新工科视域下“汽车单片机与接口技术”课程实验设计与实践

李欢

天津中德应用技术大学汽车系 天津市 300350

2017 年以来，教育部积极推进新工科建设，随后的“三部曲”——“复旦共识”“天大行动”及“北京指南”奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径[1]，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式。随着新一轮产业变革和科技革命，5G 技术、大数据技术、云计算技术、人工智能等现代信息技术不断深入制造业、服务业等多个社会领域，应对以上变化，培养具备专业基础扎实、实践能力强、创新意识强、工程素养高等素养的复合型人才是适应新时代发展变化的需要。实践能力培养是工程技术类专业人才培养过程中的关键环节。实践教学体系中重要组成部分是实验技术教学与实施，实验课程实施与效果对于提高人才自主培养质量起到重要作用。

汽车单片机与接口技术是天津中德应用技术大学车辆工程专业的专业基础课程，是一门实践性、综合性、应用性很强的课程。学生通过单片机硬件结构和工作原理、单片机开发工具应用、单片机程序设计、接口技术、单片机中断、定时系统、及串行数据通信等内容的学习，不仅能够掌握单片机应用系统设计和开发的基本技能，而且能使学生深入理解汽车电控单元ECU 的系统结构及其工作过程；能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程软件、工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性[2]，培养工程规范意识，提高工程素养与实践创新能力，为后续课程汽车电子控制技术、电动汽车驱动及控制技术学习和从事工程技术工作奠定坚实的基础。

“汽车单片机与接口技术”相关课程大多数实验室配置的是单片机实验箱和实验套件等设备，可以完成汽车继电器、灯光点阵、直流电机控制等模块的实验验证，在实验指导书与实验工单指导下，学生进行电路连接，编写、下载程序，验证模块功能。但由于功能模块已经封装，学生无法看到内部电路结构，且各个功能模块之间相对独立，无法体现系统性，无法构成完整的工程项目，难以从全方位考核学生技术技能水平。

针对上述问题，本文设计一个综合实验项目，由几个前后衔接的子项目组成，学生完成子项目后，即可组合成综合实验项目，有效解决上述问题，学生可以深入理解单片机应用，培养学生质量意识和创新精神，提升职业素养和规范，有利于开展后续控制类课程的学习和毕业设计、实习就业等相关专业工作。因此，开展新工科背景下《汽车单片机与接口技术》课程实验设计与实践研究，探索了新时代下人才培养体系的构建，落实了教育立德树人的根本任务，课程建设力争达到“两性一度”的金课建设标准，促进学生自主学习、终身学习、多样化成才，全面提高人才自主培养质量。

1 实验内容开发与实施

1.1 实验内容开发

天津中德应用技术大学的“汽车单片机与接口技术”课程实验包含汽车单片机实验与接口技术实验两部分，本文以汽车单片机部分为例进行阐述。在三届学生教学实践与改革的基础上，课程建设团队初步探索出了以“发布实际任务、开展模块训练、实现模块集成”为核心的设计思路，即实验最终目标是将工程化任务的思想融入到教学中，完成模块化实验项目的综合集成，经过模块训练与知识点整合，模块训练内容按照独立实验任务进行划分，单独完成编程、开发与调试，最后进行模块集成，实现最终实验目标的连接、调试。

以双向可控DC-DC 控制器为载体，实验包含了BUCK-BOOST 主电路、辅助电源、驱动电路、信号调理电路、STM32F334 主控电路(DSP 主控电路)以及OLED 驱动电路构成设计与实现6 个实验项目。实验应用了A/D 转换、串口通信、蜂鸣器等，由基础验证实验引入到综合设计实验，完成了双向可控DC-DC 控制器的设计与制作。实验过程按照程序编写、虚拟仿真、硬件制作的步骤进行；任务考核为模块集成，综合以上6 个实验成果，完成双向可控DC-DC 控制器的安装与调试，实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升降压功能。实验项目包含模块化实验与集成综合实验的不同层级，构建由独立模块到集成化项目体系。

1.2 实验实施思路

《汽车单片机与接口技术》单片机部分实验由基础验证实验渐入到综合设计，实验过程由理论学习、任务分析、电路设计、仿真验证、硬件制作、集成调试等部分组成，学生全程参与了双向可控DC-DC 控制器的设计、制作，实现了实验项目关联性，同时由于各个模块实验完成后，可集成为完成产品，使得课程评价有了载体，激发了学生学习兴趣，培养了学生团队合作精神，树立了工程意识，工程实践能力得到增强。实验在设计过程中要考虑以下内容：

1）通过实验任务选择、教学设计与课程实施，挖掘实验教学内容中的思政元素，培养学生具有团队意识、协作精神，提升语言文字表达和交流能力，进入工作岗位后，能够迅速成长为业务骨干，发挥重要作用。

2）通过“实践+虚拟”融合与“模块+集成”结合的教学模式，认真实施课堂实验项目，积极开展教育信息化建设，借助信息化教学资源平台开展课前自学和实验准备，以虚拟实验室为补充，规范、高效地进行电路设计、仿真验证、硬件制作、集成调试等。

3）实验实施前，通过学习通发布该项目预习题目，了解学生理论知识和实验技术掌握情况，动态调整实验项目时间，实时获取学生实验效果与实验进度，对进度落后小组进行针对性辅导。

4）基于工作过程系统化设计实验项目，通过项目模块化、设计与仿真验证、硬件制作与集成调试等，使学生拥有再学习和再完善能力，能够通过工程实践，强化训练职业技能和专业就业能力，持续提高专业素养和自身素质。

5）强化实验的过程性评价。对于各个模块实验项目，评价内容主要为课程出勤、实验表现、过程表现与结果评价等。对于模块集成实验，每个需要实验团队完成设计报告、过程与功能验证工作报告，同时录制短视频，对产品进行介绍。

2 课程实验具体项目

根据实验结构与实验综合评价体系，模块化实验含有6 个实验模块。实验 1-实验6为模块化实验部分，每个模块实验完成后即可对应综合实验的相应能力，这6 个实验模块完成后，集成为一体，进行集成、调试实验。综合实验既是必做实验，也作为综合考核重要载体，考量学生实验技能掌握程度。

2.1 模块化实验

模块化实验部分包括BUCK-BOOST 主电路、辅助电源、驱动电路、信号调理电路、STM32F334 主控电路(DSP 主控电路)以及OLED 驱动电路构成设计与实现6 个实验项目，实验内容均包含了程序编写、虚拟仿真、硬件制作3个层面；程序编写是在理论讲授时，以例题和习题的形式学习完成，主要是对单片机程序的学习和练习；虚拟仿真部分和电路板绘制在实验实训室中由学生分组完成，主要完成虚拟实验平台程序仿真和电路绘制；硬件制作过程以课后作业形式完成。

综合实验项目是在模块实验完成后，以课程设计（大作业）的形式完成，集成了6个模块实验的成果，利用实验室开放等形式，学生课后完成，并撰写实验报告。完成双向可控DC-DC 控制器的安装与调试，实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升

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