應用型本科單片機課程實驗教學體系改革與實踐探究

吳洪艷

關鍵詞：單片機；實驗教學；改革實踐；虛實結合

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0157-03

1引言

目前我國高等教育實施的“新工科”建設重要戰略舉措，引領了教育教學變革，為高等工程教育帶來了機遇和挑戰。“新工科”建設背景下，如何培養具有綜合實踐能力，能解決復雜問題的工程創新人才，對高等工程教育提出了新的要求。“新工科”建設的根本目標是提高人才培養的質量，其中課程質量起到至關重要的作用。教育部實施的一流本科課程建設要求樹立課程建設新理念，推進課程改革創新[1]。在國家本科教育改革大背景下，嶺南師范學院也積極探索課堂教學改革新思路、新途徑。

單片機即微型計算機在測量、儀器儀表以及智能家電等多個領域廣泛應用，也是作為應用型本科電類專業開設的一門必修課。單片機原理與接口技術課程知識量豐富，設計性原理多，并且課程內容涉及軟件設計和硬件設計等多門基礎課程知識。學生普遍反映課程內容學習難度大，知識點分散，很難理清邏輯脈絡，因此學完理論知識之后，實踐時還是無從下手[2]。為了提高教學效果，達成課程目標，提升學生創新實踐應用水平，對當前單片機實驗教學體系進行改革與實踐有著重要意義。

2課程實驗教學存在的問題

2.1理論教學與實驗教學脫離

單片機原理與接口技術課程實驗學時相對比較少，教學安排通常是學生在教室學完理論之后再進行實驗室的實驗教學環節，往往實驗教學內容不能與理論教學內容進度一致，實驗教學相對滯后理論教學，容易造成做實驗時學生對所學知識發生遺忘的情況。除此之外，一次實驗只有90分鐘，時間不夠充足，學生只能按照實驗指導書的步驟搭接硬件，下載程序，完成驗證性的實驗內容。對于動手能力差的學生，難以在課堂內完成實驗教學內容，導致課程結束后，學生仍然對知識體系缺乏理解，在實踐設計應用中無從下手，學生的專業素養、實踐能力和創新能力難以實現。

2.2硬件固化，缺乏設計感

此課程特點是實踐應用性突出。現有實驗教學設備是固定的實驗箱，硬件電路都是封裝起來，學生實驗時只能參照指導書說明搭接有限的連線，不能從總體上看到全部的設計電路，學生無法感知實際的硬件設計過程，雖然完成了基礎實驗內容，但學生對硬件設計還是不知所以然。因此，這種情況極大限制了學生的技能訓練，不能提高學生創新思維[3]。

2.3教學內容缺乏挑戰性，教學手段單一

一般情況下，教師往往按照單元內容講授知識，然后在單片機實驗箱上完成幾個與章節知識相對應的驗證性實驗。實驗內容大多是基于單元知識的，期末考試時也是基于基礎知識的理論考核。這樣的教學缺乏挑戰性的內容，不能啟發學生創新思維。教師沒有著眼于單元整體或者各個單元之間的聯系，沒有考慮學生學習的整體性和系統性，沒有展開深度學習訓練，沒有完整的單片機應用設計。例如實驗教學中由于學時少的原因，只是按實驗計劃安排了流水燈、中斷、定時器、串行通信等驗證性實驗，沒有開展具有一定挑戰度的探究性綜合實驗內容。另外，教學方法手段也比較單一。通常做法是上課時先簡單講解與實驗內容相關的理論知識，然后學生設計軟件、敲代碼以及按照指導書連接實驗箱上硬件。一個實驗課通常是2學時（90分鐘），在有限的課堂時間內學生只能完成基礎實驗內容，甚至小部分學生連基礎實驗內容都完成不了。這種實驗教學方法不能有效訓練學生動手實踐能力，更談不上培養創新型人才。另一方面，容易造成學生忽視實驗課，上實驗課就如同走馬觀花一般，難以調動學習積極性。

2.4考核評價重理論輕實踐，重結果輕過程

傳統的考核方式往往是“一卷定乾坤”，只是課程結束后一張理論試卷考核作為學習評價。因此導致學生通常是臨時抱佛腳，死記硬背理論知識應付考試，考試成績難以反映學生的學業水平。在信息技術廣泛應用的當下，要改革傳統的考核評價方式，重視形成性評價的作用，調動學生上實驗課的積極主動性，訓練學生動手實踐能力。

3課程教學改革與實踐探究

在“新工科”“互聯網+”改革背景下，分析單片機原理與接口技術實驗教學存在的弊端，課程組進行了系列改革探索，包括優化的教學內容、信息技術支持的教學方法、虛實結合的教學手段、多元化評價方式等。

3.1優化教學內容，構建多層遞進的實驗教學體系

結合應用型本科單片機課程和培養創新型人才的基本特點，構建了“單片機原理與接口技術”課程多層遞進的實驗教學體系。實驗教學分為四個層次：基礎模塊、拓展模塊、創新模塊、課程設計模塊[4]。每次實驗課內容從一個基礎模塊開始，完成一個知識點有關的驗證性實驗；然后在此基礎上進行拓展模塊，完成有一定挑戰性的實驗任務；再者考慮知識前后貫通性，結合前面實驗知識點以及本次實驗知識點，完成創新模塊內容；最后在完成所有課程實驗后布置課程設計模塊，設計有實際應用價值的具體題目。例如在做定時計數器實驗項目時，基礎模塊要求：①驗證定時器、計數器例程（proteus、實驗箱驗證）。②在例程基礎上，使用定時器設計一個一位的LED數字秒鐘，逢十歸零（proteus、實驗箱驗證）。拓展模塊要求：① 綜合外部中斷實驗項目知識，設計三個按鍵，分別實現計時的啟動（用外部中斷）、計時的停止（用外部中斷）和清零（用查詢）（proteus、實驗箱驗證）。創新模塊：設計兩位的LED數字秒鐘，逢60歸零（proteus驗證）。在做串行通信實驗項目時除了完成基礎模塊，可以在定時器實驗中一位秒表的基礎上設計PC秒表。數碼管、PC同步顯示秒時間以及設計PC時鐘，顯示時、分、秒。課程設計模塊要求：當所有實驗內容完成后，安排具有綜合應用性的課程設計題目，學生3人分一組選擇一個題目。學生經過查閱資料、硬件設計、焊接電路板、軟件設計、調試等一系列實踐過程完成設計任務。通過課前虛擬仿真和課上實驗箱相結合，以及焊接電路板的實物制作等多層次遞進的實驗教學體系，緊緊圍繞培養學生創新實踐能力展開，充分發揮了學生學習主觀能動性，學生學習投入高。另外部分實驗內容可以課前仿真完成，彌補了課堂上時間少的問題。

3.2線上線下混合式探究性教學方法

單片機原理與接口技術課程實驗學時少、實踐性強、知識點多而雜，實驗課上既有硬件設計也有軟件設計。在每次僅有90分鐘的實驗課堂上，如果學生對實驗內容相關的知識點不掌握，則整個設計過程無從下手。雖然學生基本掌握知識內容，但是在課上老師講解演示，學生完成硬件畫圖和軟件編程的仿真和實物操作，將耗去大部分時間，結果造成學生只完成驗證性的基礎模塊任務，甚至少部分學生不能完成基礎模塊任務。所以傳統的教學方法不能激發學生的學習興趣，教學效果不理想[5]。

改革傳統教學模式為線上線下混合式探究性教學方法，具體實施過程為：①課前，超星學習通線上發布實驗任務和要求以及實驗相關內容的知識點測試題，督促學生進行復習。超星學習通上的測試題可以幫助學生了解知識水平，查缺補漏，也可以使教師精準掌握每個學生的學業狀態，給予個性化反饋支持。教師線上發布錄制好的基礎實驗部分的演示視頻，學生自主學習，并通過安裝在個人電腦上的仿真軟件進行實驗仿真。②課中，完成基礎模塊實驗內容并在實驗箱上驗證，然后完成拓展模塊內容。拓展模塊采用任務式教學，學生2～3人組成小組，小組成員共同探究，給出設計方案，完成任務，鍛煉了學生組織能力與協作能力。③課后，繼續完善拓展模塊任務，總結實踐過程中遇到的困難及解決辦法，進行反思。布置創新模塊，小組探究性協作完成，并把設計過程錄成視頻，上傳超星學習通上供教師查閱。線上線下混合式教學模式彌補了傳統教學的不足，解決了課時緊張問題，更加注重學生個性化，為學生開展探究性學習和創新實踐提供了先進手段。激發了學生學習動機，有利于引導學生創造性學習，并使學習變得更加靈活自由。

3.3虛實結合的教學手段

虛擬仿真技術越來越廣泛應用于高校實驗教學中。虛擬仿真軟件具有豐富的虛擬元器件資源以及各種虛擬儀表，可以模擬真實情景，使設計更加自由與方便。根據單片機原理與接口技術課程需要軟硬件設計以及實驗教學學時不足的特點，將proteus和keil仿真軟件引入課程實驗教學中非常有必要。虛擬仿真軟件應用于單片機實驗教學中，能夠突破時間和空間的限制，學生可以在任何時間、任何地點在自己的電腦上自主設計電路，開展實驗。這種虛實結合的實驗教學手段，不僅有助于培養學生自主學習能力和實踐能力，而且能夠提高實驗教學質量[6]。

在傳統的單片機實驗教學中，學生按照實驗指導書中的硬件連線說明在實驗箱上完成連線，然后編寫代碼，下載到實驗箱中運行，觀察結果。實驗箱中硬件電路都是固化的，實驗時只能進行簡單的連線，這樣造成硬件電路設計不直觀，往往容易忽視硬件設計，教學目標難以達成。而采用虛實結合的實驗教學手段，學生可以利用proteus軟件中的虛擬器件與儀表，畫出硬件電路圖及觀察結果。結果正確以后，在實驗箱上對照仿真軟件中的電路圖來連線，下載程序，觀察結果。有時仿真結果正確，但實驗箱上實物操作時結果錯誤，學生逐步排查出錯的原因（連線錯誤、參數選擇錯誤等）。采用這樣虛實結合的教學手段，硬件、軟件設計過程清晰呈現，可以鍛煉學生實踐動手能力以及解決問題能力[7]。例如單片機控制液晶屏顯示實驗，學生利用proteus和keil仿真軟件設計硬件電路和軟件代碼，實現功能，然后在實驗箱上完成相同功能，如圖1、圖2所示。

3.4多元化考核評價方式

考核評價是檢驗教學成效和學生學習效果的重要手段，改變傳統以理論考試成績為最終考核方式，將實驗成績加入課程最終考核成績中。完善課程實驗成績的考核方式，促進學生自主學習，增強實踐能力，提高實踐教學質量。考核方式從單一化、結果化向多元化、過程化轉變[7-8]。實驗考核成績占課程考核成績的20%，實驗考核既包含實操考核又包含過程性評價考核。借助超星學習通平臺可以獲得學生的線上預習成績和創新模塊成績等過程性評價，實操考核由基礎模塊、拓展模塊完成情況給出成績。這種多元化考核評價方式貫穿了線上課前預習和課后深入探索，線下課堂實踐等各個環節，增加了教學內容的高階性和創新性以及學生學習的挑戰度，既可以動態掌握學生學習效果，又可以提高學生解決問題的綜合實踐能力。

4實踐效果

在2021～2022的兩年時間里，對嶺南師范學院電子信息工程專業的2個年級的單片機原理與接口技術”進行實驗教學改革與實踐，效果顯著。該課程的期末試卷考核成績有所提升，平均分提高了5分，這從一定程度上說明了通過改革實驗教學，學生加深了基礎性知識的理解。實踐過程中仿真——實物驗證——自己動手組裝單片機應用系統等，鍛煉了自己動手解決問題的能力，而且在學習過程中開展小組協作、深入學習，調動了學生學習熱情，達到了課程培養目標。學生也積極報名參加省級以上電子設計大賽取得好成績。改革成效在畢業論文選題中也有體現，選單片機應用系統開發題目的學生越來越多，減少了因害怕而不敢選的人數[9]。

5結束語

在當前“新工科”及“兩性一度”金課背景下，開展應用型本科單片機課程實驗教學體系改革與實踐探究，促進人才培養質量提高是勢在必行。考慮單片機原理與接口技術課程特點以及實驗教學中存在的各種難題，優化教學內容，改革教學方法與手段，實施多元化考核評價。運用信息技術與智慧學習管理系統的優勢，實施線上線下與虛實結合的教學方法與手段，可以充分培養自主學習能力，而且教師也能及時發現學習消極懶惰的學生，給予督促與幫助。在教學內容安排上能夠利用線下線上多個時空進行深度訓練，大大提高學生獨立思考和解決問題能力。改革之路還在繼續，今后將在教學內容上以及線上線下教學設計中開展深入探究。