面向應用型人才的“單片機”課程教學改革

田會峰，周 瑜，趙 麗

(江蘇科技大學電氣與信息工程學院，江蘇張家港215600)

目前，在我國高等工科院校中，已普遍開設了“單片機”及其相關課程。畢業生是否具有單片機開發能力，已成為許多公司招聘電子、測控、自動化和通信等工科專業學生的衡量標準，同時也成為他們尋找理想工作的必備技能之一[1，2]。

“單片機”作為實踐性很強的一門專業課程，傳統的教學方法已經不能適應培養工程應用型人才的需求。因此，對課程進行改革已迫在眉睫。

1 “單片機”課程教學存在的問題

1)課程設置的問題

一般工科院校在開設“單片機”課程之前，先安排“微機原理與接口技術”課程。以我校電氣工程及其自動化專業為例，“微機原理與接口技術”課程為72學時，“單片機”課程為48學時。而我校非電類專業(如機械電子工程專業)，沒有開設“微機原理與接口技術”課程，因此，這些專業的“單片機原理及應用”課程為72學時。這些課時中實驗課時只占理論課時的1/2，甚至更少，實踐學時不能滿足學生實踐能力的培養的需求[3]。

2)教學方法的問題

單片機的傳統教學方式是課程理論教學與實踐教學分開，課堂教學以理論為主。實踐教學一般采用單片機實驗箱進行簡單的驗證性實驗[4]。

3)實驗設計的問題

目前的單片機實驗，學時較少。實驗設備一般是實驗箱或開發板，而這些都帶有源程序。學生做實驗時基本不需要自己獨立編程，只是簡單的用導線把硬件連接起來，然后將源程序下載到單片機內，運行調試后查看結果即可。

2 基于CDIO理念的敏捷開發島構成

2.1 敏捷開發教學理念

筆者針對“單片機”課時較少的電類專業，提出了基于敏捷開發和CDIO理念相結合的教學方法。

敏捷開發是一種以人為核心，完成迭代和循序漸進的開發方法。在敏捷開發中，一個系統項目被切分成多個子項目，各個子項目都具備集成和可運行的特征。換言之，就是把一個大項目分為多個相互聯系，但也可以獨立運行的小項目后分別完成[5]。

CDIO工程教育培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標[6]。

2.2 敏捷開發島的構成

我們將敏捷開發和CDIO理念相結合，引入到“單片機”的教學中。假設每個班級以40人計算，劃分成10個“敏捷開發島”，每個“敏捷開發島”由4人組成，負責完成一個獨立的項目課題。每個敏捷島的團隊4人分別承擔項目經理、硬件工程師、軟件工程師和技術支持等職務。圖1所示的是“敏捷開發島”的構成。

圖1 敏捷開發島的構成

(1)項目經理崗位適合于不僅動手能力較強，而且組織協調能力也好的學生。主要負責整個團隊的管理、協調和正常運作。除此之外，還有負責整個系統的軟件仿真，驗證系統設計方案的合理性，這個軟件仿真主要由Proteus軟件完成。

(2)硬件工程師崗位適合對硬件電路設計能力比較強的學生，要用Protel繪圖軟件設計系統原理圖，制作PCB電路板，焊接電子元器件，并調試系統硬件。

(3)軟件工程師崗位適合編程能力較強的學生，要使用C語言或匯編語言編寫系統程序，并調試系統軟件，優化系統功能。

(4)技術支持崗位適合整理文檔能力較強的學生。主要負責整個系統的文檔資料整理，包括系統的方案論證、元器件選型、硬件設計、軟件設計、系統調試以及系統升級等。

2.3 技術文檔

項目的技術文檔包括:用戶說明書、量產技術說明、產品升級說明三個部分。用戶說明書是指詳細告訴用戶如何使用該產品。量產說明書是指小批量生產，是給生產人員使用的。產品升級說明書是指硬件設計原理圖和軟件設計源程序等。

通過撰寫和整理技術文檔，使學生提前熟悉企業產品設計和生產流程，并能提前發現自己知識和能力方面的不足，充分利用在校的學習時間，為今后的工作而儲備知識和積極實踐經驗。

3 “單片機”課程敏捷開發

3.1 項目甄選

“單片機”作為一門實踐性很強的課程，將敏捷開發引入教學，就要結合科研項目，把所要講授的各項理論知識和實踐技能分解到具有明確應用目標的任務中，讓學生在規定時間內完成任務[7]。

因此，“單片機”課程中適用于CDIO的項目要由教師仔細設計和甄選，項目來源于具有實際意義和應用價值的企業項目和教學科研項目。這些項目與生產實踐相結合，能夠激發學生的學習動力。

3.2 敏捷開發流程

(1)布置課題—教師布置10個項目課題，并講解每個項目所要完成的工作和所需的專業知識，以及如何學習這些專業知識去獨立完成項目。

(2)學生分組—學生根據自己的專長組建“敏捷開發島”。

(3)課題分析—教師根據每個“敏捷開發島”選擇的課題情況，對課題進行詳細分析。

(4)系統分解—每個“敏捷開發島”由項目經理負責討論項目系統設計方案，并將系統分解成若干個模塊，成員分工完成每個模塊，并將討論結果與教師交流。教師根據討論結果后提出修改建議。

(5)模塊設計—每個“敏捷開發島”的成員根據自己的任務設計子模塊，邊做邊學。設計完成后，交給教師檢查。

(6)知識講解—教師針對學生模塊設計中遇到的問題進行統一講解，并幫助學生解決設計過程中遇到的困難和問題。

(7)驗收模塊—教師檢查學生完成的子模塊。學生完成任務時可以繼續設計其它子模塊;若設計不正確或存在缺陷，讓學生重新設計完成任務。

(8)系統調試—每個項目組將各子模塊組合起來調試，項目經理根據自己完成的軟件仿真結果與項目實物調試結果對照，是否一致。

(9)課題驗收—教師對每個單片機項目進行逐一驗收，并讓每個項目組成員回答教師的問題。教師根據每個學生的答辯情況和項目實際的成果，給出每個學生的課程成績。

(10)課程總結—學生總結學習知識和完成項目中的經驗和不足之處;教師也根據各個項目的整體完成情況，對此次單片機課程教學進行總結。

通過敏捷開發項目對學生的鍛煉，將傳統以教師為中心改為以學生為中心的教學方式。這種方式不但能提高學生的積極性，還能鍛煉其綜合能力。經過幾門課的訓練，學生更加積極地參加校內第二課堂的大學生科技創新計劃和國家、省級的學科競賽，均取得了優異的成績。

3.3 敏捷開發流程與企業真實情況對比

為了更好地驗證敏捷開發流程的有效性和實用性，我們特意咨詢了相關企業，了解他們在產品設計開發過程中的具體流程，通過將兩者進行對比來說明敏捷開發訓練的重要性。

表1顯示了兩者的對比情況。

表1 非敏捷開發與企業情況對比

表中所示的10個環節中，有7個一致，2個基本一致，1個不一致。但是敏捷開發的第8個環節的“系統調試”與企業情況中第6環節的“系統測試”是一致的。敏捷開發中多了一個“知識講解”，而企業情況中多了一個“系統整改”。由此可見，基于敏捷開發的教學，與企業實際項目開發是基本一致的，符合實際項目開發流程。這對學生就業和實踐能力提升都有很大的幫助。

4 結語

本文提出了一種基于敏捷開發與CDIO理念相結合的教學方法，該方法對教師和學生都提出了更高的要求。對于教師，要有豐富的單片機系統設計經驗，包括硬件設計、軟件設計和軟件仿真等，要能及時解決學生遇到的問題。對于學生而言，采取任務驅動“單片機”課程學習的方式，不僅增強了學習能力，還鍛煉了團隊合作精神和獨立解決問題的能力，而這些往往是學生畢業后最需具備的能力。使“單片機”課程實踐環節擯棄了課內實驗或課程設計的傳統模式?？头私虒W內容單一、工程背景不強和綜合訓練程度不夠的問題。

用本文提出的方法進行單片機課程教學改革與實踐，起到了預期的效果。這對其他實踐性較強的課程，比如PLC、DSP或嵌入式系統等都具有較好的參考價值。

[1]張宏偉，閻有運，王新.單片機實踐教學改革的探索與實踐[J].上海:實驗室研究與探索，2009，28(4):206-208.

[2]陳亮.單片機課程的教學改革[J].上海:實驗室研究與探索，2008，27(9):121-123.

[3]唐煒.基于“項目驅動”的單片機類課程實踐教學改革[J].上海:實驗室研究與探索，2010，29(5):130-132.

[4]張迎輝.任務驅動項目教學法在“單片機應用技術”教學中的運用[J].廣州:教育探索，2013，(6):264-265.

[5]閆帥，許朋翔.基于瀑布模型與敏捷開發相結合的項目管理方法探討[J].北京:電子技術與軟件工程，2013，(18):67.

[6]崔貫勛，王勇，王柯柯，等.基于CDIO的物聯網工程專業實踐教學體系的研究與實踐[J].北京:實驗技術與管，2013，30(5):111-114.

[7]胡敬朋，王聰.單片機項目教學研究及實踐[J].南京:電氣與電子教學學報，2009，31(5):82-84.