机械类专业课程教学研究与实践

　　摘要：以微机原理课程为实例探讨机械类专业课程的一种教学新模式，主要包括三个环节：采用案例系统教学、在自制开发板上动手实践和灵活考试机制。在总学时不断压缩的形势下，更好地保证了教学效果，让学生掌握了理论知识，并且让学生有较高的自学能力；在国家关于“卓越工程师”计划的潮流中，采用此方法，又与企业联合，培养出了一批实际应用和创新能力高的学生。

　　关键词：机械类专业课，微机原理与接口技术，卓越工程师，教学研究

　　作者：孙福佳，汪中厚，张玉地，钱炜

　　一、引言

　　机械类专业课所涵盖的理论与应用都比较广泛，在教学环节中若能够注重理论联系实际，将会取得良好的教学效果。关于如何在教学中将理论与实践相结合，已经有很多教育工作者提出了自己的见解与方法。本文以《微机原理与接口技术》课程为实例，探讨机械类专业课程有效的教学方式。

　　《微机原理与接口技术》是一门工程实践性很强的课程，内容涉及微机的工作原理、汇编语言、接口技术和应用实例等内容。随着我国高等院校教学改革，机械类专业微机原理与接口技术课程理论课时不断减少，目前总时数48学时，理论讲课22学时，试验8学时，上机10学时。据调查，在实际相关工作领域中，企业常对掌握一定的微机控制技术的机械专业学生有较大的需求，同时，为了顺应国家关于“卓越工程师”的培养计划，我们开设了卓越班，用以为企业培养一批面向工业界、面向世界、面向未来，适应经济社会发展的工程师。为了实现上述教学目的，根据多年的教学和科研经验，提出了一种理论与实践相结合的教学方法，主要包括三个环节：案例系统教学、在自制开发板上动手实践、灵活考试机制。

　　二、案例系统教学

　　随着电子信息技术的发展，社会需要既懂机械又懂微机控制的人才，但是机械类专业学生的计算机基础知识一般比较薄弱，《微机原理与接口技术》一直是一门学生较难掌握的课程。为了帮助机械专业的学生在一定的课时内掌握教学大纲规定的内容，在教学中将知识点与工程应用相联系，然后对其进行归纳和总结，形成了以案例促进教学的模式，并将其贯穿于整个教学过程。但在实际的教学中，还要注意以下两点。

　　1.教材内容和案例相结合

　　将教学内容中的知识与实际案例进行结合。每个案例都结合着教材的理论知识，将理论知识应用到解决案例中的实际问题。比如，在讲解CPU的编程结构时，先介绍一个简单的时序电路，由此引出时钟电路、寄存器、总线等概念。在讲解可编程定时器/计数器8253时，以如何检测自行车速度为例。为了检测自行车速度，需要产生标准时钟，检测自行车轮辐信号，计数检测到了多少根轮辐。然后采用单位时间计算法，检测单位时间内有多少根轮辐经过，或是检测总的轮辐数目，计算每根轮辐经历的时间，由此来计算车速。为了达到上述目的，需要分析如何配置控制字寄存器、如何初始化每个计数器等。

　　2.案例环环相扣，形成系统

　　案例的设计需要周密考虑。案例在设计之初要考虑的问题是，如何在每次案例教学中即能讲解当前知识，又能复习上次课程的内容并引出下次课程的教学内容，这样便使学生在接受新课之前可以完成对上次课程的回顾，又对下面的内容充满好奇。此外，工程应用所采用的知识面涉及内容非常多，掌握每个案例需要大量的课时，理论课时有限，让案例环环相扣，形成系统，可以减少理解案例的时间，又能够很好掌握课程内容。

　　以感应同步器检测案例为例，该系统包括8086的总线和时序，存储器，输入/输出，中断技术，可编程接口芯片8255、8253、8279等微机原理接口技术所有内容。在课堂教学中，我们可以不断反复应用该案例。在总线和时序一章中，围绕CPU，学生可以掌握晶体振荡器、复位电路和电源电路；在存储器一章中，学生能很好地掌握RAM、ROM等存储器，并复习了总线和时序一章，也能够直观地看到其它章节的内容；在可编程接口芯片一章中，学生能掌握如何利用定时器/计数器8253进行计数，利用并行接口芯片8255设计输入输出，利用8279设计键盘显示电路，实现参数设置，并采用七段码显示参数或者感应同步器距离，通过这样环环相扣，一个完整的系统就可组成。

　　一个系统案例涵盖整个理论课程章节内容，学生通过一个系统案例，能直观地掌握课程理论知识，并举一反三，应用于工程实践中。

　　学生在课堂上学习的积极性来源于课堂知识所带来的求知欲和兴趣。选择学生喜欢的内容作为教学内容，是提高教学质量的一种好方法。每个学生都有自行设计自行车速度检测方法和控制装置想法，作为老师引导学生一步步实现，包括：设计晶振、复位、电源电路；设计存储器接口电路，设计时钟芯片电路、设计键盘显示电路等。

　　三、在自制开发板上动手实践

　　由于缺乏实际的练习与应用，有相当多的机械类专业学生快到毕业时，仍然不知道如何在工程实例中使用微机原理的理论知识。为了增加理论与实际的结合机会，在教学实践中，作者设计了一块简单、成本很低的CPU开发板。CPU开发板具有在线下载功能，能够实现与计算机通信、键盘显示操作、模拟量输入等各种功能。利用开发板进行编程，能够很好理解掌握微机编程结构、汇编语言、存储器功能、输入输出接口、A/D转换，定时器、计数器功能等。

　　这种自制开发板发给每个学生，布置各种不同的任务，让学生在电路板上实现，这样学生在课余时间能够很好地掌握微机原理的基本知识。

　　通过这些训练，学生不仅掌握了课堂内容，培养了动手能力，而且启发他们的创造能力，学生根据这块电路板完成了各种不同的功能，如霓虹灯显示、恒温箱控制模拟、网络功能等。人手一块CPU开发板，进行实际电路的设计，让课堂理论知识紧密联系实践操作。

　　四、灵活考试机制

　　机械专业微机原理与接口技术是一门专业选修课程，教师在成绩评定上有比较大的自主权，不能简单拘泥于书面考试的形式。所以，这个环节要与前两要素有机结合，灵活应用，以取得良好的教学效果。一般会有100个左右的学生选修这门课。在这些学生中间，每年都会有部分学生参加教师所承担的课题研究。对于这些学生，由学生本人申请或者班导师推荐，他们的期末考试成绩一般都在90分左右。还有部分有学习积极性的同学会参加各种科技兴趣小组，利用微机原理知识，制作各种小发明、小创造。这部分同学通常能交出一份很好的设计方案和演示实例，期末成绩将根据考试成绩和小发明、小创造综合评定。另外，还有部分同学在自制的开发板上设计出比较好的演示程序，期末成绩则由演示程序与考试成绩结合评定。其余的同学根据考试成绩和平时作业综合评定成绩。

　　通过采用这种灵活的考试机制，不仅调动了学生的学习积极性，又提高了部分学生学习的自主性、动手能力和创造性。这种灵活的考试机制还取得了良好的辐射效应，取得了一定的经济和社会效益。在参与课题研究的同学中，有些申请了上海市大学生创新基金项目；有些学生毕业后根据参与的课题研究，分别成立了自己的公司。

　　这种灵活的考试机制，能很好地推动教学双方沟通的经常性，提高了教学效果。参与课题研究的同学能够提出他们的想法，为将来的教学改进提供很好的思路。这种教学效果已经产生多元化的效果，不仅增强了理论知识，而且增强了动手能力、创新能力和自学能力。

　　采用上述教学方法，学生拥有很强的创新能力，并且能很好地将理论转化到实际应用中，如图1所示。

　　图1是我校参加全国机械创新大赛的学生作品家庭清扫机器人的控制整体设计规划，此作品获得了上海市三等奖，在控制模块中用到我们利用此教学方法所学习的知识。

　　图2中，有电源转换模块，220V交流电通过变压整流后，变为直流电，可为整个机器人控制系统服务；直流电机驱动模块使用L298N芯片内部集成的两个H桥驱动电机运转；用RS485串口通讯模块实现PC与单片机的远距离通信。

　　五、总结

　　机械专业课程有自己的特点，需要很强的理论与实践相结合。本文的研究以案例系统教学贯穿始终的教学方法，并鼓励学生不断拓展自己的知识面，取得了比较好的教学效果。通过提供每个学生一块CPU开发板，完成实际电路设计，使得学生能够很好地应用所掌握理论知识，提高了动手能力，增强了创新能力，并往往能冒出新的思想火花。一种良好的考试机制往往能更好地提高学生全方面的素质。在今后的教学过程中，还需要进一步探索和总结教学方法，激发学生的学习积极性。