專業競賽驅動下單片機課程改革

黃敏 張榮輝

摘 要：文章分析了目前單片機課程教學普遍存在的問題，針對學習不連貫性提出打通理論課程與實驗課程；針對傳統教材脫離社會應用實際，結合“合泰杯”學科競賽改革教學內容；建立創新實驗室作為第二課堂，打造學生參加競賽、申報項目、鍛煉專業能力的基地。

關鍵詞：單片機教學 學生競賽 創新實驗室

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0162-03

單片機原理與應用是電子通信自動化等專業的核心課程，是一門與學生就業密切相關的實踐性很強的課程。交通、醫療、通訊等與衣食住行息息相關的方方面面都少不了單片機微控制器的身影，與之相關的嵌入式、智能硬件、機械自動化等就業崗位的人才需求量依舊旺盛。高校學科競賽不僅是培養創新人才的重要手段，也是用人單位篩選人才的重要標準[1]。中國高等教育學會《高校競賽評估與管理體系研究》專家工作組在《中國高校創新人才培養暨學科競賽評估結果》共篩選了18個競賽項目納入排行，其中與單片機等微控器直接關連的比賽有全國大學生電子設計競賽和全國大學生智能汽車競賽，另外含有單片等微控器的作品能夠參加的比賽不下半數。

雖然不論從社會需求還是學生競賽來看，單片機這門課的重要性都是不容忽視的，但是不少學生仍然將其當成一門普通的需要考試拿學分的課程來學，更有甚者學了一個學期之后連最基本的單片機工具軟件都不熟練，以至于到了就業找工作的時候或者出了校園工作一段時間才意識到自己本應該從單片機課程中得到一項技能。造成這種現象的原因是多方面的，本文將從下述幾個點進行分析和解決。

1 課程連貫性不夠，需要打通理論課與實驗課來加強

1.1 目前單片機課程排課存在的問題

目前普遍存在的問題：理論課和實驗課脫離，以一門80學時/16周的單片機課程為例，課程安排一般是每周理論3課時和實驗2課時，實驗課排課一般滯后于理論課，有時候甚至隔了3～4天，很多學生在實驗課實踐的時候對理論課上的知識點和相應原理操作已經遺忘不少。大多數教師的做法是在實驗課之前先復習上次理論課教學內容，然后給學生布置實驗課任務，學生在實驗課上調試遇到問題舉手示意請老師幫忙解答。如果是一些普遍性的問題，任課老師將會在次周的理論課上統一講解。若學生想及時驗證理論課上的內容又得等到課后或者下一次實驗課。這樣的安排導致學習連貫性不佳。

1.2 改變排課方式

在安排單片機課程教學需打破傳統的理論課與實驗課分離的排課方式，將單片機課程全部安排在單片機實驗室，采用教師講解、學生能及時操作的方式。實驗室雖然配有臺式機但原則上要求學生帶個人電腦進實驗室：臺式機主要用來教師演示和講解，學生用個人電腦實現程序的調試和實現。這樣確保單片機課程的相關專業軟件裝在同學們自己的電腦里，也可以讓大家能夠將課堂上學的和寫的代碼和實驗項目留存在自己個人電腦里，讓學習不僅僅只停留在課堂上，離開教室以后也能及時調試和復習訓練。

2 結合單片機競賽的課程安排

2.1 目前單片機課程教學內容存在的問題及解決方法

現行的主流單片機教材都是基于STC89C52雙列直插封裝的單片機，對于教學來說這款單片機有它的優勢：寄存器配置少，學生理解起來較容易[2]；網絡資源豐富，各種例程和問題學生都可以在技術論壇上得到解答，方便課后學習。但是存在的問題是社會上的電子產品開發，很少使用這個型號，若只教授STC89C52芯片與社會需求不匹配。教學的目的是授學生以“漁”，而非授之以“魚”。故在課程設置上需要加入一款對寄存器配置需求較為頻繁的單片機教學，這么做主要是教會學生在網絡現成資源較少的情況下，能夠通過閱讀芯片的數據手冊做出相應的開發。

比較好的解決辦法是將課程分為兩部分，前期入門以STC89C52單片機為主，后期開發板實操以合泰單片機開發板為主。合泰單片機的生產產商是盛群半導體公司，該公司實施的大學計劃之一是每年舉行合泰杯單片機創意競賽，目前已有天津合泰杯、福建合泰杯、重慶合泰杯和廣東合泰杯。將合泰單片機的學習融入課程目的是為了能夠讓學生在課程的學習之后能夠學以致用，參加一個省級專業競賽，一方面將課堂知識運用到實際，另一方面學生參加比賽的過程中遇到問題解決問題的過程對專業能力是一種很好的鍛煉和提升。

2.2 STC89C52型單片機教學安排

STC89C52的學習主要通過proteus仿真軟件，教學過程輕理論重實踐，堅決做到知識點—范例—練習緊密結合：老師講完理論知識后，通過proteus連接簡單原理電路圖，keil軟件C語言編程并載入proteus給學生演示實驗現象，在畫圖與編程的過程中注意與理論結合，范例演示完畢，布置學生實驗任務：（1）在自己電腦上完成剛才老師講授的范例；（2）完成老師布置的練習題。STC89C52的學習安排課時為30學時，具體如表1。

2.3 結合“合泰杯”專業競賽的單片機教學安排

合泰單片機教學主要圍繞合泰ESK-301開發板，搭載主控芯片是8位微控制器HT66F70A，開發板外圍資源有8盞led，6片數碼管，4*4矩陣按鍵，E2PROM，電機驅動模塊，紅外發射接收模塊等[3]，針對這些資源展開關于合泰單片機的26個課時的教學。教學過程仍然緊緊圍繞“知識點—范例—練習”確保學生在實踐中感悟和學習。

完成51單片機入門與合泰單片機的學習之后，學生需完成課程設計連續3d共計24學時。課程設計完成內容之一是學生結合所學知識結合合泰開發板設計并實現一個綜合性小項目；課程設計內容之二是完成一個設計報告的撰寫，設計報告要求與格式參照福建省合泰杯初賽報告書，評分標準為作品創意40%，技術可行性40%，文字排版20%。在學生上交的設計報告中老師可以篩選出優秀組別以便后續培養以及參賽。

3 建立學生創新實驗室作為第二課堂

課堂上老師的講授以及練習讓學生少走彎路快速入門，但是精通單片機編程以及電子系統設計，光靠課堂時間是遠不夠的。由于單片機這門課課時有限，大部分老師的授課過程并未實際涉及電路板的硬件設計，電子元器件的選型、購買以及焊接，在課堂上學生也沒有過多機會涉及實際電路的調試，然而不論是參加專業競賽還是電子研發相關的就業崗位來說，這些技能也是必不可少的。學生創新實驗室可以引導學生在課堂之外能夠繼續學習，并且持續在實際項目中得到課堂教學中無法獲得的鍛煉。

創新實驗室可以作為學生的第二課堂[4]。在硬件設施上創新實驗室內配備有鉆孔機、熱轉印機、打印機等設備供給學生制作電路板；有萬用表、數字電源、示波器等儀表幫助調試和排查電路問題。有3D打印機、激光雕刻機以及電鉆電鋸等設備供給學生搭建模型。實驗室有指導老師和學生管理小組主要負責：（1）實驗室培養計劃的修訂和執行；（2）組織學生申報創新創業立項，組織學生參加電子設計大賽、光電設計大賽、單片機設計大賽等賽事；（3）督促作品完成進度。

為了能夠讓實驗室有一個良好的學習氛圍，實驗室必須設置一個準入標準：通過實驗室的考試。考試針對所有同學開放，考試形式是現場調試編程：C語言或者單片機。通過考試的同學在創新實驗室有一個固定工位，并強制要求將學生個人電腦從宿舍帶入實驗室，沒有申請不允許帶出：這樣可以使學生處在一個學習環境中，而不是下課后就回宿舍玩電腦。學生考入實驗室之后，會每一周或者兩周有學習任務，并安排上一級學生一對一指導。形成“老帶新，傳幫帶”的風氣。若沒有按時完成會有相應的懲戒，連續兩次沒有完成則需退出實驗室。在這樣一個培養體系完整、制度嚴格的創新實驗室里，學生的專業技能得到快速的提升，在一次一次的任務以及參賽的過程中，學生得到的是實際的項目經驗，贏得的不僅僅是學科競賽得獎的榮譽，更是自己就業的籌碼。

4 結語

單片機這門課具有顯著的實踐性，本文分析了目前單片機教學存在的主要問題，不論是從排課方式的改變，到結合學科競賽“合泰杯”教學內容的改變，還是最后探討的學生創新實驗室的培養和管理制度，都緊緊圍繞著提升學生專業動手能力這一主旨。在向應用型本科高校轉型背景下，這樣的教學改革和探索顯得尤為重要。

參考文獻

[1] 陸國棟，陳臨強，何欽銘，等.高校學科競賽評估：思路、方法和探索[J].中國高教研究，2018（2）：63-68，74.

[2] 徐春燕，楊海清，劉愷.基于多層次的單片機實驗課程改革[J].教育現代化，2018，5（10）：53-57，63.

[3] 鐘啟仁.HT66Fxx Flash單片機原理與實踐——C語言篇 （簡體版） [M].北京：北京航空航天大學出版社，2012：22-25.

[4] 楊志東，陳小橋.學科競賽與創新人才培養模式的探索與研究——以電子類學科競賽為例[J].實驗技術與管理，2016，33（2）：14-16，23.