面向應用型人才培養的單片機教學改革與實踐*

◆張煥梅 郭蕓俊 葉瑤 田靜

1 引言

近年來，應用轉型成為地方高校的趨勢和潮流，應用型改革的重點是“以能力為導向，以應用為目標”[1]。因此，在培養學生掌握基礎知識的同時，應更注重其學習能力、實踐能力、就業能力及創新能力的培養[2]，體現在課程方面，不僅需要培養學生的專業理論知識，更為重要的是需要培養學生的按需學習能力和知識應用能力，從而最終實現就業時跟企業工作的無縫對接[3-4]。

目前，隨著單片機廣泛應用于工業控制、智能儀表，智能家居等工作生活的各個領域[5-6]，社會對從事單片機應用開發人才的需求量也與日俱增[7]。因此，結合太原工業學院向應用型本科院校轉型的需求，單片機課程也在不斷改革中適應時代的發展。

2 課程教學現狀及特點

單片機是太原工業學院機械電子工程專業開設的一門專業基礎課，要求學生掌握單片機有關軟硬件及接口技術等相關概念，能根據實際需求設計出應用系統[8]。該課程在學生畢業設計及就業時起著舉足輕重的作用。傳統單片機教學以單片機的原理與結構為主線，重視知識的完整性，導致學生在學完課程后，雖應付考試沒問題，但并不知道所學知識有什么用。等到真正工作時，因需將知識重新有機組合以形成應用能力，就會出現無從下手的局面[9]。而大部分企業均要求學生畢業工作時就有一定的動手能力及工程開發經驗，這也是目前社會對大學畢業生不太認可的主要原因，這些因素促使高校向應用型轉型并加快課程改革的步伐。

一直以來，筆者都比較關注單片機的教學改革，近年來的很多學者也在分析單片機課程特點、教學現狀等基礎上，提出各種教改方法及手段，例如：優化教學手段，采用Proteus 和Keil 等構建虛擬仿真實驗環境[10-11]；采用“項*計算器是指利用程序查詢方式、并行I/O 連接實現輸入輸出目驅動法”“問題導向”“案例教學法”等教學模式[12-14]；改革考核方式等[15]。太原工業學院師資力量薄弱，實驗設施落后且采用大班合堂授課，但在真正實施時可行性較差，教學效果也并不太好。因此，結合學院實際情況，本文提出一種在單片機教學中行之有效的教改方法，即在整個課程講授中以一個大案例為主線貫穿始終的案例教學法[16-17]。

表1 案例教學法的教學內容及能力培養

3 案例教學法的實施

案例教學法是以具體工程設計為目標，以案例為主線，根據案例要求，圍繞案例中任務，組織引導學生一步步尋求解決問題的方法。學生在通過解決案例具體問題的過程中，學習和理解課程相關教學內容，并了解如何分析、設計單片機應用系統[18-19]，從而達到應用為本、以用促學的教學目的。

教學案例的設計案例的設計是案例教學法的關鍵，其合理與否將直接影響教學效果。設計案例時，首先應進行知識點的梳理，在梳理過程中不過度追求單片機本身的系統結構，應以知識的理解和應用為出發點，結合單片機技術的實際應用，盡可能把知識點通過一個設計主線貫穿融合到一起。案例還需要選材普通、簡單實用、難度適中，使得每個學生都容易上手。對不能在案例中體現的知識點，通過趣味性小個例作為補充，以達成學生知識結構的系統性及促進自學能力的培養[20]。

本文從MCS-51 單片機的應用入手，選擇貼近學生生活的計算器作為設計案例，該案例幾乎涉及片內所有功能部件及各種擴展。通過該案例，可以系統地將MCS-51 單片機的片內功能部件相關知識利用起來。在此基礎上，學生也可自行設計其他應用系統，培養單片機系統設計、應用能力及自主探究能力。

整合教學內容，調整教學順序案例教學法的核心是對教學內容的重新整合。傳統單片機課程的講授，一般按章節編排順序進行，包括單片機系統基本概念、硬件組成結構、匯編指令系統、內部功能器件（中斷系統、定時器/計數器、串行通信）、單片機系統擴展及相關外圍器件的應用等。而案例教學法以培養學生應用能力為主線，按案例重構課程內容，用案例組織教學，將單片機應用系統設計所需基本知識和能力穿插在案例完成的過程中講解[21-22]。本文提出的“基于MCS-51 單片機的計算器”案例，具體內容及能力要求如表1 所示。

計算器是指使用中斷系統、定時器/計數器、串行通信等單片機內部設備實現輸入輸出。經優化、重構后的課程體系，知識點從相對孤立提升到有機統一。從應用角度將知識點組織起來，由細節到整體對應用實現做出細致的講解；從產品角度將知識的用途與工程設計方法結合起來，由需求表達功能，由功能選擇技術，環環緊扣，逐層遞進。案例具有一定的擴展性，充分調動了學生的學習主動性及積極性。

突出教學難點，保證教學效果在指令系統部分，為了避免學生因學習枯燥而產生畏難情緒，降低學習興趣，在將計算器案例拆解成按鍵掃描、表達式計算和數碼管顯示等程序片段外，還引入一些經典的、具有趣味性的數學問題，用于學生編程能力的訓練。如通過解決“喝汽水”問題，學習訓練分支程序與循環程序設計。問題如下：

1 瓶汽水的定價為1.40 元，喝1 瓶汽水（瓶不帶走）1 元；為節約資源，規定3 個空瓶可換回1 瓶汽水，或20 個空瓶可換回7 瓶汽水；為方便顧客，可先借后還，如借1 瓶汽水還3 個空瓶，或借7 瓶汽水還20 個空瓶。要求通過編程求解：m 元最多可喝幾瓶汽水？m 個學生每人喝1 瓶汽水，至少需多少元？

此外，通過解決“三角形網格”問題，學習訓練循環與遞歸程序設計。問題如下：

把一個正三角形的三邊n 等分，分別與各邊平行連接各分點，得“n-三角網格”，如當n=4 時，4-三角網格如圖1 所示。要求通過編程求解：對指定正整數n，求n-三角網格中不同三角形（大小不同或方位不同）的個數；所有這些三角形的面積之和（設網格中最小的單位三角形的面積為1）。

圖1 4-三角網格

這樣，通過經典數學問題，訓練了學生分析具體問題的思維習慣，從已知因素和求解內容兩個方向入手，完成從現實問題到計算機模型的轉換，從而鍛煉學生的知識分析、應用能力，使其掌握單片機基本程序設計的思路、方法及過程。

案例教學法的局限性及解決措施由于案例教學法是通過有限的案例組織來實現教學目的，盡管案例是精心設計的，仍然不可能涵蓋所有知識點。因此，在整個教學過程中還要在內容上做一些適當的補充。如在本例中，案例僅涉及開關量的輸入和數字量的輸出，而實際單片機應用系統中，很多場合均涉及模擬量的輸入、輸出。因此，應補充介紹單片機前向通道（A/D 轉換、傳感器輸入）及后向通道（D/A 轉換）等內容。

4 結語

本文結合單片機課程的應用性特點，通過“基于MCS-51 單片機的計算器”的案例化教改方法，經趣味導入，體現了以“學生為中心”的教育理念，培養了學生主動思考、分析、自主學習及解決實際問題的能力，提高了學生的工程素養及實踐動手能力。經過兩年的探索及實踐，該方法取得較好的教學效果，提高了學生畢業設計的質量，學生就業后也得到用人單位的好評。該方法為應用型本科院校的人才培養和單片機課程教學改革提供了有益的思路和方法。■