單片機實驗課程的項目化改革與實踐創新＊

李紅波，張曉娟，陳明淑

（西京學院理學院，陜西 西安 710123）

作為應用型本科院校中的一門專業基礎課，單片機課程是嵌入式系統課程群的基礎，是實現微控制器專業應用能力的直接體現，是電氣工程自動化/自動化/測控專業技術知識大廈的基石，有著非常重要的課程地位[1]。經過多年的課程教學探索，結合電氣工程及其自動化專業的教學實際和教學情況，對本專業的單片機實驗課程進行巨大改革，教學效果得到好轉，教學質量獲得提升，本文詳細闡述了改革思路和實踐創新方法。

1 教學現狀

1.1 C 語言編程能力薄弱

C 語言是學習單片機實驗課程的一把利器。掌握好C 語言編程知識是學好單片機實驗課程的前提，是實現工程實踐創新應用開發能力目標的關鍵。在學校的課程設置中，雖然C 語言課程先于單片機實驗課程開設，但其句法靈活、數據類型多樣，又有指針、結構體、聯合等復雜數據類型，學習難度大，學生并沒有能很好地掌握，使得教學呆滯，教學效果不明顯。

1.2 實踐鍛煉不夠

實踐投入少。長久以來，高校的課程體系中的實踐教學被作為理論教學的驗證手段與知識的補充而存在，造成實踐教學走過程、重流程，對于提高創新設計能力的綜合型設計型實驗過少甚至沒有。

實驗教學和課程設計過于依賴插線式的實驗箱和實驗指導書。學生不用動腦，只要參考實驗指導書內容，按部就班地跳接線，復制指導書上的代碼，就能順利完成課程實驗和設計。這種“走過程”式的實驗，實質上沒有真正起到鍛煉學生實踐能力的目的，還滋生了各種不良行為，如拷貝程序、實驗抄襲和內容剽竊等。

1.3 實驗設備缺乏創新性

傳統的單片機實驗教學設備都是基于實驗箱的[2-3]，學生做實驗時只要簡單地在箱中插插線就可以完成電路的搭建和實驗內容。

這種“傻瓜式”的實驗箱看似使用方便，易于實驗開展，學生在無需動腦的情況下，只要隨便通過模仿、復制就可“機械式”完成實驗內容，實際上，這種實驗形式毫無創新，學生不但不能很好地掌握所學實踐內容，而且鍛煉不了創新思維能力。

2 項目化改革和實施

針對實際教學情況，需要在修訂項目化的實驗教學大綱、新編實踐教材、革新實驗學習系統和實驗課教法、完善課程學習效果評價機制等方面進行改革與創新。

2.1 修訂實驗教學大綱

在符合應用型本科院校人才培養計劃和遵循教學規律的條件下，使大綱項目化，按照課程內容組織成一個個的項目任務單元和任務目標內容等形式[4-6]，尤其對創新實踐能力培養環節內容，專門形成一個創新設計類項目，編入教學大綱。

舊的教學大綱適用于理論課教學。對于單片機課程，選用項目化教學大綱比較合適。在項目化教學大綱中教學內容和基本要求按照項目模塊組織，以任務細化的形式進行安排，單片機實驗課程大綱項目化結構如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，全部課程內容被分成7 個項目，每個項目下被分解成1～6 個任務不等，每個任務按0.5～1 h學時進行組織，共30 h 學時。其中，項目二～項目六還單獨設立了創新設計任務，該環節是在授課教師的輔導下，主要由學生自行完成，占用2 h 學時。

圖1 單片機實驗課程內容項目化結構圖

2.2 新編實驗教材

以具體項目案例為主線，從項目設計原理、方案選取、器件選型、硬件電路設計和程序編寫等進行詳細介紹，注重新器件、新技術、新方法的使用，以符合應用型本科院校實際，遵循教與學規律的單片機實踐創新教材。

2.3 創新實驗學習系統

單片機技術發展迅速，授課教師要大膽創新、與時俱進，不斷改善實驗教學環境和教學方法才能保持單片機課程的“鮮度”。比如通過學生自己設計或教師開發小成本的高性能單片機系統、電路模塊和筆記本電腦構建“可移動式”的單片機實驗學習系統。這種系統打破了實驗設備落后的局限，同時，在空間和時間上擴展了實驗室的功能。學生完全可以自己DIY 進行課后實驗，掌握課程上沒有消化的內容知識。

口袋板實驗平臺[7]采用了自主知識產權的自搭單片機創新實驗平臺，同時鼓勵學生自行DIY 單片機學習套件作為第二課堂的實驗平臺。實驗用的電腦鼓勵學生使用自己的筆記本，實驗室提供實驗電源。使用自己的筆記本電腦可以在課后繼續完成后續的實驗作業。實踐證明，這種方式非常管用。根據實驗內容要求，由老師指導或學生自行搭建實驗電路，再通過程序編制、修改和調試完成最終的實驗內容。與傳統實驗相比，該實驗平臺和實驗方法擴展了實驗條件，使得學生在課后也能繼續深入學習實驗內容。單片機創新實驗平臺如圖2 所示。實驗平臺的單片機型號選擇要慎重，應選取增強型的單片機較為適宜，如STC12/15 系列、AVR 系列、MSP430 系列或C8051 等，這些芯片入門要求低，工作速度快，資源較傳統8051 單片機更為豐富，具有模擬外設，很適合實際應用系統的設計。

圖2 單片機創新實驗平臺

2.4 革新教學法

單片機實驗課程可以采用2～3 個人組成一個項目課題組，每組可從授課教師規定的題目里進行選擇。題目要具有一定的應用情景或新穎性或應用價值等，不能是課本內容的簡單重復。項目成果可以是實物或仿真和項目報告。考核按照簡化的項目驗收程序進行。這種形式的課程設計，可以充分鍛煉學生的工程實踐能力，同時也可使學生學會利用單片機知識解決實際的問題。

2.4.1 隨堂小實驗教學法

隨堂小實驗是指為完成較大實驗而設置的驗證性實驗。教學實際中，一個單片機實驗往往包含較多內容，既要搭建硬件電路，又要設計調試軟件，工作量大，學生往往不能獨自完成。所以，安排一些小實驗，由老師配合指導先行完成，然后由學生在小實驗的基礎上獨自完成大實驗的授課方法。比如PWM 調光實驗，可以先行完成PWM 信號的產生小實驗，再次完成光度控制小實驗，之后讓學生自己通過程序構建完成PWM 調光實驗。這樣，一個較為復雜難做的實驗變成了一個個簡單的小實驗，理論可在小實驗中得到驗證和學習，然后再在大實驗中，讓學生自行驗證，利用理論和實驗相結合的方式自行完成，極利于學生建立系統實驗的概念和方法，而且學生也容易接受，且具有濃厚的趣味性。這種教學法其實是化整為零，變復雜為簡單的教學方法，可以推廣應用。

2.4.2 項目化實踐鍛煉

單片機實驗課程內容項目化后，利用項目牽引，學生可以通過可行性分析，方案論證，自行軟件設計，驗證調試等流程，最后完成一個真正的子項目的過程。學生通過自行選擇實驗儀器設備，自行制定實驗步驟，對得到的實驗結果數據進行加工分析處理。學生通過科學實驗學習后，一方面，強化了理論知識，并對儀器設備和實驗科學理論方法有了全面了解；另一方面，可培養學生扎實的實驗基本功，為學生的自學能力打下堅實的基礎，學生在項目中成長，在項目中發現問題，并學會在項目中尋求解決問題的辦法，掌握項目實驗方法，完成項目報告和項目總結等，有利于培養學生獨立思考和分析解決問題的能力。

2.5 完善課程學習效果評價機制

改變傳統課程中只進行課堂考勤和期末考評的單一學習評價方法，引入課程過程評價機制，建立實驗四大環節的綜合考評，在實驗系統搭建、軟件設計、系統效果和實驗疑難點問題總結方面進行綜合跟蹤，使學生在學習中積極動腦，用心思考，做好課程實驗的學習和練習內容，并通過實驗報告的形式反映四大內容，最終扎實地完成實驗內容。

3 教學效果

自從單片機C51 編程課程采用項目化教學模式后，我院學生在各類大學生學科競賽中獲得了一等獎4～6 項，完成國家級大學生創新創業訓練項目5～7 項，獲批國家實用新型專利3～5 項，國家發明專利1 項。

4 結語

近三年來的教學實踐證明，項目化教學內容更有針對性，能有效激發學生的學習熱情和鉆研精神，使學生的實踐動手能力、創新能力和綜合運用知識的能力有了明顯的提高，切實提高了教學質量，取得了良好的教學效果。