基于OBE理念的“单片机课程设计”的教学设计与实践

2021-11-05贵州师范大学物理与电子科学学院刘万松刘雪飞

电子世界 2021年17期

贵州师范大学物理与电子科学学院刘万松刘雪飞

OBE（Outcome-Based Education）的概念由Spady在1981年提出，是一种以学生为中心，成果为导向的教育理念，该教育理念被国际工程教育专业认证广泛推崇，被认为是追求卓越教育的正确方向。课程设计是普通高等学校电子信息类本科专业教学质量国家标准的主要实践性教学环节之一。单片机课程设计是建立在先修的模拟电子技术、数字电子技术、微机原理及应用和单片机原理及应用等课程之上，综合运用所学课程的理论知识、设计软件和实验经验，实际的进行一次课题的设计和电路系统的安装与调试，它涉及的知识面广，需要综合运用相关知识，一般没有固定的答案。课程设计过程需要从实际出发，通过调查研究、查寻资料、方案比较及设计、计算等环节，才能得到一个较理想的设计方案。设计方案完成之后，需要做出符合设计要求的实际电路，所以说，单片机课程设计是理论和实践融合性极强的课程。

1 课程目标设计

根据OBE理念“反向设计、正向实施”的思路，结合专业培养目标及课程支撑毕业能力的要素，综合考虑单片机课程特点，提出了单片机课程设计的课程培养目标。(1)问题分析能力。知道单片机系统开发的设计方法和设计流程，能够根据课题要求，查阅参考文献，分析问题，获取解决问题的知识和方法。(2)系统设计能力。能够综合运用所学理论知识，从系统设计要求出发提出设计方案，进行比较与论证，确定合理的方案，并绘制系统的结构框图；能够根据设计方案，绘制系统的电路原理图，构建系统硬件平台；能够利用汇编语言或C语言，对系统进行软件编程。(3)工具使用能力。熟悉系统设计和开发的软硬件平台，能够通过软件平台和应用硬件设备进行系统调试，不断改进和完善所设计的电路与系统。(4)团队合作与沟通能力。能够与教师进行有效沟通，与同学进行有效合作；能较为准确地描述系统设计思路和方案，能够顺利完成自己所承担的任务。

2 项目的来源与选择

单片机课程设计计划学时为32学时，课程的实施要求以项目的形式开展，3人为一个项目团队。在设计和选取项目时，要求项目要具有知识的综合性，有一定难度，而且符合工程实际。因此，课程设计题目应是一个复杂的单片机测控系统或单片机智能仪器等的设计问题，一般需要涉及多方面的知识与技能，如单片机接口技术、传感器技术、模拟电子技术、数字电子技术等。项目的来源通常包括三个方面：第一种方式是学生自主选题，即学生根据自己的兴趣爱好和能力自主选择题目，但是题目是否合适，需要指导老师最后敲定。学生自主选择的题目，如交通灯控制系统、数字温度计、电子秤和智能大棚控制系统等项目。第二种方式，是教师的科研项目或企业项目，通常是由教师把自己的科研项目或企业项目经过提炼加工而成；第三种方式，是将大学生创新创业训练计划项目、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛项目和全国大学生电子设计竞赛等项目转化为课程设计题目。

3 实践平台的建设

单片机课程设计的教学过程，完全秉承OBE以学生为中心，以成果为导向的教育理念。项目的所有环节从项目分析、设计、仿真、调试、制作和测试等均由学生自己完成，教师主要是为学生学习搭建支架，在网上和实验室进行答疑和解惑。单片机课程设计主要的教学与实践平台包括：(1)系统设计与仿真实验室。系统设计与仿真实验室电脑安装了Protel 99 SE， Multisim 14.0、Proteus 8.0、Keil uVision5、Diamond 3.11等电子系统设计软件；(2)电子制作开放性实验室。开放性实验室为学生准备了各种类型的开发板，如：8位单片机开发板（6502、TP801A、Arduino UNO、STC89C52）、16位单片机开发板（MSP430F149）、32位单片机开发板（STM32G030、STM32F103）、64位单片机开发板（Raspberry Pi 4B）和FPGA开发板（EP4CE10、Lattice MXO2）。实验室配备了各种设备和仪器，如：稳压电源、信号发生器、数字示波器、PCB线路板蚀刻机、热敏打印机、数字万用表等。以上两个实验室全天开放，学生可以通过门禁卡自由出入，实验室安装的各种软件、配备的各种设备和仪器为课程的开设与实践提供了保障。

4 教学实施

课程设计的步骤包括：系统方案设计、系统单元电路设计、系统总体设计、电路的安装与调试和总结报告五部分内容。(1)系统方案设计：包括系统方案框图设计和系统方案的分析和比较，系统方案框图设计要求画出系统构成框图和信号流程。方案的分析和比较包括技术指标的比较，电路简易的比较和经济指标的比较等，经过比较后确定一个最佳方案。(2)系统单元电路设计：包括单片机类型的选择，接口电路的设计，电路元器件参数的计算，电路原理图的绘制等。(3)系统总体设计：包括画出完整的电路原理图，列出所需用元器件明细表，用EDA软件进行电路设计、仿真和调试。(4)电路的安装和调试：包括对元器件进行检测、焊接，对单元电路进行性能调试和整机电路进行技术指标测试。(5)总结报告：总结报告是对设计过程的全方位概述，主要涵盖以下几个方面内容：设计要求和技术指标，方案论证，电路设计原理和元件参数计算，电路原理图和元器件名细表，电路的测试结果，出现的问题和解决办法和收获与体会等。

5 教学评价

单片机课程设计需要从实际出发，通过查寻资料、方案比较及设计、计算等环节，才能得到一个较理想的设计方案，更重要的是根据设计方案，需要做出符合设计要求的实际电路。因此，课程的评价体系不同于传统的理论课程和课程实验的评价体系，它更强调的是过程性评价。单片机课程设计的具体评价体系为：(1)系统设计(50%)。工作内容包括：查找资料，进行方案设计，设计单元电路、整机电路，计算和选择元件参数，进行仿真调试，打印原理图和接线图。(2)系统安装调试(30%)，工作内容为在实验室将所设计的电路进行安装、调试和指标测试。(3)总结报告(20%)，评分标准主要从原理阐述，性能分析，图表规范性，论文结构和语言流畅性等方面来综合进行评价。