“置身其中”談單片機教學方式改革

邵海龍

（武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山354300）

0 引言

單片機作為一種微型處理器芯片，在我們日常生活設備中無處不在。單片機的應用對于我們的生活起著重要的意義。“單片機原理與應用”則自然成為大多數工科專業的必修專業基礎課程。對于這門課程，不同的專業其講解的側重點會有不同［1］。但是無論授課對象是誰，其教學思想與終極目標都是高度統一的，那就是應用。應用即意味著動手，實戰。但是作為當下的很多高校教育，由于教育理念和教育經費等諸多問題，而出現重理論，輕實踐的問題。針對當下這門課程教學中出現的種種現象，本文進行了一一討論，并給出相應的改革建議與意見［2］。

1 “單片機原理與應用”教學中存在的問題

1.1 “單片機原理與應用”課堂教學存在的問題

1）傳統教學模式

多少年來，我們的單片機教學主要圍繞“三尺講臺，一根粉筆，一本教科書”的教學模式展開。課程從始至終幾乎都是理論闡述，雖然也有例程講解、多媒體動態演示。但是由于缺乏知識點的針對性和實際性，學生也只是明白理論知識，理解推演過程，或者知道了所看例程的解決方法。這些對于本課程的教學終極目標應用就如同隔靴搔癢。學生對于實際現場的設計、運行情況卻無從知曉。

2）課堂案例的陳舊，學生只是遠而觀之

伴隨課堂教學的改進也出現了工程案例，但是因為教師職業的限制，很少走進工廠，走到一線。因此其授課案例相對陳舊。又因為無法將現場控制整體搬進教室，所以也就只能是闡述原理，講解過程。學生更不可能參與其中，只能是隔岸觀望。

3）知識的傳輸方向單向性

課堂教學都是教師教，學生聽的單向模式。在這種填鴨式的教學情境下，學生始終處于被動的接收中。學生一堂課完全按照教師的思維和節奏前進。教師變成了主角，這樣違背了教學的本質，我們的對象是學生，產品是知識。而應用知識的恰恰是學生［3］。但是以往的教學模式學生卻成了配角。知識的產出和應用者都成了教師。

1.2 “單片機原理與應用”實驗教學存在的問題

1）實驗只是知識點的驗證

實驗作為對理論教學的另外一種進行方式起著很大的輔助作用。既然“單片機原理與應用”課程的終極目標是實際應用［3］。實驗將是學生第一次正真意義上的動手操作。但是，當下由于實驗資源、經費、制度等等的原因，實驗教學大部分還是停留在以驗證性實驗為主的教學方式。所謂驗證性實驗，就是學生將上課的一個或者幾個理論知識點上升到實際應用中來。表面看似乎這種方式是正確的。但是，這樣將大大限制學生的創造性和動手能力的培養。尤其對于單片機這門注重實際應用的課程，那將是致命傷。

2）實驗項目的單一性

“單片機原理與應用”實驗項目大部分都是針對本門理論課程的知識點設計，并未將其延展。所有實驗只是停留在單片機，而并沒有將相關知識進行融合。這種環境的實驗造就學生面對實際工程設計時，也只會就單片機設計，對于輔助電路無從下手。

1.3 “單片機原理與應用”實訓教學存在的問題

1）課程設計題目過大過虛

課程實訓做為單片機這門課程的終極實際操作，對于單片機學習起著從理論到實際的重要作用。但是很多學生并未準確對待，其利用網絡平臺搜索確定設計題目和設計方案。由于種種原因，題目大多數并未進行可行性分析。題目往往過大并不切實際，當其實際動手時，卻是一臉的茫然［4］。

2）單兵作戰，勢單力薄

“單片機原理與應用”實訓是一個系統工程，并非簡單的電路堆積。工程需要團隊的力量，并非一人的單打獨斗。

2 從工程案例出發，讓課程接近實際

2.1 三位一體式授課新方式。

改變以往一堂灌，教師講學生聽的單向授課方式，將其變為以傳統理論教學為主線，實際工程案例為主導，現場軟件仿真為輔助的“理論+案列+仿真”的多媒體授課的三位一體式新形式；課堂不再只是講與聽，還有知識的回顧、應用的設計、執行的參與。使得學生伴隨實際案例的建設，感受知識的實際應用魅力。通過現場理論知識在實際工程中的展示和應用設計，加深學生對于理論知識點的理解。

例如在學習定時/計數器知識點時，雖然學生似乎明白其工作原理，但是在實際工程編程中卻莫名發現，只要打開定時計數器后其將自行運行，將不再受制單片機。也即就是定時計數器與CPU為并行工作方式。帶著這些疑問，借助現場仿真技術，讓學生通過單步調試程序，讓其看到定時計數器的運行過程。從而讓抽象、模糊理論變得真實，透徹。作為定時計數器核心的簡易方波發生器設計如圖1所示。

圖1 簡易方波發生器

通過現場的定時計數器初值的重新裝載編程，啟停控制的設置，完成整個定時器的工作，通過現場的仿真讓學生從后臺的軟件到實際硬件運行徹底理解單片機內的定時器工作的獨立性及循環定時過程。

2.2 課堂不再是獨角戲臺而是萬人堂

變獨角戲臺為萬人堂，單片機課堂教學，教師只是引導和知識要點的闡述。他應該充分調動學生的積極性，讓其發揮想象和設計能力，創造出單片機應用的辦法和思路。

例如我們在講解單片機源程序編寫時，過去學生只會按照教師的思維方式進行工程任務的分析編程，這樣將出現所有人的程序都千篇一律，設計思想都是標準模式。我們希望學生能有自己的編程習慣，最好能有自己獨特的編程思想。但是如何培養和激發學生獨有的編程思想呢？我們利用同一個任務不同編程思維，然后對比幾種源程序的優缺點，讓學生發現自己所寫源程序的好壞。利用現場工程任務編程，讓學生參與其中，讓其直接感受多種編程思想對于同一個任務的不同。圖2所示的是同一工程的不同主函數編程。

圖2 同一工程的不同主函數編程

同一個任務，但是不同學生出發的角度不同，設計思想各異，從而產生多種程序調度方式。工程案例的引入課堂，讓學生參與進來，課堂現場進行設計，現場編寫源程序，現場進行仿真。由于個體的思維的差異，必然產生各式各樣的設計方案、設計電路和設計程序。通過現場的一一仿真演示，讓學生們自己發現問題，解決問題。最終完成最優的終極設計。讓課堂變成百家爭鳴，全員參與的場景。置身事外，不如參與其中。只有親自的參與才能有精彩的綻放［5］。

2.3 減少驗證性實驗加大創新設計性實驗

作為專業基礎課程的“單片機原理與應用”，其重點在于如何在實際產品中應用，加強創造性，設計性實驗，將會大大激發學生的創造力和動手能力的培養，為以后走向工作崗位打下堅實的基礎。因此我們的實驗項目應該緊跟時代的發展，每個實驗的題目應該來源于實際工程任務。例如在實驗項目無線通信中，我們實驗內容來自身邊，讓學生自我設計，自由發揮。例如作為工程任務的無線智能插座項目示于圖3。

圖3 無線智能插座

學生利用實驗室現有模塊，快速完成電路搭建，應用所學知識點完成現場編程。實驗不再只是簡單的知識點驗證，而是一次現場的實操，一個全新的設計。實驗完成了理論和實際的完美搭接，實驗不再枯燥，而是充滿挑戰和激情。讓學生活躍的思維和單片機進行第二次的再次碰撞［6］。

2.4 項目+團隊的課程實訓操作新模式

“單片機原理與應用”課程的學習，很多學生講理論頭頭是道，做項目卻一頭霧水。很多學生理論知識的確扎實，但是由于缺乏親力親為的過程，因此一旦進入實際工程設計應用，將會出現舉步維艱。更有甚者，利用計算機仿真可以做得完美無缺，但是改為實際產品，卻一竅不通［7］。

現在的“單片機原理與應用”課程實訓，改變以往單人單題，只是本門課程理論知識點的應用的局限，給予學生更大空間，讓學生信馬由韁，自由組隊，自由選題。設計題目來源身邊。出現百花齊放的崢嶸場面。以下為某個班級的部分課程設計題目的示表（表1）：

表1 “單片機原理與應用”課程設計題目

通過學生的自由選題，更加讓其明白單片機的使用的普遍性，同時由于題目來自身邊，給予學生最大的發揮空間。

例如課程設計題目智能家居控制系統。任務的主體為單片機控制，題目來自實際的平常生活。因為就在我們的身邊，所以非常的熟悉，系統電路如圖4智能家居控制系統。

圖4 智能家居控制系統

智能家居題目來自我們的生活，所有的控制都是我們身邊的家用設備。利用所學，圍繞主體單片還有傳感器，電源，電機等多學科知識的融合。課程設計不再有局限，不再只是單片機，應該是相關多學科知識的貫通。

團隊的出現，使得大家分工明確。尺有所短寸有所長，通過大家的通力合作完成整個項目的任務。通過合作過程的磨合，讓每一位參與者都收獲滿滿，使得每一位參與者發現自己的殘缺，同時又展現自己的光亮。

短短一周或者兩周的課程實訓讓學生懂得如何能成為一名合格的工程技術人員。為以后走出校門，走向社會提前進行了實訓。雖然設計過程沒有工作后的任務復雜，沒有工作后的工程艱巨。但是至少他們已經有一名合格工程技術人員的體會。

3 教學成效比對

3.1 改革前后習慣狀態對比

通過新的教學模式的運行，將產生巨大的變化。相對改革前后學生的學習習慣和學習狀況對比如下表2所示。

表2 改革前后各個教學環節的對比

相對改革前后，從教學看，以往沉默的課堂變得活躍生動，抽象難懂的理論變得真實可觸；驗證數據的無聊實驗，具有了挑戰性。實訓也成為綜合知識應用的用武之地。

3.2 同一專業同一課程的兩學期成績對比

通過新的教學模式的運行，對同一專業同一課程的兩學期成績進行對比。從改革前后考試成績看（表3和表4），改革前后學生的成績在優秀檔有了明顯的提升，優秀成績比例的增多說明新的教學模式使得學生對于單片機的抽象基礎知識理解更加透徹，對于單片機的相關知識整體的認知度提高了很多。改革前后“單片機原理與應用”課程成績分布統計如圖5圖6所示。

表3 改革前考試成績

表4 改革后考試成績

圖5 改革前單片機原理與應用成績分布統計（期末卷面成績）

圖6 改革后“單片機原理與應用”成績分布統計（期末卷面成績）

3.3 兩學期試卷不同題型的準確率對比

通過新的教學模式的運行，對同一專業同一課程的兩學期試卷不同題型的準確率進行對比。兩個學期期末試卷考試題型得分準確率分布示于圖7和圖8。

圖7 改革前試卷不同題型準確率

圖8 改革后試卷不同題型準確率

通過以上兩幅圖分析可以看出，改革前學生對于純記憶類的題目的準確率較高，但是對于實際動手和抽象理論類的題目卻是失分很多。相對改革后，學生的不同題型的成績明顯更加平均，基本的卷面成績都在良好以上。尤其對于實際設計類題目那更是得心應手，答題準確率明顯提高，這也恰恰符合本門課程的培養目標——工程開發能力。

4 結語

理論課堂的講解以“實際工程案例+實際演示+現場仿真”的三位一體式新教學模式；實驗教學引入工程任務，根據學生對于知識的掌握情況進行現場調整；實踐教學部分，從學生開始命題，教師引導其從實際角度出發，完成相關命題并完成系統設計任務。三個教學環節使“教”與“學”融合互動，學生的潛能得到充分發揮，取得很好的教學示范效果。置身事外，不如一探究竟。“單片機原理與應用”課程教學模式的改革，將使得本門課程回到初衷。學生在不同教學環節的積極參與將使得單片機原理與應用技術深入學生的體內，使得學生能夠在走出校門后應對基本的單片機控制工程設計。真正做到學以致用，學為所用。