“講課與實驗相融合”的單片機原理及應用課程教學改革與實踐

張樂樂　徐剛　梅秀莊　徐永祥

摘? 要：《單片機原理及應用》是一門實踐性很強的專業教學課程，探索課堂中以學生為主體、教師為主導的教學改革，充分調動學生學習的積極性，以實現學生綜合能力的培養具有重要意義。文章針對傳統授課方式即“講課與實驗相分離”的教學方式中存在的諸多問題，提出了“講課與實驗相融合”的四階段教學改革與實踐措施，使得教學效果得到顯著提升，并總結和分析了教學改革成效。

關鍵詞：單片機;課程分離;課程融合

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）36-0154-04

Abstract： Principle and application of single chip microcomputer （SCM） is a practical course. Therefore， it is of great significance to explore the student-centered and teacher-led teaching reform and fully arouse students' enthusiasm in learning to develop the students' comprehensive ability. In this paper， in view of the problems from traditional teaching method with "the separation of lectures and experiments"， we propose the four-stage reform in education with "combining lectures with experiments". In this way we get better results in teaching， and present the summary and analysis of the effect of teaching reform.

Keywords： SCM; curriculum separation; curriculum fusion

一、概述

《單片機原理及應用》是電類專業必修的一門實踐性很強的專業教學課程。課程主要研究單片機的基本原理和匯編語言程序設計及其系統擴展。根據本課程的特點，在課程教學中需要理論與實踐相結合，已有文獻對單片機課程進行了相關教學改革如優化教學方法和教學內容、加強實踐教學等[1-4]。然而，在實際的專業教學過程中，單片機課程的實踐沒有與理論教學進行實時有效的融合，造成學生們學習效率低，無法在實踐中高效率地提高知識的掌握程度和動手能力的培養。積極探索以學生為主體，以教師為主導，充分調動學生學習的積極性的單片機課程改革，以實現學生綜合能力的培養具有重要意義。

二、《單片機原理及應用》課程特點

（一）教學內容特點

1. 實踐性強。《單片機原理及應用》課程內容主要包括單片機內部基本結構、匯編語言尋址方式和程序設計方法、C51語言和程序設計方法、中斷系統、串行接口與串行通信以及單片機的系統擴展。其中單片機內部基本結構介紹了單片機內部的基本組成以及各功能模塊的作用以及單片機內部運行機理;匯編語言和C語言則可以結合Keil軟件進行程序編寫與調試;中斷系統為單片機的核心組成，也是這門課程的重點和難點內容，該課程的學習可以結合單片機開發板進行軟硬件調試，以掌握該內容;串行口與串行通信以及單片機的系統擴展為單片機課程的擴展內容，需結合相關軟硬件進行學習。因此，課程內容中都具有很強的實踐性，需要結合單片機開發板進行硬件調試和軟件編程。

2. 課程內容獨立。《單片機原理及應用》課程內容具有較強的獨立性，不需要具備較多本專業課程理論知識。因此該課程可以開設的學期較靈活，根據不同專業人才培養目標的不同，可以結合其他課程，建立以單片機課程為核心的實踐類課程群，為課程實訓、課程設計、專業綜合設計以及畢業設計奠定基礎。

（二）授課對象特點

大部分高校單片機課程的開課學期為第5或第6學期的大三年級學生，該年級學生是本科生中科技創新的主體，部分學生會參加創新項目和科技競賽，因此單片機課程的有效學習，對于學生的科技創新尤為重要。由于大三年級學生學習目的性比較強，因此有效的教學方法可以大大提升學生的學習效率。

二、單片機課程教學中存在的問題：“講課與實驗相分離”

目前大部分高校單片機課程的教學還是采用“講課+實驗”分離課堂的方式進行，老師和學生需要到教室進行規定學時的課堂授課，然后再去指定實驗室完成規定學時的實驗教學。這樣勢必會造成某些情況出現如授課內容和實驗內容存在脫檔，也就是大部分老師會選擇先完成講課內容，然后再去做實驗，這樣的教學效果很難高效地使學生掌握相關理論知識和實踐內容;由于目前大部分工科院校仍然采用體積較大的實驗臺進行實驗教學，因此學生們需要到指定的實驗室完成實驗課程，由于傳統實驗臺體積大、價格高，一般院校受到經費、實驗面積等條件的限制，很難做到每位學生一個實驗臺，學生們被分成3-5人的小組進行實驗，這樣勢必會造成部分學生懶惰不能自主地完成實驗，影響教學效果，很難真正意義上培養學生們的動手能力。

隨著芯片技術的不斷發展，集成度不斷提高，價格不斷降低，傳統體積龐大且價格昂貴的實驗臺被體積小、性價比高的實驗箱所取代，學生們利用相應的實驗指導教程可以得到充分鍛煉。除此之外，筆記本電腦性價比也在不斷提高，每位大學生都可以根據自身條件配備不同性能的便攜式電腦。基于此背景下，在課堂中可以同時完成講課與實驗教學，即“把實驗室搬進課堂”，這樣對提高學生的學習效率和激發學生的學習興趣，顯得尤為重要。

三、單片機教學改革與實踐：“講課與實驗相融合”

目前，大多數高校的電類專業都開設了單片機課程，由此可見單片機課程的學習對今后踏入社會進入高新科技企業的人才起著重要作用。智能控制中最簡單的微控制器就是MCS-51單片機，單片機相關知識的學習是其它智能微控制器的基礎，那么，教學內容和教學方法的改革就是提升教學質量的有效途徑。

近幾年，以單片機課程為核心的課程群教學團隊進行了多次討論以及實踐，通過對講課內容與實驗內容的整合，給出了一套行之有效的教學方法，為下一階段的人才培養方案修訂、工程教育專業認證以及一流專業建設提供了新思路。課程改革的過程主要分為四個階段如圖1所示，具體實施過程如下：

第一階段，我校測控專業培養方案中單片機課程中講課為32學時，實驗為8學時。從2015級學生開始將單片機實驗以及科研項目引入課堂中，任課老師根據教學設計將單片機實驗箱、便攜式電腦和示波器等實驗儀器帶到課堂，針對課程內容設置的8學時實驗，在課堂中為學生們進行演示，由于課程內容與實驗內容是實時關聯的，學生們具備實驗所需的理論與實踐知識，因此，學生們對此產生極高的學習熱情，提高了對知識的理解和應用能力。當學生們進入實驗室完成規定學時實驗時，能夠高效地完成實驗指導書規定步驟以及程序編寫，大大提升實驗課的學習效率。

第二階段，2016級和2017級學生在老師的引導下，部分同學在課程開始前已經準備了微型單片機實驗箱，該實驗箱價格便宜且功能齊全，大部分學生都可以從網上買來進行課程學習和科技創新。在課程進行中老師會選取部分易操作實驗，讓學生們在課堂中完成相關實驗，并讓部分同學對實驗進行講解，這樣讓之前枯燥的課堂變得生動有趣，學生們在動手中產生學習興趣。此外，課程將相對復雜的實驗放在實驗室中進行，這樣學生們有充分時間解決較難問題，大大提升學生的實踐能力。

第三階段，通過資源配置，向學院申請經費購買微型單片機實驗箱，做到每位學生手上有一個微型實驗箱，通過對課程內容和實驗的優化，去掉傳統的分離實驗學時，增大講課學時，并且優化實驗內容使其更適宜在教學課堂中進行，將復雜的實驗項目放到為期兩周的單片機實訓、專業綜合設計課程中，這樣學生能夠充分利用該時間完成指定題目和創新題目。

第四階段，通過前幾個階段的教學改革和實踐進而建立健全單片機課程的課程標準、教學方法和硬件資源，完全實現講課與實驗相融合，培養學生的理論與實踐相結合能力，重點提升了學生的學習興趣，打開學生專業課學習的熱情，并且能提早讓學生參與到科技創新中。

四、單片機教學改革與實踐成效

（一）課程成績

將實驗內容和相關科研項目引入課堂中，在課堂中授課老師逐一講解和演示，部分同學利用自己的實驗箱動手實操，將課程理論知識與實踐相結合，讓學生們更主動地參與課堂的互動中。通過對三個年級的單片機課程進行改革與實踐，從任課老師的反饋中可發現班級中學生聽課率高，回答問題積極，缺勤同學較少，能很好地掌握學習內容。為了驗證本文提出的改革與實踐措施的有效性，選取了2012級-2017級連續六年的單片機課程成績進行統計，分別給出了每個年級不同分數段的統計結果如表1所示，從表中分析可知不及格人數在教學改革與實踐之前也就是2012級-2014級學生，其平均不及格人數約為21人，不及格人數占班級平均總人數的百分比約為32.3%。2015級開始進行單片機課程的教學改革，不及格人數相比前面下降了9人，占比為13.2%，下降了19.1%。2016級教學效果明顯僅有2位同學不及格，占比為2.9%，相比2015級下降了29.4%。而2017級不及格人數為0，由此可見課程教學改革與實踐效果非常顯著。除此之外，成績在優秀和良好的學生總人數也在逐漸升高，2015級-2017級分別為16人，22人，37人，該數據則能從總體說明教學改革與實踐對全部學生都有積極影響，大大提升了學生的學習效率和學習熱情。圖2給出了不同年級不同分數段統計結果，從圖中很明顯看出從2015級開始成績分布規律較符合正態分布，與2012級-2014級相比，可見本課程教改與實踐意義重大。

（二）科技創新

《單片機原理及應用》這門課程在學生們的科技創新中起著重要作用[5-6]，如何讓學生將單片機應用于實踐中具有重要意義。通過本次課程改革實現了講課與實驗相融合，課程中可以圍繞以單片機為核心的項目或實驗進行演示、實操和講解，這對學生接下來完成已有的創新項目、申請新的創新項目或者參加科技競賽提供了解決問題的思路以及創新想法。通過近幾年的課程改革發現，學生在科技創新中保持較高的水平，申請創新項目和參加科技競賽的學生數量逐年增高，同時近幾年學生申請專利的數量也在增高，每屆學生授權的專利平均有3-5項，這足以說明學生們的科技創新的意識，也驗證了單片機課程改革與實踐對科技創新的積極意義。

（三）專業綜合設計類課程

《單片機原理及應用》課程的后續相關課程包括課程實訓、相關課程設計、專業綜合設計和畢業設計，從相關課程負責老師的反饋中發現，學生使用單片機完成相關設計的主觀能動性越來越高，且在課程規定時間內能完成設計任務。而在改革之前，學生對單片機比較抵觸，認為較難，不能理清單片機的軟硬件開發流程，通過課程改革后學生都能動手完成單片機軟硬件開發流程，對于單片機的學習和使用相比之前更自信，使得綜合設計類課程中單片機選題數較多且完成度較好。

五、單片機教學改革的持續改進

持續改進理念貫穿于工程教育專業認證的全過程[7]，而專業建設持續改進的本質則是課程的持續改進，課程教學改革對提高工程教育人才培養質量起著至關重要的作用。盡管通過本文提出的四階段教學改革與實踐措施已顯著地提升了教學效果，但是隨著半導體芯片技術的不斷發展、教師對課程認知的提升、學生持續的反饋以及新時代學生的學習特點，課程教學改革也應持續改進。因此，持續改進的理念也應貫穿于單片機課程教學的全過程，從而建立“評價-反饋-改進”反復循環的持續改進機制，實現對課程內容、課程培養目標、課程畢業要求以及綜合實踐能力提升的持續改進。

單片機課程持續改進模式可以分為課內和課外兩個循環。課內循環主要是不斷改進和優化課程內容、課程培養目標以及畢業要求;課外循環即通過建立以單片機為核心的課程群進行持續改進，提高學生的綜合實踐能力，如我校測控專業以單片機為核心的儀器設計類課程群包括《單片機原理及應用》《電子設計與仿真》《傳感器原理及應用》《誤差理論與數據處理》和《測控電路》多門專業課程，通過對培養方案的修訂，可實現課程內容的銜接，以實現智能儀器設計。此外，學生通過課程實訓、課程設計以及專業綜合設計類課程完成綜合課題任務，該任務綜合了課程群中不同課程的內容，從而使學生以單片機為核心實現不同的工程應用以提升學生的綜合實踐能力，再通過對課程群建設的教學改革進而促進單片機課程的持續改進。

表2給出了我校測控專業《單片機原理及應用》課程目標與畢業要求指標點對應關系，從表中可看出該表包含了課程內容、課程培養目標以及課程對應畢業要求指標點。我校測控專業單片機課程的畢業要求應滿足指標點3和5，通過該課程學習使學生滿足設計/開發解決方案和使用現代工具的畢業要求。不同學校的不同專業所開設的單片機課程應依據自身專業和課程特點，選擇不同的畢業要求指標點、課程內容以及培養目標，通過持續改進模式，建立不同的持續改進機制，提升學生的綜合實踐能力。

六、結束語

通過分析傳統課程中“講課與實驗相分離”中存在的問題，結合單片機課程的特點，對該課程進行了“講課與實驗相融合”的教學改革與實踐，并對實施過程和實施成效進行了分析與探討。通過對三個年級的單片機課程教學改革與實踐，已取得了較好成效，從學生的反饋信息、考核成績、科技創新以及對后續綜合設計類課程的影響，都能驗證改革措施的有效性。隨著工程教育專業認證以及一流專業建設地不斷推進，單片機課程將會在課內和課外兩個循環的持續改進模式下進行持續有效地教學改革與實踐。

參考文獻：

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[7]李志義.解析工程教育專業認證的持續改進理念[J].中國高等教育，2015，000（015）：33-35.

*基金項目：內蒙古工業大學教改項目“‘一流專業建設背景下測控專業儀器設計類課程群建設與實踐”（編號：2020201）和“測控專業系列核心課程虛擬仿真教學平臺研究”（編號：2020101）

作者簡介：張樂樂（1987-），男，漢族，內蒙古呼和浩特人，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向：微波遙感信息處理。