單片機課程設計教學改革探究

崔鳳英　樊春玲　周春麗

［摘 要］單片機課程設計教學目前仍存在不足，文章提出一種新型的開放式教學模式，并從課程設計形式（時間、地點）、設計內容和考核方式等方面對開放式教學模式進行了闡述，同時詳細分析了開放式教學模式落地所需要注意的事項。實踐結果表明，開放式教學能夠大大激發學生的學習興趣，提升學生實際動手能力，培養學生自主創新精神，滿足新工科建設的要求。

［關鍵詞］單片機課程；開放式教學模式；課程設計；考核方式

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）04-0056-03

引言

隨著科學技術的發展，單片機在智能儀器儀表、工業過程控制、計算機集成控制、人工智能、通信設備等智能化方面的應用越來越廣泛，以單片機和各種微處理器為核心的技術成為實現智能化技術開發應用的主流方向[1]。單片機原理與應用課程（以下簡稱單片機課程）是青島科技大學在測控、自動化及其他相近專業開設的課程，是繼電子類課程（如電路、模電和數電等課程）后開設的必修專業課。該課程是否學好在學生將來就業時起著舉足輕重的作用， 因為目前很多工科類的職位要求大都與電子類以及單片機的知識相關。因此，對于自動化專業的學生來說，學好單片機課程不僅是為了拿學分，更是為了培養自己的專業能力，以適應未來工作的需要。單片機課程設計正是對所學專業課程知識的綜合運用，是理論聯系實際的產物，是培養學生實踐創新能力的有效載體[2]。

目前，在單片機課程設計中普遍存在兩方面的問題：一方面，多數學生對該課程有一定的興趣， 但存在畏難情緒。學生已經學習了有關的基礎知識，渴望有機會去嘗試和驗證學習效果，但單片機課程設計的特點是綜合性強、實踐性強，同時還具有工程性的特點， 設計過程中經常會涉及電工電路和電子方面的知識，內容涉及范圍廣， 尤其是課程基礎未打牢的學生學起來很費勁，因此很多學生存在畏難情緒。另一方面，部分學生缺乏思考習慣，習慣指令性學習，如果教師不給出具體說明就不會學習；或者是教師直接給出設計方案，學生生搬硬套，缺乏主動思考，難以提出自己的見解，也不能發現問題。這種培養方式還是以教師為中心，培養出的學生在社會上缺乏競爭力，不符合新工科建設對人才培養的要求。因此，探索一種新的教學方式來緩解和消除學生的畏難情緒，培養和訓練學生的思考習慣非常必要[3]。基于此，本研究嘗試把開放式教學模式應用于單片機課程設計教學，取得了較好的教學效果。

一、單片機課程設計開展開放式教學的必要性和意義

傳統的單片機課程設計存在以下幾個問題：一是時間安排有待完善。課程設計時間一般安排在學期末，和單片機理論課程的教學安排在同一個學期，是在理論課教學結束后進行的，這樣的安排導致課程設計時間滯后，而且時間集中在一周內，很多學生感覺課程完成度較差。二是設備固定。課程設計的進行主要依托于實驗室的儀器和設備，而期末實踐類課程相對集中，導致實驗室儀器設備不好安排。三是考核模式單一。由于題目相對固定，實驗結果趨于雷同，考核主要側重于學生課程設計報告，因此難以真實地衡量和考核學生設計水平[4]。總之，諸多限制因素使課程設計教學仍是以教師為中心而不是以學生為中心，學生的學習積極性受到限制，也無法滿足學生的求知欲，制約了學生綜合素質和綜合能力的發展。因此，單片機課程設計通過開放式教學改革，可以增強教學的靈活性，激發學生的創新潛能，提升學生的動手實踐能力，培養出滿足社會需要的高素質人才。

二、采取開放式教學模式開展單片機課程設計教學的探索

開放式教學模式是指教學處于一種全開放的狀態，包括教學的時間、地點、設備、內容、指導方式和考核方式，所有都是靈活的，無固定模式，學生可以盡情發揮想象力與潛力。開放式教學模式給學生安上了飛翔的翅膀，有助于充分激發其想象力和創新思維[5]。因此，單片機課程設計的開放式教學是對課程設計教學的改革。

（一）注重教學時間的靈活性

以往的課程設計通常安排在學期末，實踐類課程較集中，而且這也是很多課程的考試時間，學生們忙于各科考試，此時如果需要做課程設計，極易導致學生重視理論課考試而忽視課程設計，這就違背了開設課程設計的初衷。教學時間開放的模式就是在學期開始時安排課程設計任務，把課程設計的過程貫穿于整個學期，相當于是采用項目式的教學方式完成對理論課程和課程設計的教學。在理論課授課的同時安排設計任務，這樣學生在學習理論的同時便能結合所學知識構思設計內容，平時多觀察多思考，不斷積累相關知識素材與能力。正是這種長時間的思考和思維方式，訓練和培養了學生的思考習慣，也提高了其創新思維能力。時間的開放性使學生可以自由支配時間，靈活性強。在實施過程中交叉進行理論知識學習和實踐探索，有助于培養學生的思考習慣與知識應用能力，達到以理論指導實踐和通過實踐驗證理論的教學目的。

（二）注重教學地點的開放性

教學地點的開放性是指學生開展課程設計的地點不再局限于實驗室。高校實驗室設備使用一般是周期性的，每個學期的實驗周數較少，實驗室很多時候都是閑置的，比如很多專業實驗室只是在后半學期集中開設2至8周時間。課程設計因為內容具有開放性，各種類型的課題都有，學生可根據自己的需要選擇某些實驗儀器，體積小的儀器甚至可以借出，讓學生帶回宿舍進行實驗。只要是有利于學生有效開展實驗的資源和條件都可以利用起來。比如電子實驗室、智能儀器實驗室、檢測儀表實驗室、仿真實驗室等，學生如果需要都可以申請使用。注重教學地點的開放性不僅改善了儀器使用率低的狀況，更重要的是整合了實驗資源，為學生創造了良好的學習環境，有助于學生更好地完成課程設計。

（三）注重教學內容、方式、過程的開放性

興趣是最好的老師，興趣使學生可以全身心投入。學生根據自己的興趣進行選題，這就大大提高了學習的積極性與效率。而且從確定選題到查閱資料、制訂設計方案，再到閱讀儀器說明書、準備實驗器材、組裝實驗裝置、開展實驗編程，一直到最后的實驗調試和結果分析等， 在這一系列的過程中， 學生始終處于自主狀態[6]。這種新的教學模式正是按照工程教育專業認證的要求做到以學生為中心。課程設計最開始是單一的題目，全班一個類型，后來改為每班三個或五個題目，學生可以任選。但是教師個人的想法畢竟還是有限的，思維方式是個人化的，不能全面照顧到所有學生的興趣愛好，因而效果不理想。

開放式教學真正體現了以學生為主體的教學理念，具體實施內容包括六個方面。（1）選題：學生根據自己的興趣進行選擇。（2）制訂設計方案：學生通過圖書館、網絡等平臺查找相關資料，同時還可借鑒師哥師姐的經驗，獨立地去完成。查找資料篩選資料的過程本身就是一種學習過程、一種鍛煉，這個過程對很多學生來講是一個挑戰，但受興趣的驅使，學生們躍躍欲試、樂此不疲。（3）儀器設備：學生可以去實驗室申請，或自己購買元器件。（4）畫電路圖和PCB制版：根據方案，學生用Altium Designer畫各部分硬件電路圖，自己焊接器件，進行調試。（5）軟件設計：根據任務要求，運用課程所學的理論知識進行編程，通過程序的上傳下載，不斷調試，實現相關功能。（6）系統搭建和測試：學生搭建各器件，對軟硬件進行連接調試，直到最后輸出結果。

在實施這種新的教學模式過程中我們發現，學生具有巨大的學習潛力，其選題內容多樣化，即便是題目類似其方案也是多種多樣。比如有工業應用方面的智能溫度測試儀、液位控制系統、空調機控制系統，有醫學應用方面的心率檢測儀、脈搏檢測儀、血壓檢測儀等，有生活應用方面的激光電子密碼鎖、多功能電子時鐘、自動澆花系統設計，有娛樂應用方面的光立方設計、電子琴設計、智能避障小車等。教學內容、方式與過程的開放性，讓學生充分發揮其想象力和創造力，學會從生活中發現問題、分析問題和解決問題，在嘗試、挑戰、失敗與成功中培養專業能力。

（四）注重考核方式的開放性

不再局限于一種考核方式，而是采取多種方式進行綜合考查、全面考查。單片機課程設計成績分配包括四個部分：一是考勤，占10%；二是設計成果展示，這部分是重點考核內容，占60%；三是答辯環節，占10%；四是設計報告，占20%。考勤主要是看平時簽到次數以及平時學生提問的情況，對于所提問題有深度、思考能力強的學生可適當加分。設計成果展示，既要看運行情況，也要看課題內容的難易程度和寬泛程度，由導師掌握。答辯環節主要是展示PPT，查看學生PPT的制作能力，現場講解的表達能力。設計報告重點看學生撰寫能力，是否結構合理、重點突出、層次分明、敘述清楚等。通過這幾個方面的考核，基本可以全面考查學生基礎知識掌握情況及知識應用的能力，學生發現問題、解決問題的能力以及綜合素質情況。

三、單片機課程設計開放式教學實施需要注意的問題

如何管理學生學習過程是一個重要的環節，必須有合理的管理措施保證開放式教學的有效實施。

其一，開放式教學要建立考勤制度，要增強學生的組織紀律性。考勤不能按照常規做法進行，本研究采取的方式是把每個班級作為小組，安排一個負責人，每個星期學生要向負責人匯報這一周的學習進展，說明時間地點，同時有數據或截圖記錄。每個班有一個考勤報表，每周提交一次，學生之間互相監督。

其二，開放式教學要有完善的任務書和考核要求，保證課題內容的質量，比如對選題的正確性、與課程的關聯性以及難度適中等進行規定。這方面指導老師要在設計伊始就提出明確要求，學生在選題時也只有一定程度的自由，學生選好題后，設計方案必須經過指導老師審核，合格后再開始具體實施，這樣有助于保證選題合理和內容達到質量要求。

其三，指導要及時有效和多樣化。指導可以通過QQ、郵件、電話或者在辦公室、實驗室面對面進行，時間的靈活性較強，最大限度保證學生的問題得到及時解決。課程設計的每個階段都有指導老師參與。指導老師清楚每個學生的設計進展情況，隨時督促學生，保證設計有效進行。

單片機課程設計的開放式教學，從始至終都強調發揮學生的主體作用，體現以學生為中心的理念。開放式教學也對教師提出了更高的要求， 其涉及的知識面更廣，教師必須不斷加強自身的專業學習，不斷更新知識儲備，提高自身綜合素質，積累實踐經驗，才能夠全方位地指導學生開展課程設計。

四、結語

單片機課程設計開放式教學的改革和實踐，是在工程教育專業認證以學生為中心理念的指導下，對原教學模式進行探索與創新。文章從教學的時間、地點、內容和考核方式等方面給出了改革思路或具體實施過程。實踐結果表明，該模式能夠充分激發學生設計的興趣，鍛煉學生思考能力，培養學生創新意識，增強學生發現問題、解決問題的能力，深度挖掘學生的潛力，提升學生工程實踐應用能力，所培養的學生在將來畢業時具備較強的競爭力，是一種有效的值得推廣的教學模式。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 祖一康，徐妙婧，徐純輝.基于 CDIO 理念的單片機課程設計教學模式研究[J].計算機教育，2019（9）：34-37.

[2] 劉獻君.論大學課程設計[J].高等教育研究，2018，39（3）：51-57.

[3] 于海龍.工程教育專業認證背景下的課程教學改革研究[J].教育教學論壇，2018（42）：119-120.

[4] 葛浩，林其斌.單片機課程設計教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（10）：138-140.

[5] 元澤懷. 開放式設計性綜合實驗課程教學的改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2009，28（11）：120-122.

[6] 王晶，胡立夫.嵌入式課程設計開放式教學的研究與實踐[J].教育現代化，2016，3（38）：257-258.

［責任編輯：龐丹丹］