卓越工程師培養目標下的單片機教學改革探討

崔勇?袁海文?王秋生?劉穎異

摘要：單片機課程具有緊密聯系實際、內容豐富等特點，針對該課程教學中存在的實際問題，提出了基于卓越工程師培養目標下的教學改革的具體方法。通過建立完整的課程知識體系和實踐體系，側重培養學生的創新思維能力和工程實踐能力。提出的教學方法適合于單片機專業課程的教學實踐。

關鍵詞：單片機；教學方法；卓越工程師

作者簡介：崔勇（1982-），男，河南漯河人，北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，實驗師；袁海文（1968-），男，陜西扶風人，北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，教授。（北京 100191）

基金項目：本文系2011年北京航空航天大學教學改革項目“‘單片機原理及應用課程探索和實踐”（項目編號：400379）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0080-02

隨著半導體技術、計算機技術的進步，單片機作為一種傳統的嵌入式微控制器也在不斷地向前發展。單片機技術目前已被廣泛應用于工業控制、檢測技術、儀器儀表、智能交通、電力電子、家用電器等各個領域。[1-3]目前，高等學校自動化、電子、通信、計算機等專業也都開設了單片機類課程，同時對單片機的教學研究也日益深入，涉及教學方法、教學內容、實驗研究等諸多領域。[4-8]

2010年，教育部基于國務院《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2010年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的相關內容，提出了卓越工程師培養計劃。該計劃的主要目標是：面向工業界、面向未來、面向世界，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為建設創新型國家、實現工業化和現代化奠定堅實的人力資源基礎，增強我國的核心競爭力和綜合國力。[9]該目標要求未來的工程師能夠同時兼備工程創新和工程實踐能力。基于北京航空航天大學航空航天特色及研究型大學的定位，以及授課教師在工程技術方面的豐厚經驗，在卓越工程師培養計劃中，更側重于培養工程研究型、工程創新型的高端拔尖人才和“兩領人才”（領軍人才和領導人才）。“單片機原理及應用”課程的改革正是圍繞創新思維和工程實踐兩大能力的培養和提高而開展，從而培養出學術研究型的工程科學家、研發人員和設計工程師。本教學改革針對“單片機原理及應用”課程的具體特點和存在的實際問題，以培養具有創新拔尖人才的卓越工程師為目標，對“單片機原理及應用”課程的改革進行了初步探索。

一、“單片機原理及應用”課程的特點及現狀

“單片機原理及應用”課程具有如下特點：實踐性強，“單片機原理及應用”課程本身對學生的理論基礎要求不是很高，它側重于具體技術在工程中的應用；技術更新快，單片機誕生至今已經有幾十年的歷史了，在當今這個信息飛速發展的社會中，單片機技術也不是一成不變的。單片機的性能不斷提高、功能不斷加強、類型更加多樣；入門較難，“單片機原理及應用”課程以“模擬技術”、“數字電子技術”、“電路基礎”、“微機原理”、“計算機編程語言”等作為先修課程并且與它們聯系緊密，是綜合性較強的課程，這給學生的入門帶來了一定的困難。

“單片機原理及應用”課程在本校自動化科學與電氣工程學院已經開設了二十幾年，目前，該課程存在如下問題：教材內容滯后，以往采用的教材大都是基于傳統的8051單片機進行編寫的，課程的教學安排也是按照教材內容講述，而單片機技術的發展卻是日新月異，如何解決教材陳舊與單片機技術迅速發展的矛盾，是“單片機原理及應用”教學改革中需要重點解決的；教學方式陳舊，傳統的教學方式以教師講授為主、學生上課認真聽課，課下配以一定學時的實驗，這樣的教學方式使得教師與學生的互動性較差，難以激發學生的學習興趣；考核方式單一，傳統的考核方式還是以期末閉卷考試為主，這樣會造成學生的被動記憶，難以調動學生學習的積極性，合理的考核方式改革迫在眉睫。

二、“單片機原理及應用”課程改革的內容

結合卓越工程師培養計劃，“單片機原理及應用”課程的改革以培養工程能力強和具有創新思維能力的人才為目標，注重理論知識在實踐中的應用，體現對科學研究能力的培養。

1.“單片機原理及應用”課程理論教學的改革

教師在“單片機原理及應用”的理論教學過程中，不僅應該讓學生掌握基本的理論基礎知識，更應該注意引導學生發現問題、解決問題，還需要培養學生創新性解決問題的能力。為了實現這一目標，本校在確保完成教學大綱要求的內容基礎上，對“單片機原理及應用”課程的結構進行了調整，同時對傳統的課程教學方式和考核方式進行了改變。

（1）課程內容的調整。傳統的單片機功能單一、處理速度較低、存儲空間少，因而需要利用單片機的“三總線”（數據總線、地址總線和控制總線）架構進行功能的擴展。隨著半導體技術的發展，在相同封裝甚至更小封裝的單片機芯片上集成了更多功能模塊，使得單片機的處理速度和存儲能力已經今非昔比，進而造成基于“三總線”架構進行并行擴展的應用逐步減少，所以教師在課堂講授中只對并行擴展進行簡單介紹，使學生達到了解的程度即可，同時增加并著重介紹基于SPI總線、I2C總線等串行擴展介紹。另外，由于現代單片機處理速度的提高、存儲空間的增加、開發環境編譯器性能的提升，匯編語言在單片機的開發中已經不再占有主導地位，取而代之的是大量的基于C語言的單片機程序。因此在教學中只讓學生了解匯編語言的優缺點、熟悉基本的指令格式、能夠進行簡單的編程，同時掌握匯編與C語言的混合編程方法即可。在單片機編程語言的講授中，重點介紹嵌入式C語言與基于PC機的C語言的異同點。此外，對一些已經不具有實用價值的芯片，如D/A芯片-DAC0832，A/D芯片-AD0809等，在課堂上不做介紹，而講授一些較為常用的外部接口芯片，如基于“1-wire”總線的DS18B20溫度傳感器，基于串行接口擴展的A＼D、D/A、鍵盤控制、顯示控制以及存儲芯片。最后，在教學內容上增加了對Proteus軟件的介紹，該軟件能夠在計算機上模擬單片機的運行，方便學生在課下進行自學以鞏固課堂內容。課程內容的調整能夠拓寬學生的知識面，真正實現知識性、實用性、新穎性、靈活性的有效統一。

（2）課程教學方式的變革。傳統的教學方式多為填鴨式教學，該方式以教師講授知識為主導，學生只是聽課和記筆記。這種方式不能充分調動學生的學習積極性，也不能引導學生做出創新性思考。而現代教學較為推崇“研究型”教學，在教學環節中增加更多的互動環節，積極引導學生對所學內容進行深入挖掘，強調學生的自主學習能力，培養學生的科學探索能力，但是不能完全否定“傳統型”教學方式。“傳統型”教學方式非常重視基礎知識的講授，能夠給學生打下堅實的課程認知基礎，所以教師應在“單片機應用及原理”課程的授課中將“研究型”與“傳統型”教學方式合理地結合，既側重基礎知識的講授，也要引導學生積極思考、勤于實踐。這樣既避免了學生只會考試不會實踐的缺點，同時也為學生的工程實踐活動打下堅實的理論基礎。

（3）考核方式的變化。改閉卷考試為開卷考試、并增加開放性題目的設置，深入考查學生對知識的靈活應用程度而不是考查學生對知識的記憶能力；引入多重評價體系避免單一評價指標對學生的限制。改革后的課程考核結合開卷考試、實驗考核以及開放性自選作業考核三種考核方式。改閉卷考試為開卷考試是因為“單片機原理及應用”課程是一門應用性大于理論性的課程，它側重于學生對單片機這門工具的掌握并能將其應用到實踐中的程度，而不強調學生對知識點的記憶，開卷考試更能夠考查出學生對知識的靈活掌握能力。同時，借助實驗環節的考核，來加強學生的動手實踐能力。最后在平時布置一些開放性自選作業，讓學生選擇自己感興趣的內容進行深入學習，這些開放式的作業大都是讓同學借助Proteus仿真軟件來實現一些小的功能。仿真軟件的使用讓學生不再受限于有限的實驗課時和實驗器材，使其能夠更加多方面、靈活、深入地學習單片機知識。

2.“單片機原理及應用”課程實踐教學的改革

工程實踐能力的培養一方面要求學生能將課堂所學知識轉換為實踐動手能力，另一方面還要讓學生具有初步的實際工程開發意識和能力。所以在實踐教學過程中，實驗環節和科技競賽環節可以培養基礎實踐能力，而科研進課堂能夠進一步提高工程實踐能力。

（1）合理配置實驗內容。實驗環節對大多數學生而言仍是將課堂知識轉化為實踐能力的重要環節。在保證實驗學時的基礎上，通過提高綜合性設計實驗在實驗環節中的比例，來培養學生綜合解決問題能力，同時通過一定的基礎性實驗，學生較快地熟悉單片機的開發流程和基礎結構。另外，教師可以將實驗指導書提前發給學生，讓學生通過Proteus仿真軟件提前在自己的計算機中搭建出實驗指導書中的單片機硬件系統，然后根據實驗指導書的內容進行編程，并進行仿真調試。調試通過后學生再在實驗室的真實硬件平臺上進行驗證。這樣做一方面可以使學生掌握仿真軟件的使用，另一方面可以節省出大量的實驗時間，從而在有限的實驗學時內安排更多的實驗內容，讓學生進一步加深對單片機的理解。

（2）推進科研成果進課堂。“單片機原理及應用”作為一門應用性、實踐性極強的課程，需要授課教師有較為豐富的工程經驗，并能夠將這些經驗以及科研成果引入到“單片機原理及應用”課堂上。這樣一方面可以提高學生對課程學習的興趣；另一方面，可以使學生知道單片機用到哪里、為什么用、如何用、怎么更好地用。同時，在授課中可以以單片機為核心，引導學生建立初步的工程實踐意識，掌握初步的工程研究和工程創新方法。

（3）引入最新技術。目前，越來越多的公司每隔固定時間都會舉行一些產品研討會。在研討會上都會結合自己公司的單片機產品來介紹一些實際的工業界使用案例，同時也會介紹單片機產品的最新發展方向和最新產品。因此，教師收集一些單片機相關研討會的信息，并根據授課進度以及學生對單片機的掌握程度挑選一些合適的研討會，鼓勵學生積極參加。從反饋的情況來看，學生對參加此類研討會有著非常濃厚的興趣，他們不僅可以學習到單片機的具體應用，也可以通過跟現場的設計工程師進行交流，進一步加深對單片機在工業界使用情況的認識，促使他們有更大的興趣和動力在課堂上學習單片機，從而形成一個積極的良性循環。

（4）鼓勵參加科技競賽。目前，國家以及各個高校各自都在舉辦一些學生科技競賽，期望通過這些競賽調動學生的學習積極性，同時實現理論學習到實踐能力的轉化。單片機作為一種通用的微型控制器在工業、農業、航空航天、軍事等各個行業都能夠得到應用，因此單片機非常適合學生參加科技競賽。在教學過程中，引導并鼓勵學生發揮自己的創新性思維，結合所學知識積極參加相關的科技競賽，通過競賽達到學有所用、學有所獲的目的。

三、教學改革的效果

采取上述措施后，經過兩年的教學實踐，學生普遍反映對“單片機原理及應用”的學習有了更大的興趣，能夠更好地掌握并應用所學的知識，同時通過眾多的實踐性教學環節，學生非常容易將課堂知識進行轉換。另外有多名學生利用所學的單片機知識參加了全國電子設計大賽、機器人大賽、校級SRTP項目、校級“馮如杯”科技競賽等，并在這些大賽中獲得了較好的名次。

四、結論

隨著單片機技術的迅速發展，“單片機原理及應用”課程的教學改革也勢在必行。針對目前“單片機原理及應用”教學中存在的問題，結合本校研究型大學的定位，以培養卓越工程師為目標對“單片機原理及應用”教學改革內容進行了詳細地闡述。通過具體的改革方法加強了學生創新思維能力的培養和工程實踐能力的訓練。本教學研究工作經受了實踐的考驗，贏得了相關教師和學生的一致認可。本論文受到北京航空航天大學教改項目的支持，特此表示感謝。

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（責任編輯：宋秀麗）