“卓越计划”下单片机实验教学改革实践

林 峰，潘可贤，冯陈伟

(厦门理工学院 光电与通信工程学院，福建 厦门 361024)

目前几乎所有工科院校的机电类专业都开设了《单片机原理及应用》课程及其相关实践课(单片机实验和课程设计)［1］。但当前单片机实验教学的效果却不尽如人意，对提高学生动手实践能力和创新能力的帮助非常有限。2009年12月教育部正式启动“卓越工程师培养计划”，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务［2］。如何面向卓越工程师计划，提高单片机实验教学的效果，提高学生的工程素养和综合实践能力是值得广大单片机课程教师思考的问题。本文就此课题展开探索和实践。

1 单片机实验教学现状分析

目前高校中单片机实验教学主要存在着以下的不足之处:

(1)目前单片机的实验平台基本上是高度集成的实验箱，如伟福LAB6000等，其内部已集成很多功能部件和单片机外围扩展电路。做实验时，学生只需要遵照实验指导书，进行简单的连线，编写相关程序，编译下载并观看程序运行结果。由于学生不了解实验箱内部的电路，实验课只能训练他们的单片机编程能力，而无法训练学生的硬件设计能力。

(2)单片机实验项目的设置有“三多三少”现象。即验证性、认识性的实验多，设计性、综合性、启发性的实验少;经典型实验多，现代型实验少;操作能力培养的实验多，综合能力培养的实验少［3］。基于实验箱的教学模式使得绝大多数学生无法从整体上把握单片机的结构，也没有掌握单片机应用系统的设计与调试技术，与社会需求的差距较大［4］。

(3)实验时间有限。单片机实验教学课时一般是1630个学时，绝大部分学生难以按时完成课堂实验。同时受到实验室开放性程度的影响，学生也难以在课余时间进入实验室进行附加的实验，其动手能力难以得到训练和提高。

以上的种种不足不仅影响了单片机实验课的教学效果，也无法提高学生的动手实践能力，更不用说培育学生的创新能力，这与“卓越工程师计划”的精神背道而行，因此需要对单片机的实验教学进行改革。

2 探索以应用系统为驱动的教学模式

在实验课开设前，教师需要设定一个具有实际意义的单片机应用系统为该课程的目标，而不是依赖实验箱。每次实验课，学生需要完成该系统的某个功能部件的设计，从小到大，从简单到复杂，通过小模块的训练，逐层深入，最后整合这些功能部件，完成应用系统的设计。在每次实验课前，学生需要进行精心的预习，查找资料，设计电路原理图。做实验时，教师需要检查学生电路图是否正确，若无问题，学生将相应的元器件焊接到万用板上，并编写单片机软件，验证电路的正确性。

这种实验教学模式，不仅训练了学生的软件编程能力，也训练了学生的硬件设计能力。实验过程更贴近于单片机实际系统的开发过程，可激发学生的兴趣和求知欲望，积极发挥学生的创新主动性，充分挖掘学生的应用潜能。

3 精心设计实验项目

以应用系统为驱动的教学模式，要求教师对应用系统目标进行适当分解，使得每次实验内容不仅切合单片机理论教学的知识点，而且体现应用系统的某种功能。

下面以温度数据采集、显示和报警系统为例，介绍实验项目的设置。

该系统具有以下功能:(1)可以手动控制温度采集的开始和结束;(2)采集开始后，系统自动地每隔1小时进行一次温度采集;(3)需要在外部存储器中保存采集的温度数据;(4)可以在LED上，在数码管上，在LCD上和电脑上显示温度数据;(5)如果温度超过设置的阈值，可以通过蜂鸣器报警。

单片机的理论教学内容通常至少会涵盖单片机的IO，定时计数器，串行口，数码管和按键，LCD等知识点，因此与之相关基础性的实验必不可少。结合应用系统的功能，以本院电子信息专业的24课时的实验为例，实验项目的设置以及实验目的的说明如下:

(1)利用晶振、电阻、电容、按键等元器件，在万用板上搭建单片机的复位电路，时钟电路，制作最小系统。最小系统是整个单片机应用系统工作的基础。笔者在单片机理论教学中发现，即使学完单片机理论和实验课程后，不少学生仍不知单片机最小系统为何物。该实验的目的是使得学生对单片机最小系统有个更直观更感性的认识。

(2)利用LED，电阻，按键，蜂鸣器等器件，在万用板上搭建LED电路，外部中断触发电路和蜂鸣器报警电路。编程实现当按键按下后，单片机每隔1 s改变LED的显示状态或蜂鸣器响一次。利用这三个电路，可以实现系统功能(1)，(2)和(5)。在整个系统完成前，可以先进行外部中断实验和定时计数器实验。

(3)利用MAX232芯片搭建串行口电路。单片机通过串行口向PC发送数据，PC上利用串口调试助手观察接收到的数据。在基于单片机的应用系统的设计中，单片机经常会与PC机进行通信。目标系统中温度数据需要显示在PC上，即可利用该串行通信电路实现。

(4)利用七段数码管、3－8译码器、三极管等期间，在万用板上搭建数码管显示电路。编写程序，实现在数码管上显示数字。利用该电路可实现在LED上显示采集到的温度数据。

(5)利用1602 LCD模块，在万用板上搭建LCD显示电路。编写程序在LCD上显示字母，数字或自定义图形。利用该电路可实现在LCD上显示采集到的温度数据。

(6)搭建AT24C02存储扩展电路。实验内容是对AT24C02芯片进行读写访问，比较两次数据是否一致，以便验证硬件电路设计的正确性。该实验目的是扩展系统的存储空间，用来保存采集到的温度的数据。

(7)利用DS18B20传感器，搭建温度采集电路，利用前面几次实验的成果，完成温度采集、显示和报警系统的设计。本实验需要两次实验课。课前需要让学生预先了解DS18B20的工作原理，与单片机的连接方法和数据通信方法等。在实验课上编写读取DS18B20的数据的程序，并将之前所编写的实验整合，修改，并调试，完成系统的软硬件设计。

以上的实验项目的设置，每次实验3个课时，与以往每次实验2课时，共12次实验的做法比较，总课时没有变化，但通过实验项目的精心安排，减少实验次数，增加每次实验课时，学生有充足的时间完成实验。整个实验课程结束后，学生不仅巩固了单片机的理论知识，也完成了具有实际意义的单片机应用系统的设计，极大增强了他们的自信心和成就感。

4 开设单片机系统设计

单片机的实践教学体系不仅包括单片机的实验课程，还包括课程设计。经过实验课程的训练，学生已具备小型单片机应用系统开发的基本素质，包括单片机软件和硬件电路的设计能力。但是，实验项目的内容只是在万用板上焊接单片机和其他的元器件器件，组成一个应用系统，这还不符合真正实际的单片机应用系统的开发过程。在《单片机原理及应用》课程设计中，可以加以改进。首先，要求学生自己调研、设计系统功能、划分软硬件功能、选择器件，用Protel软件设计硬件原理图，设计PCB版图并制作PCB，设计软件流程并编写程序等;然后，在PCB板上焊接器件、调试硬件电路和程序等;用仿真器对所做的系统进行仿真，烧录程序，对整个系统做试运行，若有问题则修改软件或硬件，直至达到设计的要求和取得满意的效果。课程设计的题目，也可以在实验课程的应用目标系统的基础上提升一些难度，比如添加专用复位芯片等。经过这种训练，学生的动手能力进一步提高，很多学生在课程设计报告中写道“通过课程设计，学习了单片机应用系统的设计过程，提高了实际动手能力，感受了成功的喜悦”。

5 结束语

实验教学在《单片机原理与应用》课程的教学中占有非常重要的地位，应引起广大教师和学生的重视。本文面向卓越工程师计划，从教学模式的转变和实验项目的设置等方面，提出了单片机实验教学改革的具体措施。实践表明，改革后，大多数学生综合运用单片机进行软硬件系统设计的能力及创新能力得到提高，课程设计和基于单片机和嵌入式系统的毕业设计的质量也有明显改善，取得良好的实验效果。

［1］ 陈惠明，陆荣砲.加强实践环节 提高“单片机原理及应用”课程教学质量［J］.中国林业教育，2003(6):76－77.

［2］ 王少怀，刘羽，黄培明.实施“卓越工程师教育培养计划”打造“双师型”教学团队［J］.中国地质教育，2010(4):63－65.

［3］ 王洪亮，智立甫.单片机课程实验教学改革初探［J］.石家庄职业技术学院学报，2006，18(6):72－73.

［4］ 蒋存波，陈小琴，金红.提高单片机教学效果的实验教学方法探讨［J］.电气电工教学学报，2006，28(3):108－110.