結合學科競賽進行單片機課程改革

吳定會， 張秀麗

（1.江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122；2.無錫職業技術學院 信息化中心，江蘇 無錫 214121）

隨著物聯網時代的到來，國內外各大IT公司紛紛投入巨資加快嵌入式產品的研發，由此導致了單片機人才的需求猛增。學校的單片機課程具有入門簡單、靈活多變、綜合性強等優點，在學生就業和職業生涯發展中起到了不可忽視的作用。

全國大學生飛思卡爾杯智能車競賽是以智能汽車為研究對象的創意性科技競賽，是面向全國大學生的一種具有探索性工程的實踐活動［1］。飛思卡爾智能車競賽極大地促進了高校自動化類課程的建設。在該項競賽的引導下，江南大學自動化專業不斷優化培養計劃，引進新技術，進行專業課程教學改革。飛思卡爾智能車競賽牽涉到控制、數據采集和信號的處理，在實際制作時牽涉單片機的知識，學生只有在熟練掌握單片機應用的基礎上，才能完整地制作出軟硬一體的智能車，綜合應用所學的電子知識。結合智能車競賽的單片機教程，在我院的教改中成效顯著，對學生綜合實踐能力的提升起到了關鍵的作用。

1 現有單片機課程教學模式分析

1.1 理論課時多且重復率高

目前大部分高校的單片機教學模式是先原理后設計、先理論后實驗。在教室進行理論教學，在實驗室進行實驗教學，在不同時間、不同空間完成各自的教學內容，且課堂教學占主導地位［2］。這種模式將理論教學和實驗教學隔離，致使抽象的知識不能及時消化吸收，影響學生的學習興趣和信心。自動化專業單片機系統課程群主要有微機原理與接口技術（40學時）、單片機原理及應用（48學時）、DSP原理及應用（40學時）、嵌入式系統原理及應用（40學時），課程零散，無系統性，教學中未能發揮各課程間的協調優勢。這個課程群中理論學時占比重過大，課程重復率高，微機原理與接口技術對8086的內部結構做了詳細介紹，并講授了匯編語言；嵌入式原理及應用也是講解單片機的結構以及基于51的匯編語言；同樣的DSP和嵌入式系統也是講解各自微處理器的原理和匯編語言，這樣重復的講解硬件結構及匯編指令，內容相似，學生聽課興趣降低，授課效果差。

1.2 缺乏偏硬件的實踐環節

學校由于實驗室設備不完善、師資有限等原因，在實踐教學中往往只是簡單進行軟件編程訓練，而對于硬件設計訓練則偏少，甚至沒有。在單片機教學中，往往是講了指令系統后，才安排實驗內容。但是實驗室基本上都是采用實驗箱，實驗箱上已經把各個典型的模塊固化，學生實踐的時候只需要連上導線，按照說明書上的步驟，就可以寫程序、編譯、下載和觀察結果。學生雖然對整個流程很熟悉，但是卻缺乏對實驗原理的思考。這種現象的本質是實驗箱硬件部分固定、程序固定，學生相互之間抄襲嚴重，以至于一個學期的課程結束后，大部分人還是沒有掌握單片機的原理。

1.3 實驗內容單一與社會需求脫節

現在單片機課程所配備的實驗器材均是多年沒有更新，而且學生只能按照實驗指導書所給定的步驟一步步驗證，沒有自主發揮的空間。這使得學生所學與工業界所需越來越遠?，F在社會所需是物聯網技術，作為物聯網技術的第一實踐方向，就是要實現各類傳感器設備的互聯互通，形成智能化功能的網絡?，F在的實驗還停留在流水燈、數碼管、液晶屏等等，完全沒有體現出機電一體化和工業信息化的趨勢，沒有緊跟時代潮流。

對于單片機這門比較抽象和實踐性很強的課程來說，若不能在講授理論課的同時開展實驗，并馬上把抽象的理論與實際聯系起來，就難以激發學生的學習興趣。

1.4 課程考核內容單一

在考核形式上，只進行筆試，考核書本上的理論知識，學生也只是死記硬背，沒有達到掌握嵌入式課程的學習目的［3］。對于學生應該結合課程學習、專業特點、時間安排和興趣愛好提出實驗設計題目、設計方案或設計構想，并在一個較寬松的實驗環境和靈活的選擇時間內完成。出于課時緊張的原因，教師也沒有積極鼓勵學生大膽提出自己的實驗思路和構思，降低平時成績的占比，單片機課程的最終成績大部分來自最后筆試成績。因此學生更不愿把時間放在實踐環節，導致惡性循環。

2 采用競教結合模式的課程改革方案

2.1 優化課程群體系，整合課程群教學內容

微型計算機原理及應用、單片機原理及應用、DSP原理及應用、數字信號處理、嵌入式系統原理及應用這幾門課程需要進行梳理，整合各課程的教學大綱和教學任務，建成以“單片機系統”校級精品課程為主線、構建統一課程多媒體課件和網站、實現課程群有機結合的單片機系統教學平臺。主要思路如圖1所示：

圖1 改進后的課程教學模式

單片機計算機技術的應用按照所使用處理器的不同可分為：單片機微處理器系統、嵌入式微控制器系統、嵌入式DSP處理器系統、嵌入式片上系統，因此單片機系統課程群即以核心部件技術為中心，以MCU、EDA、DSP、MPU等單片機相關技術的掌握和應用為目標，最后圍繞單片機課程群及計算機科學與技術專業的課程體系中所設置的許多專業基礎課，建立一個單片機方向的課程體系。

2.2 建立“以競促教、競教結合”的教學平臺

飛思卡爾杯智能車競賽是以競速為基本的競賽形式，輔助以創意賽和技術方案賽等多種形式，最終制作一部能夠自主識別道路的模型汽車，按照指定路線行進，并符合預先公布的其他規則，以完成時間最短者為優勝。智能車競賽包括理論設計、實際制作、整車調試、現場比賽等環節、要求學生組成團隊、協同工作，能夠初步體會一個工程性的研究開發項目及設計到實現的全過程。這個競賽融合科學性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋了自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科專業的創意性比賽。

學校將學科競賽納入實踐課程體系之中，學生自愿報名參加，學生完成規定的任務后可獲得相應的學分［4］。首先，智能車競賽只提供基本的車模，所有硬件電路都需要自己制作完成，學生為了能參加比賽，必須設計自己的原理圖，并針對自己的硬件設計對應的嵌入式軟件。由于不同組別機械完全不一樣，學生相互之間沒有任何參考，所有過程必須獨立完成。競賽的苛刻條件大大提高了學生的動手能力，提高了課程的完整性，使學生能夠真正掌握嵌入式技術。智能車競賽是一項綜合性很強的競賽，涉及的專業知識面很寬，需要三個參賽人員共同配合，每個人對自己的職責負責，同時又要協助隊友完成整個系統的任務，提高小車的性能和車速。這培養了學生之間的團隊配合能力，使其在就業之后能夠很快融入企業的開發團隊。最后，學校應鼓勵學生參加以飛思卡爾智能車競賽為代表的學科競賽，對獲獎的學生給予優秀畢業生和免試研究生的資格，從制度上吸引學生參與到單片機課程學習中，而不是簡單地應付考試。

2.3 考試模式改革

在考核方法上應該改變傳統應試教育的方式，采取筆試和實驗相結合的辦法，對未完成實驗的學生不允許參加考試。為了提高學生的動手實踐能力，應該大幅提高平時成績和實驗成績的占比，學生筆試占總成績的40%，實驗室成績占總成績的40%，平時成績占總成績的20%。對于實驗能力的考核要更加靈活，更加人性化，學生必須三人一個團隊自由組隊，根據自己的興趣選擇相應的課題。每個課題有若干個相應的考核點，比如altium designer軟件使用的熟練程度，原理圖繪制的標準，PCB制版是否考慮電磁兼容，布局是否合理，所編寫的單片機程序是否達到了基本功能。每個課題均不一樣，防止學生偷懶出現相互之間抄襲的情況，參與學生只要成功實現基本功能就能獲得不錯的成績，獲得相應的學分。

2.4 結合工程教育模式推動校企合作的教學方式

工程教育最早由美國麻省理工、瑞典皇家工學院等四所大學提出并實施，其核心是以產品生命周期上的四個環節——構思、設計、實施和運行代表四個教育和實踐環節，將學生培養成工程人才，而培養工程人才的定位最終要落實到培養過程之中，為此要做好實踐教學、能力培養、產學合作、創新教育和特色發展五個方面的工作。

為了確保學生所學能夠跟上社會潮流所需，需要成立校企合作技術研究小組。根據單片機系統設計內容廣泛、課時少、工程性強的特點，理論教學采用對基本理論、知識點進行精講，對大信息量采用講座式多媒體教學方法，讓企業參與學生技術研究小組，企業可以為學校競賽提供開發平臺，為學生提供實習機會，而學?？梢詾槠髽I輸送單片機系統方面的人才。在課程考核的實踐環節，由企業給出課題，讓學生所經歷的項目真正是企業所需。

3 結語

在飛思卡爾競賽的推動作用下，各種教改方法在單片機課程中靈活運用，極為有效地提高了教學效果。改進的教學模式適當地減少了理論課時數，重復的課程得以減少，大大提高了實踐動手環節。從對兩屆學生的教學效果來看，學生的動手能力得到了大幅的提高，競教結合的方式讓我校學生在飛思卡爾智能車競賽、全國大學生機器人競賽及大學生電子設計大賽等競賽中屢獲佳績，獲獎率逐年提高。學生通過新的課程開闊了視野，改進是合理、成功的，符合新時期培養工程人才的需求。

［1］張曉冬，蘇玉玲，李繼光，等.以智能車競賽為依托提高學生實踐創新能力探索［J］.職業教育研究，2014（1）：125-127.

［2］吳愛萍，盛黨紅.應用型本科院校單片機原理與應用課程教改探索［J］.中國現代教育裝備，2010（11）：69-70.

［3］譚明.高校綜合性設計性實驗的研究［J］.湖南科技學院學報，2010，31（12）：140-141.

［4］張小崗，秦玉軍.研究性實驗教學項目創設及實踐［J］.實驗室科學，2011，14（1）：37-39.