單片機原理及應用課程立體化實踐教學體系的建設

摘要：本文旨在構建以培養應用型、創新型人才為目的，全方位建設“單片機原理及應用”課程的立體化實踐教學體系。通過優化配置教學團隊與教學資料，開展多維立體課堂教學、多元化實驗教學、多樣化第二課堂活動提升教學質量，并改革考核方式以促進實踐教學的落實。

關鍵詞：單片機原理及應用；實踐教學改革；應用型人才

中圖分類號：G642.3文獻標識碼：A文章編號：1002-4107（2012）04-0045-03

“單片機原理及應用”是電氣工程及其自動化類專業一門很重要的專業基礎課，在課程體系中起著承前啟后的紐帶作用。該課程以數字電路與數字邏輯、模擬電子技術和C語言程序設計為前期基礎課，同時對嵌入式系統和DSP技術有重要影響。隨著單片機與嵌入式系統技術的飛速發展，單片機在電子信息類工程應用中的作用日益顯著，其教學質量的好壞，甚至能夠左右學生的就業。

“單片機原理及應用”立體化實踐教學體系以培養應用型、創新型工程人才為目的，以基于工作過程的項目制作為導向，全方位打造理論與實踐一體化的教學模式，產學研合作，讓學生接受單片機方面的工程鍛煉，全面提高學生的職業能力，達到與企業的無縫對接。

一、優化配置教學團隊與立體化教學資料

教學團隊處于教學和科研的第一線，團隊的建設水平直接影響到教學質量、科研水平和社會服務能力，最終影響學校的形象和聲譽，因此，優化教學團隊具有非同尋常的重要性和緊迫性[1]。“單片機原理及應用”課程的教學團隊以高級教師為主，以講師和實驗師為輔，大部分是具有博士或碩士研究生學歷的中青年教師。團隊以教研室、實驗室和實訓中心等為依托；以課程、專業、基地為建設平臺，在教學改革實踐中形成一個團結合作的共同體。教學團隊的大部分教師都有在企業工作的經歷，或跟企業合作的產學研項目，能夠在教學中密切聯系實際，緊跟單片機技術發展的新形勢，理論聯系實踐，搞好教學。團隊人員經常參加一些單片機與嵌入式系統類課程的研討會，定期開展教學研究，探討教學工作。老教師起到傳幫帶的表率作用，為新教師在教學、科研和職稱評定等方面提供幫助。

網絡與多媒體技術的發展，為立體化教材的建設提供技術保障。教學團隊一直注重建設立體化教學資料，除了搞好紙質教材、教輔材料外，還將授課的電子課件、教學視頻、軟件工具等上傳至BlackBoard課堂，形成一套完善的立體化教材。課本的選取與建設是教學的重要環節，目前絕大多數單片機教材脫離教學學時實際，內容忽略應用需求，編寫思路較少考慮學習者的認知規律[2]。本課程選取李曉林編寫、電子工業出版社出版的《單片機原理與接口技術（第2版）》為主要教材，該書除了具有傳統的單片機教材所介紹的基本知識外，還引入C51程序設計、Proteus及KeiluVision軟件使用、單片機應用系統設計以及實驗項目等，將原理講解與應用實踐較好地結合在一起[3]。另外，根據實際需要，教學團隊專門編寫為現有軟硬件實驗設備、學生情況量身定做的《單片機原理及應用實驗指導書》、《單片機學習輔導書》、教學大綱、考試大綱、實驗大綱和課程設計大綱。為了給學生日后從事單片機應用系統開發打下扎實的基礎，所有教學資料介紹的程序開發語言都從傳統的純匯編或以匯編為主向以C51為主以匯編為輔轉變，加強Proteus和Keil這兩個軟件的實踐應用，刪除部分與實際脫節較嚴重的存儲器和I/O口擴展等部分的內容，增加新型單片機的介紹，真正實現與企業接軌。

二、開展多維立體課堂教學

課堂教學是實踐教學體系中最重要的環節，其質量的好壞直接影響學生的學習態度與學習效果。在傳統教學手段的基礎上開展多維立體課堂教學，可全面提升教學質量。

（一）教學手段多樣化

“黑板+粉筆”的固有模式容易讓學生感到枯燥乏味，對學習產生厭倦、抵觸情緒；“黑板+多媒體+展示臺+實物”的形象化教學是現代化教學的發展趨勢。黑板是教學的重要媒質，在黑板推理的過程中，能夠讓學生緊跟教師的思路；多媒體投影儀可放映PPT幻燈片、錄像和Flash動畫，顯示計算機上“Proteus+Keil”軟件的仿真效果，充分利用計算機圖、文、聲、像并茂的功能；展示臺呈現單片機系統的硬件實物。同時，借助網絡資源開設BlackBoard課堂、教學博客、QQ討論群等，引導學生自主學習、協作學習，達到課內課外教學的聯動、實踐教學和理論教學交叉互動。

教師在課堂上要杜絕純粹放映教材出版社所提供PPT課件的行為，要以電影制片人的藝術心態對所有素材進行精心準備、裁剪。在形式上吸引學生眼球，才能讓學生對內容產生興趣。當然，課件也不要做得過于花哨，以免喧賓奪主。教師要引導學生在學習單片機過程中“善假以物”，利用多媒體教會學生合理使用單片機開發的小工具，例如：單片機小精靈、串口調試助手、LED字型碼發生器等。

（二）構建和諧課堂

本課程包含很多復雜煩瑣的軟硬件知識，大部分內容都不容易理解。若采用一言堂和滿堂灌的填鴨式教學，將影響學生學習的積極性。構建和諧課堂可拉近師生距離，使得學生“親其師信其道”，在心理上接受教師，其學習的積極性就會很高，遲到、曠課、上課打瞌睡、開小差等現象也隨之減少。

課堂教學以教師為主導，學生為主體，開展討論式、啟發式教學，則可充分調動學生的主觀能動性，變“要我學”為“我要學”。為了不讓學生對單片機產生畏懼心理，教學內容的選擇上有意淡化理論教學，加強實用性知識講解，甚至可以采用先實踐、后理論的方式，讓學生先“知其然”，再帶著疑問探討“其所以然”。

教師在課堂教學中要盡量采用幽默化、形象化的教學語言，找到單片機理論知識與現實世界的相同相似點，用通俗易懂的語言給學生講解，可起到事半功倍的效果。用心琢磨和恰當運用教學語言，多采用比喻和舉例，把枯燥的知識淺顯生動地傳授給學生。這樣的課堂教師講授輕松，學生也愛聽，且在不經意間就理解掌握難懂的概念[4]。

（三）模塊教學

培養應用型人才，授課內容要以實用為目的，原理性的知識“夠用”即可，要避免“講的不用，用的不講”，造成教學與實踐背離、理論與應用脫軌。在課程教學中，講解完基本原理后，應用部分采用任務驅動的模塊教學方法，把內容分為：中斷、定時器/計數器、串行通信、顯示和鍵盤、AD和DA等五大部分，引導學生采用“Proteus+Keil”設計相應的系統，真正做到“用什么，講什么，學什么”。

模塊教學以知識點為主線，內容不局限于課本，且要緊跟業界主流技術發展，及時將先進知識引入課堂，確保教學內容的實用性和新穎性。模塊教學的目的是“授之以漁”，教會學生一種方法，會用一種單片機，學生自然也會用其他單片機[5]。

三、推行多元化實驗教學

傳統的實驗方式是在實驗箱上進行驗證性實驗，學生只要按指導書連幾根簡單的導線、寫幾行程序代碼即可完成實驗，其學習主動性不能很好地被激發。且受資金等因素限制，硬件實驗設備的更新速度無法跟上單片機技術的飛速發展，實驗箱顯得有點落伍。本課程實驗教學采用“實驗箱+計算機軟件仿真+課程設計”的新思路，除了用實驗箱做實驗，還開辟虛擬實驗室，用“Proteus+Keil”做仿真實驗，同時提高綜合性、設計性實驗的比重。

（一）課程設計

課程設計以實物制作為目的，同時注重與前期課程（模電、數電、C語言、Altium Designer）及后續課程（嵌入式系統）的聯系。例如，電源、數碼顯示部分可在模電和數電課程設計中提前做好，整個系統的電路板在Altium Designer課程設計中先做好，這樣可節省時間，避免資源的浪費。同時，鼓勵學生在課程設計中使用嵌入式實時操作系統Small RTOS51或μC/OS-II，為學習嵌入式系統打下基礎。

（二）開放性實驗

高校的實驗室大多數只能提供學生進行課程實驗，根本不對學生隨時開放，這樣學生得不到充分的練習，只能是紙上談兵[6]。為了給學生創造更多的動手機會，電子信息工程學院斥資采購30套XL400型51單片機實驗板，10套小強51+AVR單片機實驗板和4套凌陽SPCE061A單片機實驗板，并自制30套STC單片機實驗板，它們集實驗、仿真和下載三大功能為一體，均可以完成20個左右實驗。74套實驗板被派發到每個學生宿舍，免費借給學生使用，讓學生有條件在宿舍做單片機硬件實驗，還可以根據興趣學習51、AVR和SPCE061A三種單片機中的一種或多種。

（三）自制教儀

在學習單片機的過程中，不少學生都會從網上購買各種小型單片機實驗板。這樣做的好處是能夠直接使用，缺陷是學生對單片機系統的硬件了解不夠深入，且購買的實驗板往往價格較貴。從降低學生的學習成本、提高學生動手能力的角度出發，我們設計出一套硬件可剪裁，最多能夠完成20個項目的多功能STC單片機實驗板。統一找電路板廠制作PCB板，再到網上采購元器件。學生以自愿為原則購買PCB板，根據需要購買部分或者全部器件。自制實驗板，只需要花70元，遠低于市場價格。單片機、液晶顯示板、溫度傳感器、點陣等較貴重器件都是可插拔的，學生能夠在其他地方重復使用這些設備。通過自己動手焊接實驗板，調測硬件系統，能夠加深學生對硬件電路的理解，提高學習效果。

四、延伸拓展第二課堂

第二課堂是第一課堂的延伸拓展，第一課堂主要實現“教和學”的功能，第二課堂則達到“做和練”之目的。在第二課堂中，教師從第一課堂的“講師”向“咨詢師”轉變，主要目的是培養學生的興趣，引導學生以玩的心態學單片機。

我們積極創造條件幫助學生申請學生學術基金，通過導師制讓學生參與開放實驗室項目，參加教師的科研，到創新實驗室做項目，參加學校科技創作大賽和省挑戰杯大學生課外學術科技作品競賽。在課余時間利用自制的STC單片機學習板舉辦小型競賽，提高學生學習單片機的積極性。利用課程見習組織學生到校外實習基地、工廠參觀，加強與企業的產教合作，讓學生主動加強自身的工程素養。

五、用考核方式引導學生動手

“會考試，不會做”，這是不少工科生的通病。要想扭轉這個局面，最有效的方法就是從平時作業、實驗及期末考核著手，加強實踐考核在總評成績中所占的比重。對考核方式進行大膽革新，改革前后總評成績計算方法如表1所示。傳統的考核方式容易造成不少學生死記硬背，學完后甚至連簡單的跑馬燈硬件電路都畫不出來，程序也不會編寫。新的考核方式摒棄筆試，可以培養學生的動手能力。

表1 改革前后總評成績計算方法

在新的考核方式中，總評成績由四部分構成。（1）平時成績部分，考勤方面寬嚴相濟，對屢次遲到、曠課或者有其他開小差行為的學生，每次違紀都加大單次扣分力度；作業方面進行優化設計，從傳統的純粹做習題向“習題+電子仿真”改變。為了從源頭杜絕學生抄襲作業，設計的作業除了提高內容的趣味性外，還根據每個學生座號的不同，設計不同的單片機型號、I/O接口、晶振頻率、通信速率、數碼管顏色等參數。這樣讓學生無處可抄，即使是參考別人的作業，也要思考如何修改，而不是純粹的機械性抄襲。（2）實驗要求學生提前寫好預習報告，結束時由教師當場檢查驗收，隨機提問，實驗完畢立刻提交實驗報告。這樣能夠提高實驗效率，避免學生課前不預習、課后抄襲報告或編造數據。（3）實物制作方面鼓勵學生大膽創新，對設計內容不作限制，自由選題，利用課余時間完成。期末要求每個學生都提交一篇小論文，給教師現場演示，并進行答辯。（4）期末上機考試設計若干套難度相當的試題，由學生隨機抽取，采用“Proteus+Keil”仿真軟件設計單片機系統。

改革考核方式會增加教師的工作量，尤其是平時作業的檢查、實物制作及上機考試的檢查。學生也感覺到這門課“不好混”，平時不下點工夫的話，期末很難及格。師生共同努力的結果，就是教學質量的提高，學生動手能力的增強。

構建“單片機原理及應用”課程實踐教學體系后，學生對單片機的學習熱情和鉆研精神得到激發，動手能力大大提高。學生利用單片機設計各種電子系統，參加省級、校級競賽，取得很好的成績。最近5屆的“挑戰杯”廣東大學生課外學術科技作品競賽，電子信息工程學院學生獲得7個省二等獎，4個省三等獎；在2011年全國大學生電子設計競賽中，電子信息工程學院學生獲得1個國家二等獎，1個廣東省一等獎，1個廣東省三等獎。近兩年都有畢業生被知名單片機企業——周立功單片機公司錄用。

單片機的品種繁多，開發工具各不相同，在有限的教學時間內，不可能讓學生掌握所有的單片機知識。建設實踐教學體系是繁雜的工程，要符合由簡單到復雜的認知規律；要切記防止浮躁，也要教導我們的學生防止浮躁。我們能夠做到的僅僅是利用現有條件創造一個平臺，引領學生入門，指出一個大致正確的前進方向。

（注：本論文受到嘉應學院自動化校級特色專業建設項目資助）

參考文獻：

[1]夏玲.高職教學團隊建設中不同層級的作用探討[J].教

育前沿：理論版，2009，（9）.

[2]林立，張俊亮，曹旭東等.單片機原理及應用——基于

Proteus和Keil C[M].北京：電子工業出版社，2009：1.

[3]李曉林，牛昱光，閻高偉.單片機原理與接口技術[M].北

京：電子工業出版社，2011：1.

[4]朱向慶.“單片機原理及應用”教學改革探索[J]，高教論

壇，2009，(5).

[5]邵貝貝.試論將μC/OS-II用于單片機教學[J].單片機

與嵌入式系統應用，2004，(3).

[6]張春晶，孫立宏.單片機教學方法的改革與研究[A]

第6屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業教學改

革研討會論文集（上冊），2009：563-565.