探索單片機課程教學改革 提高學生實踐及創新能力

郭 棟 白 銳 藍和慧 陳曉英遼寧工業大學電氣工程學院 遼寧錦州 121001

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探索單片機課程教學改革 提高學生實踐及創新能力

郭 棟 白 銳 藍和慧 陳曉英
遼寧工業大學電氣工程學院 遼寧錦州 121001

摘 要：針對單片機課程改革的必要性及目前單片機教學存在的問題，從仿真教學手段與教學演示平臺相結合、改變實驗手段、增加技能考核手段、組建興趣小組4個主要方面著手，進行單片機課程教學改革探索。通過近兩年教學改革的實施，取得了良好的教學效果，激發了學生的學習興趣，培養了學生的動手實踐能力和創新能力。

關鍵詞：單片機；實踐能力；創新能力；教學改革

隨著電子、計算機技術的高速發展，單片機技術已成為電子技術領域中一個亮點，極大地推動了自動化技術的快速發展和應用[1]。近年來，云計算、大數據、歐洲工業4.0、我國工業2.5、賽博作戰(美)、IoT(Internet of Things)、智慧家庭、智慧城市、智慧交通系統等廣為傳播，但其中核心何在？我們如何努力介入？王越院士在2015年全國大學生電子設計競賽總結報告指出：大學生培養工作的高質量發展是中華復興的重要子項，必須加強學生專業基礎，結合實踐促進創新實踐。單片機課程作為工科院校教學中重要的基礎課程，是培養學生實踐能力和創新能力的重中之重。但在單片機課程教學過程中，存在著教師難教、生難學、學生動手實踐能力差的現象，盡管部分學生在考試中取得了不錯的成績，可走上工作崗位后仍然無法獨立進行單片機系統設計，創新設計更是無從談起。因此進行單片機課程教學改革，探索有效的教學手段及方法以提高學生實踐創新能力是很有必要的，符合創新人才培養目標以及提高大學生創新實踐能力的主旨思想，具有積極的意義。

1 單片機課程教學改革的必要性

1.1 單片機課程的特點[2,3]

(1)單片機課程內容豐富，涵蓋了硬件資源、軟件編程以及應用設計三大部分，三者之間內容跨度大，但又相互滲透、緊密聯系，這就要求在有限的學時及資源下透徹講解三者之間的關系。

(2)單片機課程應用性及實踐性非常強，不但與后續的專業課程、課程設計、畢業設計聯系非常緊密，而且是學生動手實踐和創新活動的基礎，這就要求單片機課程應與實踐教學相結合。

(3)單片機課程的很多教材內容與工程實踐的要求相比相距甚遠，這就要求教師在單片機課堂教學中將書本教學內容與工程實踐結合起來。

1.2 目前教學存在的問題

(1)特別注重理論知識的學習，忽略了動手實踐及技能的培養，而現在的企業更注重畢業生在系統設計和C語言編程方面的動手實踐能力。

(2)現有的教學模式是以學生通過考試為目的，忽略了工程設計方面的訓練。

(3)教學方法墨守成規，缺乏生動、直觀的教學手段。

(4)教學內容編排缺乏靈活性，即按照硬件結構、指令系統、匯編語言設計、外部系統擴展、接口技術和應用系統設計的思路教學，雖然思路清晰，但過于機械，缺少與實踐相聯系[1]。

(5)實驗中往往是學生根據實驗指導書上預先設計好的實驗項目和要求在實驗箱上做簡單的連線，學生頭腦中沒有一個整體原理圖的概念，而且大多數學生都是用實驗指導書上已經寫好的程序資料或照抄別人的程序，幾乎沒有多少學生分析程序的流程，更不用說去研究讀懂那些代碼了。實驗中學生過度追求實驗結果，而忽略了硬件設計、軟件調試等過程，嚴重影響了實驗的教學效果，使實驗教學近乎成為擺設，無法起到應有的作用[1]。

綜合以上因素，急需對單片機課程的教學進行改革。通過到用人單位調研以及借鑒同行經驗，提出從仿真與教學演示平臺相結合教學手段、改變實驗手段、增加技能考核手段、組建興趣小組4個方面著手進行單片機課程教學改革探索，激發學生學習興趣，掌握理論和實踐應用技能，培養學生的動手實踐能力和創新能力。

2 教學內容改革

2.1 仿真教學手段與教學演示平臺相結合

單片機是一門應用性極強的課程，不適合采用傳統的講授法進行教學，應與多媒體教學、演示手段相結合，使學生有直觀、清晰的印象，加深學生的理解。

在課堂上演示單片機的設計和調試幾乎不可能，更不用說演示單片機的內部工作機制以及工作時程序對單片機內部寄存器狀態的影響。而Proteus 仿真軟件是單片機課堂教學的先進助手，可以將單片機原理、工作過程以及實例功能這些抽象的概念、運行過程形象化、具體化，因此將Proteus仿真軟件引入到單片機課程教學中，結合Keil C調試編譯軟件，通過快捷、方便直觀且形象化的教學演示，同時硬件電路可根據教學內容隨時進行更改，也能隨時修改程序，即刻顯示仿真結果，幫助學生理解理論知識。例如，在講解匯編指令時，通過Proteus可以將單片機的存儲器、寄存器的內容展示在學生面前，指令的執行效果一目了然，有助于學生對指令的理解，同時也加深了對單片機內部資源的理解，為以后的設計打下基礎。同時利用Proteus軟件可以將書中前后知識點以及例題綜合起來形成復合例題，貫穿多個知識點，可以使學生對學到的知識加以形象直觀的理解并學會如何綜合利用，對于提高學生的理解有著極大的幫助。圖1是出租車計價器的Proteus仿真圖，可以將數碼管動態顯示、外部中斷2個知識點相結合，而且與生活中的應用相結合，不但使學生學到了知識，而且學會了如何設計系統。增強了學生感官認識，提高學生對授課內容的理解和學習的興趣，達到對單片機有深入透徹的了解，使學生會利用單片機來完成相應的任務要求。

圖1 出租車計價器的Proteus仿真圖

盡管Proteus仿真效果非常好，但是在某些情況下仿真效果與硬件實際效果存在著一定的差別，尤其是在學習硬件部分，出現這種情況時應以硬件開發板演示實際效果，不能一味使用仿真，脫離實際。因此在演示外部擴展設計(按鍵、數碼管、計數器應用等)時，采用仿真手段與教學演示平臺實物演示相結合的方式，使學生擺脫枯燥的學習過程，激發學生的濃厚興趣，從而達到愿意學、樂學的目的，讓學生深入地掌握相應的知識。

通過單片機仿真教學手段與教學演示平臺相結合，對比仿真與實物的效果，使結果更加具體化、形象化，充分體現了理論教學、仿真教學與實踐教學的有機結合，能夠充分調動學生的好奇心與求知欲，激發學生的自學及創造能力，從而提高單片機課程的教學效果及教學質量。通過仿真教學手段與教學演示平臺相結合教學方法的實施，已經充分體現了這種教學方式的優勢，對于提高學生的學習興趣具有積極的推動作用。

2.2 改變實驗手段

單片機是一門實踐性很強的課程，實驗教學尤為重要。為提高學生的動手實踐能力，應注重實驗方式的升華，實驗要符合大學生的實際情況以及就業需求，應注重能力培養，切實達到實踐能力培養的目的。

目前普遍采用的實驗模式是學生根據實驗指導書上預先設計好的實驗項目和要求在實驗箱上做簡單的連線，無法在學生頭腦中形成一個整體原理圖的概念[1]；而且實驗箱所采用和展示的設計技術已經脫離目前工程師所采用的實際開發技術，因此造成了學生無法對最新設計技術進行了解；同時由于學生過度追求實驗的結果，而忽略了硬件設計以及軟件調試過程，嚴重影響了實驗的效果[1]。因此利用自主開發的實驗平臺進行實驗，在該實驗平臺上有著目前實際工程師采用的最新系統設計技術，通過在此實驗板平臺上完成實驗，可以使學生熟悉在應用系統內調試程序，并且掌握調試方法，增強學生的動手實踐能力，為學生走上工作崗位順利進入角色奠定基礎。

但是在教學改革實施過程中發現，僅僅利用上實驗課程的時間完成實驗教學，其效果雖有所提高，但并不是特別顯著。因此設計開發了一款功能齊全的單片機學習實驗平臺(如圖2所示)，兼顧課堂教學演示和實驗教學，將課堂教學和實驗教學有機結合起來。在上課伊始就將學習實驗平臺的PCB電路板下發給每個學生，并配以必要的器件，既可以讓學生在課程的學習過程中進行課堂講授內容的驗證，又可以進行實驗的預習以及實驗的鞏固，大大提高了學生的動手實踐能力。

圖2 單片機學習實驗平臺

2.3 增加技能考核手段

目前普遍所采用的技能考核手段為在實驗箱上對做過的實驗內容進行變更，讓學生在規定的時間內完成編程設計，此方法不利于增強學生的實踐能力和創新能力的培養，因此增加技能考核手段，能夠增強學生的動手實踐能力。采取的措施是在課程考試前由學生選擇以下技能考核方式之一完成技能測試。

(1)學生在上課期間根據下發的單片機學習實驗平臺進行學習，期末教師根據學習實驗平臺上的資源出考核題目，學生在規定的時間內完成編程測試，根據情況評定成績。

(2)自己動手制作，根據教師給定的題目(課程前期下達)，在考試前完成相應設計制作，根據情況評定成績。

(3)在單片機仿真軟件Proteus中完成原理設計、編程以及調試，考試前獨立完成，根據情況評定成績。

同時將技能考核分數由原來的10分提高至30分，這樣通過增加技能考核手段能夠培養學生的自學能力、動手實踐能力和創新能力，有利于學生綜合運用所學知識。

(4)組建興趣小組

組建單片機課外興趣小組，帶動學生的學習積極性。課程伊始就把對單片機有濃厚興趣的學生組成課外興趣小組，定期進行培訓、答疑，組織他們進行課外活動，組裝和調試小制作，然后進一步利用Proteus 和Keil C軟件以及單片機學習實驗平臺讓他們自己設計開發項目，逐步引導完成學生自己的創新設計，以培養學生的創新意識、創新精神和開拓能力；并以此帶動更多的學生加入學習行列中。同時組織學生積極參加校級及省級的創新創業訓練計劃項目以及參加各種競賽，通過項目及競賽，可以使學生充分了解自己的情況，激發學生的熱情，很好地發揮學生的主觀能動性，充分提高學生的動手實踐能力及創新能力，為走上工作崗位打下良好的基礎。

3 單片機教學改革效果

通過近兩年教學改革的實施，取得了一定的成績，學生的動手實踐能力得到了全面的提升，學生在參加“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生電子設計競賽、機器人競賽、飛思卡爾智能車等各種比賽中，取得的獲獎組數較以往有了較大的增加，而且獲獎的等級也提升了，在Robomasters2015全國大學生機器人大賽及2015年全國大學生電子設計競賽中獲得全國一等獎，取得了近年來最喜人的成績。

4 結束語

在“大眾創業、萬眾創新”的背景下，以“加強學生專業基礎，結合實踐促進創新實踐”為主的教學改革勢在必行，因此針對單片機課程教學存在的問題進行了改革嘗試，經過近兩年的小范圍實驗證明所采用的方法切實可行，取得了良好的教學效果，不但激發了學生的學習興趣，而且培養了學生的動手實踐能力及創新能力，符合創新人才培養目標以及提高大學生創新實踐能力的主旨思想，為探索合理有效的教育教學方法和手段奠定了基礎。

參考文獻

[1] 宋清華,姬利娜.應用型工科院校單片機教學改革的探索[J].中國包裝工業,2013(14):93.

[2] 張子紅,劉鑫.基于Proteus的單片機課程教學改革[J].單片機與嵌入式系統應用,2010(11):15-18.

[3] 任國臣,陳曉英,藍和慧,姜丕杰.單片機原理及接口技術實踐教學改革與實踐[J].遼寧工業大學學報:社會科學版,2014,16(5):141-142.

Explore Teaching Reform of Single Chip Microcomputer Curriculum Improve Students' Practice and Innovation Ability

Guo Dong, Bai Rui, Lan Hehui, Chen Xiaoying School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

Abstract:According to the necessity of the curriculum reform of SCM (single chip microcomputer) and the existing problems in the teaching of SCM, the teaching reform of the SCM is explored from the aspects of combination of simulation teaching method with teaching demonstration platform, change of the experimental method, increase of skills evaluation means, formation of interest groups. Through the implementation of teaching reform in the past 2 years, the good teaching effect has been achieved. The students' learning interest has been stimulated. The students' practical ability and innovation ability have been trained.

Key words:single chip microcomputer; practiceability; innovation ability; teachingreform

基金項目：2014年遼寧省普通高等學校本科教育教學改革研究項目(編號：UPRP20140643)；2014年遼寧工業大學教學改革項目(編號：2014031)。

作者簡介：郭棟，博士，副教授。

收稿日期：2015-12-23