新工科背景下單片機實驗教學改革研究

邢曉燕　金洪穎　焦方源

摘要：針對當前單片機實驗教學中存在的各種問題，為適應新工科建設背景下新興產(chǎn)業(yè)工科人才的培養(yǎng)，提出了教學改革措施。根據(jù)學科融合交叉培養(yǎng)機制，建立工程師教學團隊;修訂實驗講義內(nèi)容，改進實驗教學方式，制定了適應不同層次學生的考核評價標準。實踐表明，新的教學方式和評價體制更能激發(fā)學生的興趣，提高了學生實踐創(chuàng)新能力，使學生具備了單片機應用系統(tǒng)開發(fā)能力，并在學科競賽中取得良好成績。

關鍵詞：新工科;單片機;實踐教學;教學模式;學科競賽

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）07-0158-03

Abstract：Aiming at various problems in the current MCU experimental teaching， in order to adapt to the training of engineering talents in emerging industries under the background of new engineering construction， teaching reform measures are proposed. According to the interdisciplinary training mechanism， the engineer teaching team was established; the contents of the experimental lectures were revised， the experimental teaching methods were improved， and the assessment and evaluation standards suitable for students of different levels were formulated. Practice shows that the new teaching method and evaluation system can more motivate students' interest， improve students' practical innovation ability， and enable students to have the ability to develop MCU application systems and achieve good results in subject competitions.

Key words：New Engineering; MCU; Practical Teaching; Teaching Mode; Subject Competition

1 引言

新工科建設是我國自2017年以來著重開展的戰(zhàn)略政策，為響應新時代和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新工科建設刻不容緩[1]。與老工科相比，“新工科”更強調(diào)學科的實用性、交叉性與綜合性，單片機課程作為計算機、電子信息及電氣自動化等專業(yè)的主干課程之一，更加注重工業(yè)智能與傳統(tǒng)工業(yè)技術的緊密結(jié)合，因此，培養(yǎng)創(chuàng)新型實踐人才，是單片機教學改革的重中之重。

單片機作為一門實踐性很強的課程， 具有較強的理論性和實踐性，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。因此，實驗教學在整個單片機教學中具有至關重要的作用，實驗教學質(zhì)量直接關系到整體教學的質(zhì)量和課程教學目標的實現(xiàn)，而傳統(tǒng)的單片機實驗教學內(nèi)容陳舊，教學方式單一，無法滿足現(xiàn)實的社會需求，也不適應新工科的建設。因此，如何整合教學內(nèi)容，探索教學模式，改進考核方式，培養(yǎng)面向未來工程技術的應用型人才成為亟待研究和探索的問題。本文探討新工科建設背景下單片機實驗課程的教學改革[2]。

2 單片機實驗教學現(xiàn)狀

2.1 實驗多為驗證性實驗，不利于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力

目前單片機課程的實驗課時少，只占到總學時的20%左右，考慮到學生的整體水平，開設的實驗多為驗證性實驗，諸如流水燈、蜂鳴器、數(shù)碼管顯示、定時器中斷、串口通信、矩陣鍵盤等實驗，綜合性、設計性實驗較少。這種教學方法，學生很難掌握單片機的系統(tǒng)設計，無法將理論知識應用到實踐，欠缺綜合運用所學知識解決實際工程問題能力。

2.2 實驗設備陳舊，不利于滿足學習興趣培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

目前實驗設備以實驗箱平臺為主，學生進行實驗時，只需要按照實驗指導書連線，輸入例程，查看實驗結(jié)果即可完成。初學者認為這種按部就班的實驗索然無味，難以激發(fā)興趣，且多數(shù)同學從不關心硬件的設計原理，當調(diào)試失敗時，只知道尋找程序問題，無法做到軟硬結(jié)合。傳統(tǒng)的實驗箱形式固化，模塊有限，開發(fā)能力較弱，不利于學生課后創(chuàng)新實踐使用。

2.3 實驗內(nèi)容無層次，不利于滿足學生差異化需求

傳統(tǒng)的實驗講義，實驗內(nèi)容相同，任務單一，不適合復雜學情。有的學生對單片機早有接觸，有一定基礎，有的學生學習能力強，這些學生很容易完成實驗任務，意猶未盡;而學習能力較差的學生難以完成實驗內(nèi)容，甚至出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象。長此以往，教學效率低下，不利于培養(yǎng)學生實踐能力。

2.4實驗內(nèi)容相對孤立，不利于培養(yǎng)學生職業(yè)素養(yǎng)

單片機的學習涉及模電、數(shù)電、C 語言等基礎知識，后期的開發(fā)離不開傳感器技術、電機控制等。這些課程由不同教師授課，教師之間溝通少，教學內(nèi)容缺乏整合，基礎實驗內(nèi)容重復，學生無法將所學內(nèi)容融會貫通，不容易建立系統(tǒng)的專業(yè)知識體系，不利于培養(yǎng)學生的職業(yè)素養(yǎng)。

3 改革方法

3.1 加強教學團隊建設

新工科要求多學科交叉融合培養(yǎng)機制，并非是簡單地增設課程，而是要根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求，將工科學生所需要的基礎知識充分融合，這對教師的能力是巨大挑戰(zhàn)。為了強化教學團隊的工程實踐教學能力，可派遣授課教師到企業(yè)掛職鍛煉，參與項目論證，產(chǎn)品研發(fā)，技術改進等;同時加強“校企合作”，聘請擁有豐富工作經(jīng)驗的研發(fā)專家來校授課，參與項目研究。通過組建工程師教師團隊，成員加強合作交流，根據(jù)專業(yè)特色，制定適合新工科的特色教育課程體系。

在實驗教學上，注重課程前后的關聯(lián)，避免重復簡單基礎實驗，制定完善的實踐能力培養(yǎng)計劃。以單片機為例，前續(xù)課程如數(shù)電中的譯碼器、寄存器、觸發(fā)器，C語言中的指針、結(jié)構(gòu)體、枚舉，學生要理解掌握。同時，完成一個整體項目所具備的能力，諸如電路設計、各類傳感器的使用、無線通信、3D打印、PCB設計、電路焊接等技能，也應該讓學生有途徑學習，這些都依賴于教師如何制定培養(yǎng)方案。

3.2 組建學生技能團隊

我院一向重視學生的實踐動手能力，設有開放實驗室，面向?qū)W生全天開放。可以依托“電子創(chuàng)新實驗室”，由課程組教師指導，組建學生技能團隊。從學生大一入校開始，甄選有興趣的學生進入實驗室培訓，由指導教師制定培訓計劃和內(nèi)容，高年級學生負責協(xié)助指導，采用傳幫帶方法，既讓高年級學生系統(tǒng)鞏固了基礎知識，又將指導教師從重復簡單教學的體力勞動中解放出來，有時間和精力指導高年級學生開展創(chuàng)新型項目、競賽性項目。考慮到大一、大二學生專業(yè)知識薄弱，電路設計能力有限，可以考慮采用51單片機和Arduino單片機設計電路，這兩種單片機入門容易，開發(fā)周期短，其中Arduino硬件資源豐富、自帶封裝的函數(shù)庫等優(yōu)勢，更易被學生采用，容易提高學生的積極性。

指導教師針對不同年級、不同層次學生發(fā)布階段性任務，有課程綜合性項目、設計性項目，有難易度不同的工程項目，創(chuàng)新型項目，有計劃地提高學生實踐能力。教師指導學生將一個完整的項目劃分成若干個任務，小組協(xié)作完成，使學生熟悉項目開發(fā)流程，參與項目的設計、制作及調(diào)試，直至做出成品。學生在項目實施體驗中獲得了經(jīng)驗和技能，不僅將所學理論知識應用到實踐中，同時團隊成員間相互交流、相互學習、有助于能力快速提升，保證了團隊的穩(wěn)定性和技能性。

這些學生技能團隊的成員可以作為單片機實驗學習小組的領頭羊，也是參加學科競賽的生力軍。

3.3 實驗教學內(nèi)容改革

根據(jù)教學大綱，將單片機實驗教學內(nèi)容進行合理規(guī)劃，按照難度系數(shù)劃分為基礎-提高-擴展（難）三個等級，在課前把實驗任務發(fā)布下去，學生根據(jù)自身能力選擇不同難度等級的實驗。要求學生在課前先編寫好程序，利用proteus仿真軟件調(diào)試，實驗課中再進行實物調(diào)試，這樣可以留給學生充分思考、分析問題的時間，在課上就遇到的問題跟小組成員進行討論，教師隨時可以對實驗小組進行指導，答疑解惑。這樣能充分發(fā)揮學生的主觀能動性，這種以學生為主體的教學方法思想與“新工科”背景下強調(diào)以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題能力為主的應用型人才培養(yǎng)思想具有一定的共同性，符合“新工科”培養(yǎng)大量新型工業(yè)人才建設支撐新型工業(yè)化的發(fā)展的理念[3]。

比如，在進行定時/計數(shù)器實驗時，題目有三檔：A檔題目為采用不同的工作方式產(chǎn)生固定頻率的方波，掌握定時器的簡單應用;B檔題目為生成一定占空比的波形，熟練掌握定時器和計數(shù)器的聯(lián)合使用;C檔題目為產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形，可以實現(xiàn)流水呼吸燈的設計，加入了按鍵和LED燈，增加了編程難度。這樣學習能力差、基礎薄弱的同學也有能力完成實驗，避免出現(xiàn)無從下手，抄襲別人程序的現(xiàn)象發(fā)生;而有單片機基礎、學習能力強的同學可以選擇難度較大的實驗內(nèi)容，將所學知識融會貫通，進一步提升應用能力。在實驗室技能團隊學生的帶領下，部分小組可以完成C檔題目，當呼吸流水燈調(diào)試成功時，極大地鼓舞了班級學生的學習積極性，增強了學生動手解決實際問題的信心。

可以看出，在單片機實驗課程中，學生技能團隊的成員發(fā)揮了積極的作用，帶動小組成員在做中學、學中做，協(xié)助教師指導其余學生，任課教師更容易采用做學教一體方式，使更多的學生獲得指導，提高教學效果。

根據(jù)實驗內(nèi)容的改革，實驗成績的評價體制也相應地做出改變。實驗成績的評定不僅要對結(jié)果進行評價，同時也要對學習過程進行評價。教師可以根據(jù)題目等級和實驗操作能力現(xiàn)場打分。其中，A 檔總分為100 分，B 檔總分85 分，C 檔總分為70 分，并且按照實驗接線、程序編寫、實驗調(diào)試和實驗結(jié)果四個環(huán)節(jié)按比例計分。

在單片機教學中后期，教師按照培養(yǎng)目標制定一些中小型項目題目，融合了單片機基礎知識及不同外設模塊，學習小組可以根據(jù)組員的興趣選擇題目，在開放實驗室進行實物制作。教師指導小組制定實驗計劃，理解系統(tǒng)基本原理和技術難點，從選擇元件，設計電路，編寫程序，驗證想法直至完成項目。此模式一方面提高學生分析、設計、解決問題的能力;另一方面也提高了團隊合作能力。教師根據(jù)實物制作的完成度對小組成員打分，作為單片機課程成績的一部分。

3.4 推動學科競賽，以賽促學

學科競賽是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力、檢驗學科實力的有效途徑.在大力倡導建設新工科的時代背景下，學科競賽作為工程教育一個重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)卓越工程師的一種有效方法，日益受到全國各大高校的重視[4]。現(xiàn)階段，有很多比賽可供學生選擇，諸如大學生電子設計大賽，機器人大賽，“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”“藍橋杯”等省級、國家級競賽，為學生工程素質(zhì)培養(yǎng)提供了很好的平臺。大量實踐證明，參加這些競賽的同學，實踐能力和創(chuàng)新能力得以顯著提高[5]。

通常這些電子競賽的題目會涉及數(shù)電、模電、單片機、傳感器、電機、自動控制等多方面知識，在進行電路設計時，多以單片機為核心處理器，因此，在平時教學中，設計以單片機為核心的工程項目尤為重要。在訓練中，學生使用開發(fā)板和各種外設模塊設計電路，便于學生理清設計思路，方便調(diào)試，還可以二次開發(fā)重復使用。

在備賽中，學生是參賽主體，指導教師是助推器.教師將所需知識點融入具體的項目中，圍繞知識點提出相關問題，引導學生進行思考;學生通過自主學習，查閱資料，小組討論，尋求解決方法。

通過競賽，教師可將接觸到的新技術和新器件應用到后期的理論教學中，適度調(diào)整實驗教學的內(nèi)容，加強實驗室建設。學生要對競賽的內(nèi)容進行總結(jié)，選手之間討論交流，將有用的信息分享給低年級學生，逐步提高學生的整體參賽水平。近年來，通過師生的共同努力，在各類省級、國家級學科競賽中取得了較好的成績，提高了學生的單片機創(chuàng)新實踐能力。

4 結(jié)束語

新工科是我國積極發(fā)展的剛性需求， 加快建設和發(fā)展“新工科”，培養(yǎng)新經(jīng)濟急需緊缺人才，已經(jīng)成為全社會的共識。近年來，我院根據(jù)行業(yè)需求，整合現(xiàn)有資源，教師再深造，打造了一支科研能力強的工程師教學團隊;同時為學生提供了設備資源豐富、開放的實驗環(huán)境;在教師的規(guī)劃下，學生技能梯隊構(gòu)建合理，發(fā)展穩(wěn)定，動手實踐能力和創(chuàng)新能力不斷提高，在電子設計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”等各類競賽中，取得的名次在提升，獎項在增多。依據(jù)競賽中總結(jié)的經(jīng)驗，教師調(diào)整教學理論內(nèi)容，修訂了實驗講義，改進教學方式，提 升了人才培養(yǎng)質(zhì)量，形成了良性循環(huán)。

參考文獻：

[1] 林虹.突出雙創(chuàng)能力培養(yǎng)的應用型特色課程教學改革探索——以“單片機原理及應用”課程為例[J].工業(yè)和信息化教育，2019（10）：33-38

[2] 王海艦，袁嘉惠，吳立韜，溫家寶.新工科建設背景下的學科交叉融合機制研究與探討[J].課程教育研究，2019（12）：7-8.

[3] 王莉，蘇波，崔立志，趙運基，楊凌霄，高如新.新工科建設背景下“單片機”課程教學改革[J].教育現(xiàn)代化，2019，9（77）：61-63.

[4] 席文平，藍和慧. 單片機原理及接口技術實驗教學改革研究[J].中國教育技術裝備， 2018（6）：111-117.

[5] 姜來為，楊宏宇，熊育婷，付宇，張良，李曉文.“新工科”背景下計算機類專業(yè)課程教學改革探究——以“信號與系統(tǒng)”課程為例[J].高教學刊，2020（4）：129-130.

[6] 肖順根，袁秋風，賴聯(lián)鋒，鄭海超，謝智恩，嚴偉濤.機械專業(yè)學科競賽的單片機課程教學改革[J].寧德師范學院學報（自然科學版），2020， 32（l）：94-98.

[7] 熊旻燕 .應用型人才培養(yǎng)視域下的單片機教學改革研究以學生工程實踐能力培養(yǎng)為導向的單片機技術課程改革[J].科技資訊，2018（09）：197-198.

[8] 孫長偉，王艷春，黃迎輝.以學生工程實踐能力培養(yǎng)為導向的單片機技術課程改革[J].白城師范學院學報，2018，32（6）：27-31.

【通聯(lián)編輯：王力】