基于轉型升級-資源共享的單片機課程教學改革

宋 躍， 胡必武， 雷瑞庭

(東莞理工學院 電子工程與智能化學院, 廣東 東莞 523808)

0 引 言

2015年我校進入廣東省高水平理工科大學建設行列，2016年電子信息工程、通信工程等專業進入一本招生，辦學規格見長，高水平應用型人才的培養日顯迫切，“單片機與接口技術”作為“微機原理及應用”“單片機及接口技術”合二為一的電類學科基礎課程，在具有很強的基礎原理性的同時，更強調工程實踐性，在2010年廣東省精品課程和2013年廣東省資源共享課程“單片機與接口技術”的轉型升級建設中，與企業一起，開展了對課程教學的改革與創新。

1 課程性質與教學定位

二合一課程始于2010年，80學時(含實驗16學時)，在卓越工程師班開設課程設計1周。

目前，應用型電類專業學生在項目設計、創新競賽、見工就業中，單片機是一門必不可少的專業技能，更是后續諸多高新技術的基礎，在二合一課程中，如何讓學生既要學好微機基礎理論，滿足本科教育可持續發展的要求[1，2],又要掌握先進的單片機仿真開發等實用技術，為此二合一課程教學設計為：以51TM單片機為中心，圍繞單片機教學需要，適時推出相應所需的微機基礎理論，著重突出單片機技術的先進性、工程性、實用性，最后以比較法教學，簡單介紹80X86CPU與PC機，從而實現合二為一。

2 課程改革規劃

2.1 教學理念的轉變

教學理念是人們對教學和學習活動內在規律認識的集中表現，是資源共享課程建設的信念和指導思想[3]。教學理念轉變是教學改革的基礎，轉變的核心是以“教”為主轉向以“學”為主，“成果導向” “以生為本、以學為主”的教學理念應貫穿整個教學改革和課程建設的全過程。

2.2 知識結構體系優化與設計

教學內容是資源共享課程建設的核心，轉型升級在更新教學理念的同時，還應有新的教學內容，并融入新的教學成果[2]。

從應用型大學定專業培養目標出發，以OBE(Outcomes-based Education)為導向，制定二合一課程標準，確立如表1所示的知識-能力-素質目標要求，以“使用集成電路、設計集成電路、優化系統結構”的核心專業能力培養為中心，突出“實用+先進+工程”的教學目標。

表1 課程目標設計

二合一課程教學中，不僅要處理經典與現代、理論與實踐的關系[3-4]，還要協調基礎與工程的平衡,既要求學生掌握一定的微機理論，突出本科基礎教育的特點[1]，同時又要具有51TM機的開發應用能力。為此以知識點為基礎，從課程目標和資源共享課程面向社會的要求出發，分為普適和特殊(面向卓越班、創新競賽類等)二類不同階段的學習目標[4-5]：

(1) 普適階段目標。① 理解微機內部結構，熟悉51TM單片機基本資源;② 能夠在μVision、Proteus仿真軟件環境下搭建硬件、編寫軟件，完成小任務調試;③ 理解時序原理、接口分析方法，熟悉匯編和C51編程;④ 熟悉常用接口，掌握小系統設計過程和方法;⑤ 對教學實驗和課程設計，完成選題-設計-仿真-調試的全過程。

(2) 特殊階段目標。① 理解微機基本原理，熟悉51TM系統資源，熟練接口設計方法。② 熟練μVision、Proteus設計與調試，熟悉匯編和C51編程。③ 通過項目訓練，掌握系統設計與調試方法。④ 對小系統完成設計-仿真-調試-制作的全過程。

圍繞課程目標，改革單片機傳統的知識編排，將課程劃分為硬件、指令、編程、接口、開發及其他共6個模塊，有利于講解重點、難點，營造自學習空間，同時便于將難點分散在不同的模塊上即不同的學習階段上，合理分配教學任務，實現實驗結果環環相扣，激發學生興趣，變被動學習為主動學習。

2.3 層次化實驗實踐

為實現能力目標達成，在實驗實踐教學中，設計“基礎實驗+實訓提高+課外創新+工程應用” 層次化的實驗實踐引導，普適階段以完成基礎實驗為主，通過實訓逐步實現課程基礎實踐能力的培養。

在特殊階段，通過學生的創新創業、學科專業競賽、科研項目訓練，在培養工程實踐能力的同時，以學生為主體開展知識產權申請、論文撰寫基本能力的訓練，同時將組織交往能力、項目合作能力的培養貫穿在項目訓練的全過程，實現工程實踐、論文撰寫、研究合作、國際交往等綜合能力的培養達成，繼而全面提高綜合素質。

2.4 與社會聯合開展課程建設

加強與國內外本行業的龍頭企業、研發機構合作，與行業專家一起，開展基于企業項目的課程設計和畢業設計，聯合指導創新競賽，開展融入行業標準的項目化教學案例開發，將案例教學寫入教學大綱，以教學文件的形式納入課堂教學。

3 課程改革的實施及效果

如圖1所示是課程目標實現和專業核心能力培養的達成圖。

圖1 課程目標的達成過程

3.1 教學內容改革

與傳統課程相比，從增加新技術新器件、軟件仿真與匯編C51交叉融入教學、開辟自學習空間等環節入手，二合一課程對課程內容做了如下改革：

(1) 匯編與C51編程、軟件仿真有機融合。在課程教學初期，匯編與C51采取對照編程模式，同時將Proteus、Keil C軟件仿真與編程融為一體。

(2) 增加串行擴展等新技術，弱化并行擴展，強化最小系統。重點放在單片機最小系統，增加I2C、SPI、LCD、Flash器件內容，并通過實例講解AT24C02、DS1302等串行接口器件和模擬時序編程方法。

(3) 強化開發與仿真軟件的課外訓練。將最新軟件工具和儀器(如編程器、模擬仿真軟件、硬件仿真器)適當地融于教學中，以期末實驗考核計入課程總成績，強化軟件的實踐訓練。

(4) 增加最新單片機技術介紹。將國際上最新的單片機(如宏晶STC15系列)和其他非51單片機作簡單介紹(如32位Cortex MCU系列STM32F1/F3 /L0等)，讓學生課后去查閱相關資料，鼓勵學生在各種訓練中予以使用，特別是支持在應用編程IAP、在線調試 ICD的機型。

(5) 側重共性基礎技術，實施“有所為、有所不為”。對單片機的內部資源著重講解常用的知識點，如重講定時計數器方式1和2，串口方式0和1等，8155方式0和1等，節省教學資源，營造學生自主學習空間。

3.2 二合一教學資料

為滿足二合一的教學需要，圍繞層次化實驗實踐和核心專業能力培養，主編出版《單片微機原理與接口技術》教材，教材使用5年多，經過4次修改，滿足教學需要。在第2版中，更加突出“實用+先進+工程”編寫目標，注重軟件仿真與硬件實驗的結合，較多的工程案例資料導入教材，C51與匯編編程交叉融入教學案例，對典型案例同時提供匯編與C51對應的源程序，在介紹仿真軟件μVision4、Proteus8使用的同時，教材(含習題)中針對常用知識點還穿插有實用仿真案例，為學生單片機實驗實踐提供實用的參考范例。

實驗教學中，在課程網站上建有實驗指導欄目，有針對多款實驗裝置編寫適合基礎能力培養的課內和課外的系列實驗指導資料，有針對特殊階段學習的課程設計指導和選題任務書等。

3.3 案例教學

以項目化為主線，融入企業標準，聯合企業開展案例設計，將理論教學、實踐環節串聯在一起，在引導學生理解案例整體設計思想與方法的同時，更要關注案例中系統設計與具體知識點的關聯和實現。

(1) 企業項目(如深圳誠創立、東莞創銳、東莞新興鋼具等)、科研項目、創新競賽成果到工程案例的提煉：案例中展示的元素主要有案例背景、成果、系統設計及關鍵知識點的硬軟件具體描述等，教學中對簡單的設計進行現場講解、演示，復雜的設計則制成視頻錄像或將設計文件掛在網站。

(2) 課程群案例開發：近2年在省級“嵌入式測控技術課程群”項目建設中，深度與深圳東莞多家龍頭企業(如東莞龍昌、東莞博思等)、研發機構(如深圳信盈達等)合作，以最新成果為素材，基于行業背景，開展單片機與嵌入式系統的案例開發。

目前，在課程網站-設計案例欄目里有近120個不同案例供學生參考學習，其中工程案例13個。

3.4 構建課程訓練體系，實現工程應用能力達成

在近年新進二合一課程實驗設備的基礎上，近4年在學科建設中，新置單片機開發與應用的高端儀器與設備近200套(臺)40個品種，共投入人民幣近300萬元，基本形成單片機開發高新技術平臺。

近8年來，自行研制單片機3大系列(即入門興趣、接口技術和綜合開發系列)16種板(共3代)共計400余套的單片機實驗板，已17個學期免費發放到學生每個宿舍、創新小組、創新基地，供學生無償用于課外學習，全部的技術文檔已在網站共享，為課外實訓提高和基礎訓練提供條件，實現實驗課內課外的結合。

利用各種單片機開發板，在創新基地、創新中心通過教師科研、創新競賽項目實現基本設計和制作能力的訓練，實現如圖2所示的從基礎實驗到工程應用能力的過渡。

圖2 層次化實踐能力培養達成圖

教師按學術方向組建近10個創新競賽指導群，擴建“大學生創新中心”近400 m2， 與企業共建了“創新基地”( 東莞創銳、東莞博思、東莞拓撲)，通過東莞龍昌(基于東莞理工的國家工程實踐教育中心)、東莞博思(課程合作企業)、深圳信盈達等企業開展項目的聯合指導，為學生打造了課外科技訓練平臺，實現實踐校內校外的結合。

課程結束后，引導學生開展ARM、FPGA、LINUX等先進技術的學習和綜合應用，在 “創新中心”“創新基地”成立的各種創新創業、競賽小組、科研小組，利用課余特別是假期，在指導群教師的指導下結合項目進行綜合實踐，逐步實現工程應用能力的培養達成。

3.5 改革實驗教學，強化基礎實驗能力訓練

(1) 課程內實驗50% 為必做，由任課教師和實驗老師指導在課內完成，另50% 為選做實驗，由指導老師提供選題，課內學時由實驗老師指導，課外開放時間由實驗助理(學生)指導，期末進行實驗考核，主要是考核學生對選做實驗的熟悉程度，占課程總成績的10%，以此強化實驗能力的培養[6-10]。

(2) 對課內實驗教學的內容與形式進行改革，減少演示驗證性實驗，開設基于OBE的小綜合設計實驗2個、大綜合設計性實驗1個，同時研制基于OBE的單片機的實訓裝置服務課外訓練。

4 響應教學改革的課程開放資源

為響應6個知識模塊而建設的14個課程資源類型(見表2)，基于精品課程建設，以基本課程文件(課程標準、課程大綱等)、視頻(80節)、多媒體課件(系列PPT)、實驗指導、課外實踐(含有單片機3大系列板、單片機實驗箱技術改造、仿PC機單片機實驗板的資源說明、電路圖、實驗程序等技術文檔)、習題試卷庫等構成基本資源，對應單片機4大基礎知識模塊學習訓練，基本實現課內課外的結合，精讀教材與參考教材、文獻、擴充讀物的結合。

表2 課程知識與資源類型建設

圍繞工程能力培養和素質提升環節，開展了拓展資源建設，突出課程的工程實踐特點，為轉型升級資源建設的重點，基于案例開發和聯合指導實現校內校外、課程教材與實際設計素材的結合，資源類型除行業標準、作業系統與在線考試(源自網絡教學平臺)、器件資料、技術開發等欄目外，還設計有案例欄目(含工程案例、設計競賽案例、企業案例等共計120多個)、 應用資源庫(近60個文檔)、學生單片機成果庫(含競賽獲獎、公開論文、知識產權70余項)等，通過網絡資源的開發、集成和梳理，實現理論教學與工程實踐的有機結合[11-15]。

2014年3月全面實施在線答疑、布置和批改作業、在線考試/測試、發布資訊等網絡教學，同時建有300多題的試題庫，運用網絡教學平臺，突破時空限制，增大教學信息量，建立教與學的交互平臺。

5 結 語

近年來基于課程建設和實踐創新指導，在單片機和實踐創新能力培養方面取得較好的成果，2014年獲省級教學成果獎1項，學生擁有知識產權9項，其中國家發明專利2項，學生以第一作者公開發表科研論文14篇，其中中文核心8篇，ISTP收錄2篇，參加學科專業競賽獲國家級1項，省級一等3項，二等17項等。

但在實踐中，仍感到有很多不足，例如：

(1) 案例中融入的企業標準表征不夠明顯，OBE大綜合實驗或課程設計成果導向不足，社會資源的吸納有待繼續努力。

(2) 與歐美、港臺等高校相比，在教學思想和教學模式上還有較大差距，如臺北科技大學工程類課程必須在企業做大作業實習、做“黑手”等，所以在教育理念與思想、教學模式等方面還有較大的研究與改革空間。

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