《中國(guó)制造2025》背景下單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐

王冬云 高春甫 馬繼杰

摘要：《中國(guó)制造2025》明確了我國(guó)制造業(yè)朝自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向，對(duì)本科院校機(jī)械類(lèi)學(xué)生機(jī)電控制方面的技能要求大大提高。單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力是新形勢(shì)下制造業(yè)對(duì)高校畢業(yè)生的主要技能要求之一。針對(duì)我校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程存在的大綱陳舊、課時(shí)少、實(shí)踐少、教學(xué)手段單一等不足，探討各主要教學(xué)環(huán)節(jié)的改革措施，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高其單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)能力，盡快適應(yīng)新形勢(shì)下工業(yè)企業(yè)對(duì)機(jī)械類(lèi)畢業(yè)生的技能要求。

關(guān)鍵詞：中國(guó)制造2025；單片機(jī)原理；教學(xué)改革與實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）22-0141-02

一、前言

針對(duì)德國(guó)《工業(yè)4.0》，我國(guó)提出了具有中國(guó)特色的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，《中國(guó)制造2025》[1]明確了我國(guó)制造業(yè)遵循彌補(bǔ)工業(yè)3.0欠缺，追趕工業(yè)4.0發(fā)展進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的三個(gè)發(fā)展階段，同時(shí)明確了制造業(yè)以自動(dòng)化、智能化為發(fā)展方向。新形勢(shì)下，工業(yè)企業(yè)對(duì)機(jī)械類(lèi)畢業(yè)生的機(jī)電控制技能，尤其是基于單片機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力提出了更高的要求。單片機(jī)作為機(jī)電系統(tǒng)的主要控制器之一[2]，其原理與應(yīng)用是機(jī)械類(lèi)學(xué)生必須掌握的知識(shí)。針對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中存在的不足，很多教學(xué)工作者已經(jīng)提出教學(xué)改革方法[3][4][5]，就教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容等提出了創(chuàng)新性的意見(jiàn)。然而針對(duì)教學(xué)過(guò)程中理論與實(shí)踐內(nèi)容的融合問(wèn)題，細(xì)化考核問(wèn)題尚缺少響應(yīng)的研究。針對(duì)目前我校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)存在的教學(xué)大綱陳舊、實(shí)踐環(huán)節(jié)不足、教學(xué)手段落后、考核方式單一等問(wèn)題，進(jìn)行了相應(yīng)的改革措施探討，以期系統(tǒng)提高單片機(jī)課程的教學(xué)水平，提升學(xué)生適應(yīng)新形勢(shì)下工業(yè)企業(yè)對(duì)畢業(yè)生的技能需求的能力。

二、教學(xué)改革措施

1.適應(yīng)學(xué)科發(fā)展，優(yōu)化教學(xué)大綱。隨著電子技術(shù)、IC工藝的進(jìn)步以及市場(chǎng)需求的不斷變化，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了很大變化，然而目前教學(xué)大綱還與10年前相近，教材陳舊、編程語(yǔ)言還采用匯編語(yǔ)言、教學(xué)過(guò)程理論與實(shí)踐分離等。使學(xué)生很難深入掌握單片機(jī)知識(shí)，即使花大力氣學(xué)習(xí)，畢業(yè)后亦發(fā)現(xiàn)與需求脫節(jié)。新形勢(shì)下，必須對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行全方位改革，方案如下：（1）適當(dāng)增加課程課時(shí)尤其是實(shí)踐課時(shí)：改革后由原來(lái)的32課時(shí)（理論22課時(shí)，實(shí)驗(yàn)10課時(shí)）增加到48課時(shí)（理論22課時(shí)，實(shí)踐26課時(shí)）；（2）優(yōu)選教材：選擇普通高等教育“十二五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材；（3）更新教學(xué)內(nèi)容：重視基于C語(yǔ)言的單片機(jī)應(yīng)用編程，以及基于Keil與Proteus的聯(lián)合仿真內(nèi)容；（4）細(xì)化考核：由原來(lái)的期末考試占70%，平時(shí)成績(jī)占30%，改成期末考試占40%，實(shí)驗(yàn)占40%，平時(shí)作業(yè)、出勤占20%。通過(guò)教學(xué)大綱的改革，使每位任課教師、每個(gè)班級(jí)均統(tǒng)一按照新的方案開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)，從源頭上進(jìn)行改革創(chuàng)新。

2.緊跟技術(shù)進(jìn)步，豐富教學(xué)手段。長(zhǎng)期以來(lái)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)均由兩個(gè)環(huán)節(jié)組成：理論環(huán)節(jié)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，兩個(gè)環(huán)節(jié)在時(shí)間和空間上分離。因理論枯燥乏味，比如寄存器、三總線、中斷系統(tǒng)等知識(shí)相對(duì)抽象，學(xué)生很難理解。理論、時(shí)間分離的教學(xué)形式，很難短時(shí)間內(nèi)做到融會(huì)貫通，教學(xué)效果有限。因此我們改革方案如下：（1）理論知識(shí)形象化：將指令中的尋址形象化為尋寶，直間尋址、間接尋址、寄存器尋址[1]等自然形象化為黃金、藏寶箱、藏寶圖等；（2）理論、實(shí)踐教學(xué)融合：雖因單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室有特殊要求，很難理論和實(shí)踐課程安排在一個(gè)教室，但現(xiàn)代化的仿真手段則改變了傳統(tǒng)的模式，針對(duì)理論課程中的知識(shí)點(diǎn)，基于Proteus與Keil的聯(lián)合仿真，完全解決了理論和實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題；（3）采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)：針對(duì)單片機(jī)的主要功能如中斷、定時(shí)、輸入輸出、串口通訊等，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目，要求學(xué)生3人一組，分工進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)、C語(yǔ)言設(shè)計(jì)以及Proteus仿真；（4）采用個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)：針對(duì)學(xué)校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)條件有限的現(xiàn)狀，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己興趣從淘寶購(gòu)買(mǎi)個(gè)性化的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，如尋跡小車(chē)、搬運(yùn)小車(chē)、四旋翼飛機(jī)等，利用開(kāi)發(fā)板配套的例程進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.注重過(guò)程管理，細(xì)化考核指標(biāo)。《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程是以實(shí)踐為主的課程，然而傳統(tǒng)考核方法確基本關(guān)注期末考試成績(jī)，結(jié)果是學(xué)生考試前突擊記憶基本概念，實(shí)踐能力基本不被重視。改革方案：（1）優(yōu)化成績(jī)總評(píng)方案：期末考試占40%，實(shí)驗(yàn)占40%，平時(shí)作業(yè)出勤占20%；（2）細(xì)化實(shí)驗(yàn)考核指：將實(shí)驗(yàn)分成4個(gè)項(xiàng)目，注重考核基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用、編程技能、調(diào)試技能以及總結(jié)分析能力；（3）注重綜合應(yīng)用能力訓(xùn)練：平時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以綜合實(shí)驗(yàn)為主，同時(shí)期末理論考核與實(shí)驗(yàn)考核都安排一個(gè)綜合應(yīng)用題，將單片機(jī)的主要知識(shí)，如最小系統(tǒng)、輸入輸出、中斷、定時(shí)計(jì)數(shù)、串口進(jìn)行綜合。

三、教學(xué)改革效果評(píng)價(jià)

對(duì)本課程的系統(tǒng)改革旨在提升學(xué)生在機(jī)電控制方面的實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力，以適應(yīng)新形勢(shì)下工業(yè)企業(yè)對(duì)機(jī)械本科畢業(yè)生機(jī)電控制技能方面的需求。通過(guò)以上三個(gè)方面的系統(tǒng)教學(xué)改革，并經(jīng)過(guò)2輪的機(jī)械大三學(xué)生的教學(xué)驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)：（1）學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣更為濃厚，由原來(lái)的被動(dòng)式學(xué)習(xí)演變?yōu)橹鲃?dòng)購(gòu)買(mǎi)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)（圖1），遇到編程應(yīng)用問(wèn)題會(huì)主動(dòng)與老師交流；（2）經(jīng)過(guò)48個(gè)學(xué)時(shí)的理論和實(shí)踐，學(xué)生均能完全掌握單片機(jī)的工作原理，并能進(jìn)行簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并制作實(shí)物（見(jiàn)圖2）；（3）通過(guò)Proteus與Keil的聯(lián)合仿真實(shí)踐，增強(qiáng)了學(xué)生利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的能力；（4）通過(guò)細(xì)化考核，注重平時(shí)理論與實(shí)踐投入，釋放了學(xué)生期末考試的壓力。可見(jiàn)本課程的教學(xué)改革基本達(dá)到了改革的初衷，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手能力，相信對(duì)他們畢業(yè)后適應(yīng)就業(yè)新形勢(shì)起到了積極的作用。

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