南昌大学科学技术学院信息学科部为例，为加强应用型、创新型人才培养，针对实践性、技术性很强的多门重要专业技术课程，分别对应开设了相关工程训练项目，历经数年的创新与改革，逐渐形成了一整套融应用型人才培养贯穿全过程的单片机工程训练实践教学环节，完全模拟产品开发生产过程，已成为提高学生单片机应用开发能力的重要手段［5-6］。经过探索和研究，针对性地就各个环节总结提出了有关具体策略和措施。

1 提出任务要求

要使单片机工程训练起到良好效果，指导教师应先策划确定一个能付诸实践教学要求，符合应用型人才培养所需，工作量适中，与实际产品接近，且具有一定吸引力能使学生感兴趣的项目，并结合单片机工程训练具体项目，明确提出任务与要求和项目作品功能及性能指标参数，在此基础上全面着手开展训练。如基于单片机的液显电子时钟项目应完成下列任务要求:(1)演示作品时使用液晶准确显示当前时钟日历(年月日星期时分秒)，日历时钟具有按钮设定功能，并显示清晰、稳定;(2)电路图设计标准、完全;(3)元器件安装规范，焊接到位，外观优美;(4)其它扩展功能，由学生自由发挥。

2 布置工程训练安排

一个适合的单片机工程训练教学进度安排是单片机过程性有效实施的前提，开展单片机工程训练项目前，应制定出详细的工程训练安排，包括日程安排、实践场所地点安排和指导教师安排，并结合项目具体任务与要求，做好工作内容安排。工程训练安排应明确、清晰、循序渐进，方可保障工程训练的有序顺利进行，以便于加强过程执行、管理和监控［5］。

3 关联学习

一个单片机工程训练项目涵盖使用到方方面面很多知识，不仅是单片机课程内容，结合项目任务要求，还涉及到其它一些课程、学科和专业，彰显交叉融合性。如基于单片机的液显电子时钟项目，除了要学习单片机知识之外，还涉及数字电路、模拟电路、电工电子、电路制板与仿真等课程知识，因此，虽然工程训练安排在单片机理论学习之后，学生掌握一定的单片机理论知识和基础实验技能，但还需根据具体工程训练项目所涉及的相关知识和技术，进行针对性的学习，并且应以学生自主学习、教师其中指导为主，教师讲解为辅，指导教师应提前给学生准备好相关学习资料，并结合学生自主查找所需资料，提高学生自主学习解决工程实际的能力。

4 基本技能训练

为完全模拟产品开发生产过程，实现真题真做，单片机工程训练务必要求实际制作出作品，因此需要制作电路板，涉及到PCB绘制、制板和电路安装、焊接技术等，工程训练期间应安排出一定的时间讲授、演示并使学生通过训练掌握这些基本技能，得到衍生提高，熟悉掌握多项技术［5］。

5 软硬设计

此环节是单片机工程训练项目最重要的环节，综合利用所学知识和技能，理论联系实际，结合单片机工程训练项目任务和要求及性能指标参数，要求学生先自主进行设计与开发，务必先提出设计思路、应用系统框架，然后再在自主设计思路和应用系统框架的指引下，进行硬件、软件分工，并进行硬件电路器件选型，最后设计出基于单片机的整体硬件电路，同时进行软件设计，划分出软件模块，根据软件流程图编写应用程序。期间指导教师要着力进行指导，以学生自主设计为主，并根据学生设计进度情况、效果及遇到的问题及时指引。指导教师还应加强过程执行、指导、管理与监控，布置好检查，制定出考评细则，并杜绝学生抄袭，这样可使学生逐步了解设计与开发过程，掌握设计思路，提高设计能力，这是掌握单片机应用与开发的重中之重。

6 系统仿真

目前，国内外推出了许多基于个人计算机的单片机软硬仿真平台。如单片机应用系统软件仿真开发平台有两个常用的工具软件:Keil和Proteus ISIS［7］，它们简单易用，大部分单片机应用电路都可以通过其进行仿真和调试，如基于单片机的液显电子时钟项目完全可以通过Keil和Proteus ISIS进行仿真和调试。因此，指导教师通过一定的讲授和指导，学生既可借助这些现代计算机软件进行设计与开发，又可进行仿真和调试，边设计边仿真，边调试边完善，直到成功为止，不但减少了开发调试成本，还拓展了学生的开发调试渠道，提高了学生使用现代EDA软件进行设计开发的能力。

7 硬件制作

一个完全的单片机应用系统硬件电路确定之后，学生需要将硬件电路制作出来，制作硬件电路的方法较多:简单的电路可以用面包板搭接，也可以用万能板焊接，繁杂的电路可以用敷铜板热转印腐蚀制板或工业标准制板。目前大部分院校使用敷铜板热转印蚀刻制板法较多，此方法比较接近工业标准制板法，并且此方法还要求学生在工程训练期间需掌握Altium Designer、Power PCB、Proteus ARES等PCB行业中常用的印制电路板绘图软件的使用，借助其绘制好电路板PCB图。

8 整体调试

任何一项产品在设计开发期间都需要进行调试，以达到所要求的功能和性能参数，促使学生掌握产品设计开发调试、使用测试仪器设备、分析问题、解决问题的能力。单片机硬件电路板制作出来之后，应先安排学生利用万用表、示波器、逻辑分析仪等各种实验仪器分模块进行调试，并编写模块测试程序，单个模块调试成功之后，再进行整体联调。发现问题，应先独立分析，而后组织学生共同探讨解决问题，提高学生发现问题、分析问题、解决问题，并利用各种实验仪器设备进行整体调试的能力，从整体调试中探究提高。

9 产品包装、成品定型

如若条件允许，可以安排学生对单片机工程训练项目作品按照产品特征进行外观包装创意设计并进行具体实践，使单片机工程训练项目作品成为一项“准产品”，不但可以加强学生的创意能力，还可极大提高学生的积极主动性和学习兴趣。最终需要制定出细化标准，对作品进行考评和测演，并按照产品的标准进行检验，检验完之后，可以发回给学生，这样不但可使学生体验到一种成就感，还可作为今后就业找工作最有力的“简历”。

10 实施与效果

针对应用型单片机工程训练实践教学环节的创新与改革具体方案策略和措施，我们以南昌大学科学技术学院省级精品资源共享课和省级精品在线开放课“单片机原理与应用”工程训练实验教学为例，进行了具体实践，通过不断总结与完善，取得了较好的实践教学效果:第一，由于单片机工程训练前让学生预知了任务与要求，并提前下发了单片机工程训练相关学习资料和安排了资料查找学习，学生准备得更加精准和充分，对单片机工程训练任务与要求、目标更加明确;第二，开展单片机工程训练初对前期预习的考核，对不积极学生前期预习起到了监督作用，达到了较好的预习效果;第三，循序渐进的有过程有检查的详细的单片机工程训练实践教学安排，可使指导教师和学生很好地把控整个单片机工程训练的节奏与进度，学生清楚每次课应开展的学习内容和完成的任务及作业，更有助于工程训练过程性实施与管理;第四，由于工程训练课前安排了预习，课内可使用翻转课堂教学形式，指导教师仅需讲解主要知识和技术及学生前期学习中遇到的集中问题和疑点，整个单片机工程训练课内学习则以学生自主学习探索、基本技能训练、教师其中指导、互动交流为主，教师讲解演示为辅，较好地提高了学生的自主学习探索能力，加强了交流与互动，并可安排更充足的基本技能训练和软硬件设计时间;第五，采用了单片机应用系统软件仿真开发平台Keil和Proteus ISIS进行联合设计开发，提高了学生应用现代EDA软件的能力和进行设计开发的意识;第六，要求学生最终必须将单片机作品实物实际制作调试出来，并进行包装定型，使单片机工程训练项目作品成为一项“准产品”，较好地提高了学生的动手能力、调试能力、分析测试能力，学生积极性更高，有获得感和成就感。

据上述分析，“提出任务要求—布置工程训练安排—资料学习—基本技能训练—软硬设计—系统仿真—硬件制作—整体调试—产品包装—成品定型”一整套单片机工程训练实践教学环节，可行性强，容易组织与实施，各个环节都起到了扩宽学生知识面，拓展学生技能和技术的作用，可有效促进学生单片机应用系统的设计开发能力，提高学生的实践应用能力和创新能力，符合应用型和创新型人才培养所需［8-12］。

11 结语

面对我国社会主义现代化建设和区域经济发展所需人才新要求新形势，强化实践教学，突出实践应用能力与协调创新能力培养已成共识，由此，在深化实践教学改革与创新方面，如何提高类似工程训练实践教学质量，确保实践教学培养效果至关重要，本文以南昌大学科学技术学院信息学科部单片机工程训练为具体案例，创新性提出一整套融应用型人才培养贯串全过程的工程训练实践教学环节的确定实施方案，这种安排好实践教学每一个环节，抓好每一个过程，注重教学过程性，加强教学过程管理，提高工程训练实践教学质量的做法，值得推广和借鉴。