單片機原理及應用的立體教學模式探討

馬繼偉，馬玉泉，倫翠芬，藺志鵬

(河北科技師范學院機電工程學院，河北秦皇島，066600)

“單片機原理及應用”是一門理論性和實踐性很強的課程，是計算機、自動化、通訊工程、機電一體化等多個專業的專業基礎課。作為嵌入式系統的入門課程，高校教學均采用MSC-51單片機作為教學機型，利用匯編語言編程組織教學［1］。在教學過程中學生普遍反映單片機難學難懂，教學效果和教學質量難以達到預期目標。經過實踐教學環節的訓練，仍有很大一部分同學感覺對單片機應用系統的開發無從下手。如何利用有限的課堂學習，充分激發、調動同學的學習熱情和興趣，在較短的時間內對系統有一個完整認識，為嵌入式系統的學習和開發打下堅實基礎，是單片機原理及應用教學亟待解決的問題。

1 單片機原理及應用在教學中存在的問題

單片機原理課程及應用在教學中存在許多問題:(1)安排設置欠合理，各個教學環節太分散，相當一部分院校將單片機理論教學安排在第5學期，課程設計安排在第5或第6學期，實習安排在第7學期。課程開設時間太滯后，教學環節太分散，不利于學生深入應用實踐，沒有足夠時間進行單片機應用系統開發的深入學習。(2)前續課程實驗教學環節薄弱，學生基礎電路應用設計，典型器件使用不熟練，增加了單片機理論教學的難度。(3)單片機實驗課學時相對較少，且僅僅開設一些驗證性實驗。驗證性實驗不能提高學生對單片機課的學習興趣，不利于學生綜合應用能力的培養和啟迪學生的創新思維。(4)實驗設備和手段的更新太緩慢，缺乏對新器件、新電路應用的認識，密切聯系工程實際應用的教學實訓難以開展。(5)實驗設備的開發能力較弱，關于硬件設計和軟件開發的訓練環節難以組織，學生僅能做一些簡單的硬件連線和軟件編程，對單片機在工程中的應用一知半解。(6)單片機課程設計上網查閱資料抄襲現象嚴重，進行課程實習時，好多同學已經忘記了前面的理論知識，且忙于考研和就業，難以全身心地投入。針對諸多實際問題，如何扭轉單片機原理及應用教學效果不佳、學生學習興趣不大、工程實訓投入不足、學生創新能力不足的現狀，培養市場急需的專業技術人才，成為亟待解決的問題。

2 單片機原理及應用教學改革思路和對策

單片機原理及應用課程組緊跟微控制器的市場發展趨勢，依據“寬口徑、厚基礎、重能力、求創新”的教育思想，樹立先進的現代教育理念，積極改進教學內容和教學手段，整合單片機原理及應用最小課程體系，積極改革傳統教學的諸多弊端。自行研發新型實踐教學開發系統，充分利用現代化的教學方法和手段，結合工程實際，在強調培養學生的“就業競爭能力”的同時，也強調“發展后勁”，逐步形成了理論教學、實驗教學、課程設計、專業實習、畢業設計“五位一體”的立體教學模式［2］。

2．1 明確培養目標，優化課程設置

為實現應用型工科專業培養“應用型”高級工程技術人才和管理人才目標，以單片機課程教學為核心，整合單片機最小系統課程，合理安排各門課程的計劃學時、開設時間及順序。針對單片機理論實踐并重的課程特點，對相關課程教學的最小系統課程及開設時間做出調整，《C語言程序設計》作為軟件編程基礎課程在第1學期開設，在學習了《電路》、《模擬電子技術》的基礎上，爭取在第3學期開設《數字電路基礎》作為單片機課程開設的硬件基礎，《單片機原理及應用》在第3學期開課，為增加學習應用高端單片機的后續熱情，在第4學期開設《數據結構》、《操作系統》。其中，《單片機原理及應用》在理論教學環節安排不少于20%學時的實驗課程，其課程設計與課程實習教學環節要在第5學期前完成。按照“知行合一”的教育理念，注重學生的基本工程素質、專業基礎實驗技能和科技創新能力的培養［3］，各個教學環節必須緊緊圍繞實踐項目，緊跟電子市場發展，結合工程實際，形成以提高實踐能力為核心、工程訓練為基礎、創新能力培養為重點的分層次、系統化、開放式的實踐教學體系，調動學生的自主學習熱情，提高教學效果。

2．2 理論教學扎實，實現理論與實踐的對接

隨著電子技術的飛速發展，單片機技術發展很快，但是其基本原理、基礎知識是相對穩定的，只要把基礎知識學好，就可以為今后的發展奠定良好的專業基礎。理論教學充分利用項目教學法，現代教學手段，采用匯編語言和C51相結合的模式，使學生對單片機的硬件組成及工作原理和應用系統有一個完整清晰的認識和掌握。利用流行的調試和仿真軟件進行課堂現場教學，提高教與學的形象性和直觀性［4］。整個教學過程中既要發揮教師的主導作用又要體現學生的主體作用，使課堂教學的質量和效率得到大幅度的提高。在教學過程適時引入一些新器件的發展和應用介紹，激發學生的學習興趣和求知欲望，通過解決學生身邊的一些實際問題，激發他們的求知欲、學習的積極性和主動性，提高動手能力、解決實際問題能力，實現理論與實踐的對接。

2．3 更新實驗設備，實現實驗項目與工程實際的對接

目前8位機產品極其豐富，速度越來越快，功能越來越強大，價格越來越低。遵循實驗設備更利于模塊化學習、使用費用最低、配套設備最少、緊跟器件市場發展幾大原則，課程組教師自行研制開發功能全面、軟硬件具備高度靈活性的實踐教學系統，及時更新實驗開發系統，改善實踐教學條件。河北科技師范學院最新版的教學系統以具有硬件仿真功能的STC15F2K60S2為核心，各功能模塊電路獨立制版，引出關鍵引腳，使不同學習層次的學生能夠針對自己的實際情況有目的地選擇相關實驗項目，靈活地實現硬件和軟件設計。遵循以應用為導向的教學指導思想，以工程應用實例和系統開發實例為導向，倡導實驗教學為主，課堂教學為輔的教學指導思想［5］。實驗教學內容充分包含了基礎驗證性試驗和足夠數量的設計創新性項目，構建全方位的立體實驗結構，使學生受到更為實際、全面的科學訓練。引導學生從已熟知的內容入手，設計一系列由淺入深，由易到難的實驗項目，使學生能夠獨立完成一個工程項目。實現實驗項目與工程實際的對接［6］。

2．4 注重課程設計環節，為后續的實習環節打好基礎

單片機原理及應用課程設計是理論教學后的一個重要實踐教學環節。在理論課堂教學的同時布置課程設計任務，學生主動針對感興趣的課題或項目搜集資料，加強各個學習環節的關聯，提高整體教學效果［7］。課程設計不僅僅檢查學生前期相關課程的學習掌握情況，也為后續的專業實習和畢業設計做一次綜合訓練和準備。在電路設計、電路圖的繪制、軟件的編程設計諸方面進行一次全面的綜合訓練，提高學生的開發創新能力。為了實現這一環節的教學目標，筆者遵循“因材施教”的原則，根據學生興趣和前期專業基礎不同，有選擇的進行題目篩選，對于專業基礎突出的學生，要求他們焊接電路板或實現系統硬件仿真;對于基礎不太好的學生，要求他們必須繪制出完整的系統原理圖，完成軟件程序框圖的繪制并編寫部分典型程序。答辯環節要求學生詳細講解系統組成及基本工作原理，教師對一些關鍵技術和參數質疑，在文案撰寫、口頭表述這些方面做一次正規訓練，為專業實習和畢業設計奠定一個堅實的基礎。

2．5 注重實習教學，促進專業知識體系的形成

基于新型實踐教學系統調整實習內容，修訂實習大綱和實習指導書。培養學生面向任務的設計思想，根據系統功能需要選擇合適的芯片實現相應的功能。在熟練電路原理圖PCB板圖的設計、電路的焊接、單片機軟硬件的綜合調試等技術方面，進一步激發對單片機智能性的探索精神，提高學生的綜合素質，培養學生應用單片機實現測控系統的設計、開發與調試的能力及團隊協作精神，達到最大限度地掌握單片機的應用技術，培養專業綜合實踐能力。

2．6 加大實驗室開放力度，激發學生的科研熱情

充分利用第二課堂，培養學生的責任感、團結協作精神、競爭意識等創新品質，提高其創新實踐能力。按照“學科競賽與學術活動相結合、科技創新和科研實踐相結合、成果轉化與育人成才相結合”的原則，營造有利于學生創新的教育環境，依托實驗室、大學生科協等社團組織吸引學習興趣濃厚的低年級優秀學生參加各級各類電子大賽，選拔一批對單片機已產生濃厚興趣的同學加以培訓，吸納在此方面表現突出的學生參加實際科研課題的研制工作，實現以點帶面，最終實現整體教學效果的提高。通過參加比賽開拓學生視野的同時，檢驗教學效果，及時對日常教學內容和教學方法做出調整和改革［8］。使得整個教學體系更加完整和科學。

3 結 論

實踐證明，將仿真軟件引入課堂和實驗室，不斷自制教學實踐開發系統，調整教學內容，積極參與電子大賽等教改措施，能使各個教學環節緊密銜接，逐步形成了符合單片機原理及應用課程特點的“五位一體”立體教學體系。該教學體系的部分環節在河北科技師范學院進行了試點教學，取得了較好的效果。在教學教改過程中，課程組全體老師都已經充分認識到只有針對電子技術的新發展、學生學習的新動態不斷優化改進教學模式，才能培養出得到用人單位和社會認可的優秀畢業生。

［1］陳小崗．關于改進“單片機原理與應用”課程教學方法的探討［J］．科技信息，2013(11):178-179．

［2］朱建光，鄭浩，劉本偉．單片機原理與接口技術教學改革與實踐［J］．武漢大學學報:理學版，2012，58(S2):188-189．

［3］張震宇，周克寧，鄭玉珍，等．借鑒德國課程教學模式，提升學生專業能力——以單片機原理及應用課程為例［J］．浙江科技學院學報，2013，25(1):67-71．

［4］趙念強，鮑可進．單片機原理及應用教學改革實踐［J］．教改縱橫，2008(24):23-24．

［5］何致遠，鄭玉珍．卓越“現場電氣工程師”培養的思考與探索［J］．中國大學教育，2011(3):23-25．

［6］史英侃．單片機實驗教學三部曲［J］．實驗室研究與探索，2009，28(5):57-59，89．

［7］葛浩，林其斌．單片機課程設計教學［J］．改革與實踐實驗室技術與管理，2011，28(10):138-140．

［8］吳鳴，熊光晶．以工程能力培養為導向的工程教育改革研究［J］．理工高教研究，2010，29(3):54-59．