多元化人才需求下《單片機》課程實驗方案設計

王勇 錢峰

摘 要：市場對人才的需求是多元化的，在設計實驗時，應兼顧實驗內容的趣味性與實用性，在鞏固知識的同時應注重訓練思維，提升能力。為了提升《單片機》課程實驗效果，對課程知識體系解析與重構，多種實驗途徑相結合，加強實驗過程的監管與互動。建立評價體系驗證了所述方法的有效性。

關鍵詞：單片機；實驗設計；思維訓練

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）07-0101-03

Abstract： While the market demand for talents is diversified， interestingness and practicability of experiment content should be promoted in the experimental design. Improving capacity and training thinking should be paid attention to while knowledge is consolidated. In order to improve the experimental results of the Microcontroller course， the knowledge system of the coursewas analyzed and reconstructed. Various experimental methods were used. The supervision and interaction of the experimental process were strengthened. Appraisal system was established to evaluate teaching effect of the experiment course.

Keywords： single chip microcomputer； experimental design； thinking training

引言

隨著安徽省高等職業院校的擴招與分類招生考試的推進，各職業院校除了面向普通高中畢業生招生，還會面向中等職業院校（技工學校、職業高中）畢業生招生。相對于普通高中的畢業生，中等職業院校的畢業生基礎相對薄弱、自我管理能力不足，理論學習的能力較弱。由于上述能力的欠缺，造成了他們在大學階段一些專業課程學習存在困難，缺乏興趣。比如單片機課程綜合電子技術、程序設計以及微機原理的知識，處于電子信息類專業的課程體系中的核心地位[1]。許多學生在剛接觸單片機課程時，具有很高的學習熱情。但是由于上述多種原因，隨著學習到的深入，許多學生感到學習困難，乃至放棄該課程的學習，教學效果并不理想。實驗課程在《單片機原理及應用》這一類專業課中扮演中重要角色。改進實驗課程教學，對改善專業課程的教學效果具有重要促進意義。

一、現有實驗方案的不足

在“大眾創業，萬眾創新”的新形勢下，對用人單位的需求進行調研分析之后，將人才培養目標分為三個方面，即技術應用型，技術服務型和技術管理型。技術服務型和技術管理型人才在日后的工作中，只需以相關技術的基本原理作為支撐，對工作中的問題進行分析，創造性的進行思考決策、溝通協調。目前多數單片機教學以知識的傳授與技能的掌握為目標，多采用教師課堂傳授知識，學生在實驗箱上進行實驗的模式。而實驗箱中各模塊的元器件封裝、固定在印刷電路板上，學生不能主觀的了解元器件的硬件連接，難以根據自己的需要選用各個元器件進行二次開發。學生在實驗過程中往往過多關注于實驗箱的使用方法與對已有知識的驗證，而忽略了對實驗過程中相關問題的分析、思考，難以達到思維訓練的目標[2，3]。單片機課程實驗教學在培養技術服務型和技術管理型人才過程中存在瑕疵。許多高校基于Proteus軟件結合任務驅動式的教學模式設計實驗[4]。實驗過程中，為了完成教師布置的任務，部分學生會主動的學習、探索[5，6]。在這種教學模式下，實驗效果很大程度上取決于實驗內容設計的是否合理。

鑒于此，為了適應人才培養目標的要求，我院依托省級精品課程以對控制信號的處理為主線，對單片機知識進行解析與重構，基于Proteus軟件、開發板實驗與電子制作相結合重新設計了單片機實驗教學的內容。培養學生在實驗過程中，凝練出具有普遍意義的思想與方法解決現實生活中的問題，達到發散思維、學以致用的目的。以適應市場對人才的多元化需求。

二、實驗方案設計

在設計實驗方案時，最迫切的問題是改變學生實驗過程中討厭編程，懶于思考，懶于動手，相互抄襲的現狀。為了調動學生的主觀能動性，既要對已有知識作碎片化處理以降低難度，也要兼顧知識體系的完整性。實驗教學既要鞏固知識點，也要注重培養能力、發散思維，培養學生良好的編程習慣和工程技術人員應有的嚴謹、踏實的素質。因此，在設計實驗內容時，具體采用以下方法：

（一）知識體系的解析與重構

以往單片機實驗課程效果不佳的一個重要原因是學生的計算機語言基礎薄弱，接受新知識的能力差。在設計實驗方案時，對單片機知識進行碎片化處理，將單片機課程劃分為獨立的知識點。針對一個或幾個獨立的知識點設計一個小任務。完成每一個小的任務不涉及復雜編程，為學生學習單片機清除計算機語言這一障礙。在碎片化的同時，應當注重知識體系的完整性以及與其他課程的關聯性。比如學生在學習計算機語言時，常困惑于不知如何應用。在設計單片機實驗時，可從硬件的角度引導學生加深對已有計算機語言知識的理解與運用。隨后，然后在實驗要求的引導下，將完成的各獨立知識點綜合起來，完成一個綜合性任務，逐步形成對知識體系的完整認識與靈活運用。在知識體系解析與重構的過程中，學生學習單片機的同時加深了對已有知識的理解。在完成設計性實驗的過程中利用所學知識解決實際問題，看到具體的實驗現象，收獲學習的樂趣。

（二）虛實結合，加強實驗管理

Proteus仿真軟件與開發板實驗各具優點。Proteus仿真軟件靈活、直觀的特點，便于學生觀察電路連接，理解實驗原理，但是缺乏真實感。開發板實驗無法直觀分析硬件電路與引腳高低電平狀態，但更貼近實際應用，更適合培養學生工程實踐能力。在設計實驗方案時，根據實驗內容所涉及知識點的實際情況，靈活選用虛擬仿真軟件與實物開發板。采用虛實結合，互為補充，必要時結合電子制作。實驗內容應具有一定的工程應用背景，一方面讓學生了解單片機在工程上的應用，另一方面也為后續其他課程的學習提供支撐。

實驗方案中將整個實驗劃分為若干個階段，學生每完成一個階段，經指導教師審閱并評分后，方可進入下一階段。教師應對學生的實驗情況進行總結與點評，有意識的在實驗過程中培養學生良好的編程習慣，如強調模塊的設計思想、提高代碼的復用性與可讀性，提高程序的可移植性。在強調這些工程設計規范的過程中，磨練學生嚴謹、踏實的工作作風。加強指導教師對實驗過程的監控與管理，可以營造緊張而有序的實驗氛圍。

（三）鞏固知識，訓練思維

學生常常會抱怨所學習的知識毫無用武之地，然而大多數情況是學生不知如何運用所學的知識。在設計實驗時，發揮Proteus仿真軟件靈活、直觀的特點，通過一些開放性的問題，引導、刺激學生思考如何運用所學知識解決現實生活中的問題。在解決問題的過程中，學生透過現象看本質，尋找到矛盾的共性，最終由此及彼，實現知識的遷移。解決問題后，會激發學生的成就感與獲得感，進一步激發學生的內在學習熱情和動力，形成良性的循環。

三、實驗設計實例

比如在單片機課程中講到單片機I/O口賦值操作時，如圖1所示，可在Proteus軟件中繪制單片機控制流水燈電路，完成以下要求1至3：

1. 編寫程序使LED燈D1點亮1s，熄滅1s。

2. 編寫程序使LED燈D1-D8中，奇數燈與偶數燈輪流點亮與熄滅1s。

3. 閱讀共陰極數碼管的原理，在數碼管上顯示數字。

4. 利用所給器件，制作心形LED燈，如圖2所示。

5. 簡述利用單片機控制LED燈的原理，還可實現什么功能？

6. 撰寫實驗小結與感悟。

在設計實驗時，由單個LED燈的控制過度到多個LED燈的控制，由易及難，增強實驗的可實施性，培養學生興趣，樹立其學好該課程的信心。共陰數碼管與LED燈外形相差較大，但是本質上并無不同，由LED燈的控制過渡到數碼管的控制，引導學生在學習時注意把握本質規律，實現知識的遷移。在通過仿真軟件理解實驗原理后，要與電子制作相結合，理論聯系實際，提高學生的工程應用能力。學生感受到的不在是課本上空洞的知識，作品完成時的喜悅形成學生學習的內在動力。實驗過程中，應有意識的引導學生利用所學知識解決未知問題，培養學生養成良好的編程習慣，書寫規范的程序與文檔。在實驗過程中教師可根據學生完成實驗的情況，對學生進行考核，并記錄成績。針對學生存在的共性問題進行指導、糾正。

四、教學效果評估

為了評估改進實驗方案對教學效果的影響，將教學效果A拆解為三個二級指標：實驗內容趣味性指標B1實驗完成情況B2、期末考試得分B3。其中，實驗內容趣味性指標B1通過問卷由學生評分，實驗完成情況B2由實驗指導老師觀察學生實驗過程，予以評分，期末考試得分B3為學生期末考試成績，各實驗批次的考試難度盡可能相同。各指標所占權重以及評分細則如表1所示。

歷時兩年，在蕪湖職業技術學院信息工程學院14級、15級計算機應用技術專業中各隨機抽選50名學生進行評估。針對第i個學生的教學效果Ai的最終得分如式1：

（式1）

14級學生采用的是傳統實驗方案，而15級學生采用的是優化后的實驗方案。14級、15級學生各評價指標與教學效果得分的平均值如圖3所示。

采用本文所述方法，加大思維訓練所占比重后，實驗的趣味性有所提升，學生對實驗的完成程度以及對知識點的掌握情況也有所提升。

五、結束語

人才需求多元化的形勢下，對《單片機》為代表的專業課教學提出了新要求。針對新時期學生的特點，應采用多種形式相結合，組織實驗教學，在傳授知識的基礎上，訓練學生的思維，提煉出具有普遍意義的方法和思想指導學生的生活與日后的工作。

參考文獻：

[1]陳龍，張亞君.Proteus仿真軟件在單片機實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理，2009，26（8）：73-75.

[2]殷士勇.Keil和Proteus在單片機實驗教學中的應用[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2009，26（6）：567-570.

[3]王艷春，秦月，張勁松，等.基于應用型人才培養的“單片機原理及應用”教學改革研究與實踐[J].信息通信，2017（11）：260-261.

[4]伍馮潔，謝斌.基于Proteus與Keil的單片機實驗教學改革[J]. 實驗室研究與探索，2009，28（7）：125-127.

[5]陳燕，楊永雙.遞進式模式在單片機實驗教學中的應用研究[J]. 湖北理工學院學報，2017，33（5）：64-66.

[6]陳崇輝，鄧筠.校企共建單片機聯合實驗室的探索與實踐[J].實驗室科學，2017，20（3）：167-170.

[7]葉宗海.應用型本科院校單片機實驗教學改革研究[J].高教學刊，2016（13）：128-129.