單片機原理及接口技術實驗教學改革研究

席文平 藍和慧

摘 要 針對目前單片機實驗教學中存在的問題，制定相應的教學改革目標和具體的改革措施，提出優化教學計劃、展示優秀學生作品、引入實物制作環節、采用綜合成績評定和舉辦校內學科競賽等方法，激發學生的學習興趣，消除畏難心理，增強創新意識，提高動手實踐能力。

關鍵詞 單片機；實驗教學；實物制作；教學改革；智能機器人；學科競賽

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）06-0111-03

Research on Experimental Teaching Reform of Microcontroller Principle and Interface Technology//XI Wenping， LAN Hehui

Abstract According to the existed problems in the experimental tea-

ching of microcontroller， some corresponding teaching reform targets

are made. A few methods are put forward such as optimizing teaching

program， displaying excellent students' productions， adopting micro-

controller production， developing comprehensive assessment and holding academic competitions， to stimulate students' interest in lear-

ning， eliminate the fear， strengthen innovation consciousness and improve practical ability.

Key words microcontroller； experimental teaching； object making； teaching reform； intelligent robot； academic competition

1 引言

單片機作為集成電路技術與微型計算機技術高速發展帶來的產物，憑借其體積小、價格低、穩定可靠等優點，已經在航空航天、工業控制、移動通信、家用電器以及智能機器人領域得到廣泛應用[1-2]。單片機原理及接口技術課程作為各工科院校測控技術與儀器、自動化和電氣工程等專業的必修課，要求學生不僅要具備扎實的理論基礎，同時要具備良好的硬件設計和軟件編程能力。這些能力的提升，一個重要的手段就是借助課內實驗，將理論知識和實踐環節更加系統緊密地結合在一起，讓學生真正做到“學、干結合”“主動學習”“主動實踐”，這也可以為學生后續的課程設計、學科競賽及就業打下堅實基礎。

2 單片機實驗教學的特點及現狀

單片機作為一門應用性專業課，具有較強的理論性和實踐性，其前續課程涉及模電、數電、C語言等硬件和軟件兩個方面的內容，所以學生的學習強度比較大，部分基礎差的學生也因此產生畏難心理，而且一些單片機教學中存在的問題會加劇這樣的趨勢。

教學重理論而輕實踐 國內高校單片機教學普遍注重理論知識，實驗教學的時長只占到總學時的15%～20%。較為普遍的做法是，教師按照書本內容制訂教學計劃，依次講授單片機的內部結構、接口設計、中斷系統、定時/計數器、串口通信和擴展等內容，然后借助單片機實驗箱安排2～3個以LED為主要現象的流水燈、定時器中斷、交通燈實驗等，最后組織一次期末考試，這樣一學期的單片機教學任務就算完成了。這樣做的后果，一方面，學生沒有接觸過系統的單片機應用設計，動手實踐能力得不到有效鍛煉；另一方面，學生為了應付考試，輕視實驗教學，對理論知識死記硬背，產生實驗教學是依附于理論教學的錯誤心理。

理論教師和實驗教師缺乏溝通 很多高校有專門的實驗教師從事單片機的實驗教學，理論課教師并不參與其中。雖然不同的專業有不同的理論課教師，但是由于實驗教學資源有限，一個實驗教師往往需要承擔多個不同專業的教學任務，這就容易造成實驗教師和理論課教師之間存在溝通不足的問題。一般情況是，理論課教師先制定教學日歷，實驗教師再根據教學日歷制訂出實驗教學計劃。由于實驗教師沒有多余的精力去旁聽理論課，只能根據個人經驗編寫實驗指導書，設計實驗內容。但是實驗教師對學生知識點的掌握程度并不了解，多數時候需要根據實驗內容再進行一次知識點復習，這樣就會造成重復性教學，占用大量的實驗課時間。

實驗考試存在形式主義 實驗考試作為檢驗學生動手實踐能力的一個重要手段，在很多高校并沒有開展，或者只是流于形式。實驗教師主要根據學生的實驗操作和實驗報告兩部分，給出實驗成績。就這兩個環節而言，單片機實驗操作往往是根據課內實驗修改來的，學生只要把書本例程錄入并進行少量修改，就可以得出實驗現象；而實驗報告更是不盡如人意，學生之間從預習環節、數據處理到實驗心得都會出現抄襲情況，甚至有多份實驗報告完全雷同的現象。因此，必須進行考試方法改革，全面提升實驗考試的質量，加強實驗考試的紀律性，強化學生自主思考、自主完成實驗的能力。

3 單片機實驗教學改革的目的

綜合單片機實驗教學的特點和現狀，力求通過單片機課程的實驗教學改革，在現有的教學資源內達到以下五點目標：

1）消除學生學習單片機課程中的“畏難”心理；

2）培養學生對單片機課程的學習興趣，從“要我學”變為“我要學”；

3）因材施教，針對學生不同的學習程度設計多種實驗考核方法；

4）進行考試方法改革，提高實驗考試的比重，力求達到“教、學、做一體化”；

5）培養學生的學科競賽能力，讓學生在完成作品設計的同時，做到精益求精[3-4]。

4 單片機實驗教學改革方法

優化教學計劃 根據教學日歷制訂合理的實驗教學計劃，在有限的實驗學時內，安排出2～3個典型設計性實驗和1～2個創新綜合性實驗。借助有趣的實驗現象激發學生探究實驗原理的欲望，逐步培養學生硬件設計和軟件編程能力，并注重知識點之間的遷移和整合。如在一個兩學時的設計性實驗中，可以從8位流水燈開始，擴展到16位流水燈，再加入按鍵控制和蜂鳴器報警等。這樣逐步將基礎模塊的應用融合起來，不同的實驗現象也會激發學生的探索欲望，逐漸消除學生的畏懼心理。

在實驗課、實操環節及后續課程設計中，鼓勵學生自主設計實驗方案，不拘泥于一種方法，讓學生經歷自主選件、電路連接、軟件編程、綜合調試等開發設計的各個流程，并將個人的創新思維融入其中，提升學生主動學習、主動實踐的能力。

展示優秀作品 單片機課程設計和畢業設計的題目涉及面較廣，包含信號類、控制類、儀表類等，制定這些題目也可以為學生參加電子類學科競賽或者申請大學生創新創業訓練計劃項目打基礎。每一種類型的題目，都會有一些學生做得非常優秀，在基本功能完成的基礎上增加擴展功能，而且硬件設計合理、軟件編程精練。對于這樣的作品，實驗教師可以在課程設計結束以后，在征得學生同意的前提下，將這些作品放置在實驗室的展墻上，注明作者、年級、實現功能等信息。

在對下一屆學生進行實驗教學過程中，實驗教師可以將優秀作品在課堂上進行演示、傳閱和程序要點的講解。有了這些優秀的模板，學生在進行實物制作和課程設計的時候，也就有了興趣和標桿，會激勵學生設計出更加優秀的作品，以傳承的理念為以后的學生演示。

自主選擇實物制作或實驗考試 針對學生的學習程度，在原有實驗考試的基礎上，引入實物制作環節。在教學計劃過半的時候，由理論課教師和實驗教師共同制定實物制作題目和設計要求，然后由學生抽選一道題目進行實物制作，為期一個月。一個月期滿后，由教師進行考核?？己朔譃檠菔?、答辯和功能修改三個環節，按比例計分。選擇實物制作的學生不必再參加最后的實驗考試。

在實物制作環節，采用以學生為主體、教師輔助指導的形式。開始階段，指導教師根據理論知識點介紹實物的設計步驟和模塊化設計方法；第二階段，由學生自行查閱資料和確定方案，教師要引導學生借助網絡資源（如中國知網、萬方、維普等網站）查閱與實物相關的期刊；第三階段，學生利用Keil和Proteus軟件做好軟件仿真；第四階段，借助Altium Designer等軟件完成硬件電路設計，在硬件基礎上進行程序編寫和綜合調試。

對于基礎較弱的學生，可以不選擇制作實物，而是在課程結束后參加實驗考試。實驗考核在實驗箱上進行，按難度分為A、B、C三檔：A檔題目難度等同于實物制作，要求設計出具有多種功能和指標要求的作品；B檔題目主要涉及外部中斷、定時器中斷、串行通信、數據采集和顯示等的綜合運用；C檔題目為LED、按鍵、蜂鳴器、矩陣鍵盤等簡單模塊的綜合使用。其中，A檔總分為100分，B檔總分為85分，C檔總分為70分，并且按照實驗接線、程序編寫、實驗修改和實驗結果四個環節按比例計分。

采用綜合成績評定法 結合實驗教學改革方法的第三項，提出“筆試+實物制作或實驗考試+實驗報告”的綜合成績評定方法，三者比重分別為60%、30%和10%。這樣做的優點是，學生試卷成績只占到最終成績的60%，而實驗比重則上升至40%。與傳統試卷考試方法相比，這種綜合成績評定的方法更側重學生動手實踐能力的考核[5]。

這里需要強調的是，選擇實物制作的學生，在進行后續課程設計的時候并不需要再重新選擇題目，而是可以繼續對設計好的實物進行功能上的完善或改進。這樣做，一方面節約了課程設計的周期，讓學生有較多時間進行寫作能力的錘煉和學科論文的轉化；另一方面可以在一定程度上緩解實驗室的壓力，讓實驗室有更多的開放時間供學生進行自主學習和實踐。

舉辦校內學科競賽 實驗教師作為實驗教學課程改革的直接參與者，除了從教學設計、教學組織、教學管理等方面進行改進外，還可以申辦校內學科競賽，主要針對省級和國家級的“大學生電子競賽”等與單片機實驗課程密切相關的學科競賽。在申辦競賽之后，可以對學生開展競賽培訓，將單片機課程的學習與C語言、模電、數電等課程系統結合起來，以此提升學生對知識的綜合運用能力和實踐創新能力，注重培養學生“精益求精”的思想，同時也為省級和國家級的學科競賽做好人才儲備。

5 結語

經過近兩年的單片機實驗教學改革，學院學生單片機課程設計和畢業設計實物作品數量較以往增加了約60%，質量明顯提升，申報學科競賽和大學生創新創業訓練計劃項目的學生數量顯著增加。在RoboMasters全國大學生機器人競賽、全國大學生電子設計競賽、“恩智浦”杯大學生智能汽車競賽、遼寧省大學生機器人競賽等學科競賽中先后榮獲國家級獎勵五項、省級獎勵八項的優異成績，充分體現了單片機實驗教學改革對培養學生動手實踐能力和創新能力的積極影響。

參考文獻

[1]周冠玲，馮占英，李戰.“單片機原理及應用”課程教學改革的探討[J].中國電化教育，2012（6）：105-107.

[2]葛浩，林其斌.單片機課程設計教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（10）：138-140.

[3]姚健.單片機課程項目化教學改革的研究與實踐[J].遼寧高職學報，2015，17（2）：51-53.

[4]朱建光，鄭浩，劉本偉.單片機原理與接口技術教學改革與實踐[J].武漢大學學報：理學版，2012（S2）：188-190.

[5]郭棟，白銳，王春霞.激發大學生主觀能動性 提高動手實踐能力[J].中國現代教育裝備，2016（5）：42-44.

[6]藍和慧，張健.談指導教師在大學生創新團隊中的作用[J].遼寧師專學報：社會科學版，2015（6）：124-125.