基于學生創新能力培養的單片機課程改革探討

郭宏 胡威

摘要：本文結合高等學校電類專業“單片機技術”課程的教學改革與實踐，提出培養學生創新創業能力的新型單片機課程教學系統，有效地把課堂教學、實驗教學、課程設計和畢業設計以及創新大賽有機結合，突出教學環節的反饋功能，實現授課、實驗和競賽的一體化教學模式。這不僅可以提高單片機課程的教學質量，而且能夠培養學生的創新意識和工程實踐能力。

關鍵詞：單片機技術課程；教學改革；創新能力培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）06-0119-03

一、開展單片機課程教學改革的必要性

創新創業能力是學生綜合素質的重要體現，也是新時期衡量人才培養質量的重要指標[1]。高等學校積極開展創新創業教育，培養具有創新精神、創業意識和創業能力的新一代復合型創業人才，鼓勵學生創業和積極建設創新型國家，是時代的需要，也是人才培養的需要。

在教學活動中，培養學生的創新創業能力，課程是重要的載體[2]。目前，單片機控制技術已經日益融入人類社會。單片機具有成本低、體積小、功能強的特點，它廣泛應用于工業控制、智能電表、工業機器人、信號處理和家用電器等領域。單片機的應用和實踐，是促進學生創新創業的良好平臺[3]。基于此，本文提出旨在培養學生創新創業能力的單片機課程教學模式改革，探索將創新創業內容融入單片機課程教學，將課程教學活動與提高學生創新創業能力結合起來。

二、單片機課程教學的特點

單片機課程是高等學校電類專業的必修課程，其教學強調應用性和實用性[4]。而從應用的角度來看，要使學生學完該課程后能進行單片機系統開發，僅僅學習單片機這一門課是不夠的。由于單片機只是電子系統的控制器，而單片機外設芯片擴展、電路板設計、傳感器、信號采集調節、控制對象和控制策略等，都是單片機應用的必備知識。針對上述特點，可將單片機課程的知識結構劃分為三個模塊：前導模塊、核心模塊和擴展模塊，這三個模塊是漸進式的，如圖1所示。前導模塊是電路設計的基礎，核心模塊是單片機應用的基礎，擴展模塊是系統設計的基礎。其中，核心模塊中，單片機原理是最重要的課程，是簡單電子電路設計邁向復雜電子系統和完整系統設計的途徑。三個模塊的融會貫通。是畢業設計順利進行、學科競賽取得成績的保證，是后續進行技術研發的基礎。

單片機課程體系強調的是系統性，不能與整個單片機應用系統分離。教師在教學過程中應從系統角度講授知識點和實踐技能，使學生掌握知識的內在聯系，明白單片機的用途和使用方法，而不是單純地應付考試和被動地接受它。為了實現上述目的，在課程教學中，必須把握其作為實踐類課程的一些特點。

1.綜合性強。其主要課程包括“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“計算機編程語言”和“電路仿真技術”。如果前期課程的基礎沒有打好，就會對單片機課程的學習造成障礙。因此，講授單片機課程的教師，應該在講課過程中加強對以前課程的回顧和聯系。

2.應用范圍廣。單片機技術的綜合和靈活運用，對于學生創新能力的培養和實現，具有深遠的意義。目前，單片機控制技術已越來越融入人類生活和工農業生產。一個好的智能產品的誕生或新的生活理念的實現，都離不開單片機控制技術。

3.理論可接受性差。單片機課程涉及的硬件知識多，教學過程中，學生對理論知識的理解存在一定的困難，使學生主觀地認為課程與專業的關聯性不強。因此，造成學生在學習該課程時缺乏主動性，在遇到問題時不想深入研究。

4.實用性強。由于單片機課程如果脫離實驗和實踐環節，課程便失去原有的意義；脫離了應用，單片機課程的教學將是紙上談兵，毫無意義。

5.技術更新快。隨著微電子技術的發展，單片機的性能不斷提高，在理論教學中，要不斷更新教材，講授新型號，才能使學生掌握單片機的最新理論和技術。

如何更好地在高等學校電類專業中開設好單片機課程，如何與單片機教學相結合，更好地培養學生的創新能力，這是目前單片機教學中亟待解決的問題。

三、當前單片機教學中存在的弊端

目前，單片機課程使用的教材過分強調知識體系的完整性，理論教學和實驗教學是在不同地點、不同時間進行的，授課教師也不相同，導致教學與實驗相互脫節。實驗室的實驗主要是理論知識的驗證性測試，學生在實驗箱上按步驟進行，實驗內容簡單，功能有限，而項目設計類的實驗無法實現，創新性的設計也無法進行[5]。

單片機課程具有較強的綜合實用性，是培養學生創新創業能力的良好平臺。傳統的單片機課程教學往往忽略了單片機應用的特點，沒有把創新創業教育融入課程教學的全過程，忽視了學生創新創業能力的培養[6]。

如何消除這些不利因素，營造一個良好的創新創業教育生態，使單片機課程成為學生創新創業教育的良好土壤、平臺和工具，是改革單片機課程教學模式的關鍵。

四、改革單片機教學模式，提高學生創新能力

單片機的教學改革，應從單片機課程的教學系統入手[7]。我校以培養創新型人才為目標，重建了單片機課程教學體系，如圖2所示。這一課程體系包括必修模塊和選修模塊。必修模塊包括理論教學、實驗教學、自主學習和課程設計。按照教學計劃，三年級上學期時，學生完成單片機的理論教學、實驗教學和自主學習；下學期開學后兩周進行課程設計。選修模塊由學生科研、學科競賽、畢業設計、參與教師科研項目組成，由學生自主選擇。從第五學期開始，學生參加各級學生的科研項目，通過舉辦和參加學校、省、國家級本科生電子設計競賽，選擇供應鏈管理應用專業畢業設計課題，進一步鞏固學習成果，并有一定程度的單片機開發經歷。同時，學生也可以參與教師的科研項目，提升他們的工程實踐能力。

為實現上述單片機課程教學系統，有必要加強單片機課程教學，培養學生的創新能力。首先，改革現有單片機課程的教學方法，將理論知識、實踐環節和創新能力有機地結合起來。教學改革實踐的具體思路，可以概括為：

1.課堂教學環節。首先，對于專業性較強的單片機課程，教師必須在課堂上發揮主導作用，成為課堂教學的組織者和指導者[8]。其次，重視理論教學，對涉及的知識點講通講透。例如單片機的硬件組成，由于單片機的集成度很高、體積小，所以對其硬件的直觀認識只能通過模塊、電路和連線來講解。最后，將學生的單片機創新項目和參加競賽的成果作為課堂教學實例，通過成功實例的講解和分享，調動學生在課堂上的積極性和參與性。

2.課程實驗環節。建立開放的單片機實驗室，實現單片機實驗硬件資源的校內共享。為了進行有效實驗，實驗指導教師與授課教師須密切合作，做到實驗內容與課堂教學內容相結合，實現實驗與創新的良性互動。在實驗開始之前，布置好實驗題目以及需要查閱的相關參考資料，使學生清楚地了解他們在實驗中將學到什么，并且在實驗課程中展示和分享往屆學生的優秀實驗作品及其實驗原理和實驗過程，實現目標性實驗設計和互動式的實驗教學。

3.課程設計環節。課程設計的課題，應考慮學生單片機功能的發展和特定專業科目的整合[9]。例如，電子信息專業的學生可以將“單片時鐘定時系統”和“多功能點陣顯示系統”等課題作為課程設計課題；計算機專業學生可以將“單片機溫度檢測與控制系統”、“單片機多功能時鐘系統”作為課程設計課題。單片機的課程設計應與其他專業課程相結合。例如，在單片機課程設計期間，課題項目中的電路圖設計，已通過其他課程設計完成。通過單片機課程設計，完成智能控制部分的實現。采用這種設置方式，既實現了與學生所學專業相結合，又使學生在課設過程中充分運用所學過的知識，避免使單片機課程成為學生頭腦中課程與專業相分離的困難課程。

4.創新、競賽環節。完備的理論基礎，良好的編程能力，課程實驗、課程設計的實際操作和實踐培訓，造就了學生扎實的理論基礎和實踐能力[10]。當學生進入三年級時，他們可以利用自己積累的知識積極參與各級各類的項目申報和電子大賽，這對培養學生的創新能力至關重要。教師應積極鼓勵和引導學生參與項目或競賽，實現自身價值的體現和自主創新能力的鍛煉。通過對具體產品的創新設計、優化改進，對設計的反復修改和改進，以及對軟件的不斷修改和調試，使學生的實踐能力和創新思維得到進一步提升。

五、結論

近年來，我校通過“單片機技術”課程的教學與實踐改革，教學質量得到很大提高，拓寬了學生的知識面，提高了學生專業課學習的興趣。學生不僅在工程實踐能力方面得到鍛煉和提高，而且培養了創新思維和創新能力，實現了自身創新能力和創業能力的提升，為后續專業課程學習和實踐打下良好的學習基礎。新型單片機課程教學體系的課程教學模式，經過近幾年的教學實踐檢驗，取得了良好的實踐效果。依托基于學生創新能力培養的單片機教學實踐改革，促進了學生創新能力的培養，對其他專業課程的教學改革也具有較大的借鑒作用。

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