單片機原理及應用課程教學改革探索與實踐

王春梅 謝印忠 岳耀亮

摘? 要：單片機原理及應用課程是工科專業開設的一門應用性較強的專業必修課程。文章分析了單片機原理及應用課程傳統教學中存在的問題，從理論和實踐兩個方面，提出了以學生為中心的教學改革思路。通過理清單片機原理及應用課程教學改革基本思路，分別從教學內容、教學組織方式、課程考核評價、實驗教學方法以及課程設計等方面，分析了單片機原理及應用技術課程教學改革的措施，通過改革持續改進以滿足新形勢下對高質量應用型人才的需求。上述教學改革探索與實踐，旨在逐步提高學生的綜合素質能力，為學生畢業后走向社會、勝任崗位奠定良好的基礎。

關鍵詞：單片機原理與應用技術；教學改革；實驗教學；課程設計

中圖分類號：G642? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）29-0109-04

工程教育認證制度是保證工程教育質量和發展的關鍵，是一種國際通用性的管理體系。中國于2016年6月正式簽署《華盛頓協議》，該協定對中國本科工程教育學位的認定產生了深遠影響，表明我國工程教育在國際上的地位和認可程度得到了進一步提高，對于中國工程教育認證質量和國際競爭能力提高具有重大作用。單片機原理及應用課程是工科專業一門重要的專業必修課程。通過對單片機的內部結構、基本原理和應用技能的學習，培養學生在設計、開發、調試、應用等領域的實踐創新能力和邏輯思維能力，從而提高其專業技能，為后續的專業教育和實踐應用奠定良好的理論和實踐基礎［1］。由此可知，單片機原理及應用課程改革勢在必行。

一、傳統的單片機原理及應用課程教學存在的問題

（一）理論和實踐脫節

單片機原理及應用這門課程涉及單片機的基本操作、編程語言、I/O、中斷的應用、定時計數器的應用以及串口通訊等內容。通過實驗/課程設計等實踐教學，可以使學生更好地記住相關知識點，從而使學生能夠更好地掌握相關理論，以達到對理論知識的驗證，從而提高學生的實踐應用能力。但是，目前高校單片機原理與應用技術課程的理論和實踐教學之間還存在一定的脫節，學生對單片機理論知識的理解不夠深入，無法使用相應的開發工具進行單片機應用系統的開發和設計，影響了單片機課堂教學效果。

（二）教學方式單一

由于受傳統教育觀念影響，部分教師采用了單一的教學方式，并且有些教師照本宣科，強行將理論知識灌輸給學生，忽略了學生的學習體驗，造成學生對單片機原理的學習興趣不足，實踐技能也沒有得到充分鍛煉，不能把所學的知識應用到實際中，使學生難以獲得招聘單位的青睞。

（三）教學模式落后

本研究對單片機原理及應用教學模式進行探索發現有任務驅動型、工學結合型、理實一體化、教學一體化等教學模式。雖然不能將單片機原理及應用技術教學模式全部總結出來，但是從以上幾種教學模式來看，說明了單一教學模式并不能適應單片機的教學要求。由于單片機原理及應用技術是一門實踐和應用性較強的課程，作為工科專業的核心課程，教學目的在于讓學生了解MCS-51的結構和應用設計方法、典型外圍接口應用技術、C51的結構及應用程序設計方法、單片機應用程序設計、單片機控制程序設計等方面的教學，內容上表現為理論和實踐具有一定復雜性。從課程特性角度來看，復雜性體現在理論性、實踐性和實用性相互融合［2］。因此傳統單一的教學模式顯然是無法完成全部教學任務，達成教學目標。

（四）教學模式的創新不夠

每一種教學模式都有其可取之處，但是如何借鑒，還需任課教師創新性地運用。因此在單片機原理及應用技術的教學實踐中，教師要在原有基礎上創新教學方式。比如，工學結合一體化是一種深受廣大教師歡迎的工學結合教學模式，盡管其方法和應用具有一定規律，但教師并不能完全照搬。由于學情和教學內容的不同，實驗設計、實驗方案等都會有一定差異，對實驗結果的分析也會有較大影響。因此，在教學過程中，任課老師需要在借鑒中進行創新性應用。

二、單片機原理及應用課程教學改革基本思路

（一）重視實驗全過程

實驗全過程是實現一個完整單片機應用系統的開發過程，根據實驗任務的要求，設計出一個合適、合理的硬件系統，并以此設計相應的軟件系統。經歷測試、分析、修改、測試等相關步驟后，達到實驗任務要求，并最終完成整個實驗項目。在每一次、每一臺單片機的實驗中，不管是簡單的、論證性的、設計性的或綜合性的實驗過程，都可以將其當作一個單片機的應用實例，或將其當作一個實際工程認真對待，以此積累工程實踐經驗。

（二）強化硬件電路設計

首先，在單片機應用系統中，硬件電路的設計必不可少，而傳統的實驗常常忽視這一環節。一些實驗板或實驗箱已經提前安裝好硬件電路，一些實驗已經選定了某個接口，只需要將指令中的程序下載到實驗板上，就可以完成任務要求。這樣一來，學生在做完實驗后，往往都不知道其中的原理和過程。事實上，相同的實驗課題或項目，可以用不同硬件電路構成，也就需要使用不同的軟件來驅動硬件。其次，通過硬件電路設計，能夠更好地了解單片機的工作原理，掌握單片機軟硬件的相互關系，這也是學習和掌握單片機的基本原理，尤其是掌握單片機應用系統設計的關鍵環節［3］。為了強化硬件電路設計訓練，教師可以采取以下措施：要求學生按照項目要求，完成硬件電路設計，然后進行軟件設計；要求學生在實驗報告中，利用仿真軟件將整個實驗的硬件電路繪制出來，并對其工作原理進行簡要說明。

（三）突出個性化培養理念

高校教師面向的是不同的學生，學生由于個體差異可以分為研究型、應用型、潛能型。其于個人的興趣愛好的差異，只有在實驗中突出個性化的教學觀念，即根據學生的不同類型、興趣愛好，提供不同的實驗課題，才能讓學生獲得最大的學習收獲。可以從三個層面反映個體化的教育觀念：第一，在同一實驗中，實驗主題的設置多樣化；第二，靈活的實驗個數選取。學生可以根據自身基本條件，自由選擇或不選擇實驗問題；第三，實驗小組自主劃分。小組可以是一個人，也可以是多人，由此，能力差的學生可以通過學生間的討論，互相幫助解決問題，也可以培養和鍛煉學生的合作精神。

三、單片機原理及應用課程教學改革措施

（一）教學內容改革

高校要推進單片機原理及應用課程的教學改革，必須從理論與實踐兩個方面著手，首要任務是強化教學內容改革。首先，在理論教學中，要全面了解理論內容所包含的所有知識點，并用模塊化的方式表達理論知識，增強知識點間的相互聯系，促進學生對單片機相關知識的理解，降低單片機的學習難度，提高課堂教學的效果。總結起來，在單片機理論教學方面，可將其分為四大部分：第一是硬件部分，包括單片機的硬件結構和內部原理；第二是軟件部分，主要是由單片機指令系統和匯編語言以及C51組成；第三是采用單片機定時計數器、中斷系統以及串行通信等功能；第四是擴展模塊，在此基礎上，提出基于單片機硬件系統的軟件設計，并總結該系統的開發與設計要點。該單元部分由淺到深，層層遞進，在掌握基礎理論知識后，再進行綜合、拓展式教學，將會起到事半功倍的作用［4］。

其次，在實踐教學中，教師要根據不同模塊，進行相應的實驗設計，使理論與實踐相結合，推動單片機課程教學水平的提高。在軟件設計方面，教師要給學生更多的自由設計空間，使學生能更好地發揮主體性和主動性，幫助學生明確自己的設計內容；在教學過程中，通過合理的選擇和引導，使學生在學習過程中注重理論與實踐相結合，加深學生對單片機及其應用有更深刻的理解。學生在學習過程中也會感受到一種成就感，他們學習熱情空前高漲，職業素養和綜合素質也會隨之提高。

（二）教學組織方式改革

首先，采用以項目為導向、以任務為驅動的教學模式。每一堂課都是以任務為主線，圍繞主線對所涉及的知識、技能進行教學。教師在課堂上發揮引導作用，以學生為中心，一邊授課，一邊進行相應的教學活動。由此可以看出，在教學組織方式實施過程中，教師和學生都有清晰的思路，并且清楚地認識到了教學目標。教師課前向學生分配作業，學生利用業余時間通過網絡課程提前學習理論知識做好相關的準備工作，初步確立學習目標，并對預習作業進行分析。在此過程中，學生對該輪課程的目標有了初步認識，而不是被動地接受教師的“填鴨式”灌輸。在課堂上，學生和教師共同對項目進行分析，教師可以在此期間傳授相關的知識［5］。其次，以現場示范的方式進行教學。比如，在進行單片機控制廣告燈教學時，當學生對任務目的有了清晰的認識后，教師可以通過現場演示的方式來展示任務的執行效果，并對所需要的知識進行逐步分析。教師將本次項目中所需要的知識點進行詳細地講解，演示如何將其應用到項目設計中。這種現場示范的教學方式，不但可以使學生不再死記硬背，還可以使學生了解工程上的項目如何實施。最后，采用團隊協作的方法進行教學。采用以任務為主線、教師為主導、學生為主體的教學模式，能夠增強學生的學習積極性。在單片機原理及應用技術的教學中，把班級中的學生分為若干組，在制訂任務方案時，小組成員共同參與討論、修改并完成設計方案，教師根據小組給出的方案進行對比，確定最終教學內容。在執行該教學內容時，可以分小組進行討論，以提高學生的專業素質和團隊合作意識。

（三）課程考核評價改革

學生比較看重考試成績，因為優異的考核成績不僅可以使自己的能力得到認可，還能夠獲得獎學金、保研資格、榮譽稱號等獎勵，此觀點會使學生的學習變得功利，只為了應付考試而取得較高分數，可能學生也會采取一些不正當的手段獲取好的成績。以往的考試都是以期末測試為主，導致學生的學習成績很好，但是實踐能力卻相對較弱。為推動單片機原理及應用課程改革，課程考核評價也需要進行相應的改革。為了強調實踐的重要性，突出學生的實際運用能力，本課程總分=課堂表現成績（50%）+期末考試成績（50%），采用過程化考核方式。在項目驅動的教學模式下，所有課程都是圍繞項目進行，完成任務后，可以對學生的學習成績進行記錄和打分。相關標準可以根據項目完成的難易程度、質量和對所涉及知識的表述能力來確定。通過教學實踐發現，學生的期末考試分數與課堂表現成績具有一致性。因此，改變教學模式，可以使學生更多地關注和重視課堂表現，優化學習風氣，使學習成績能夠有效反映學生的實際水平［6］。

（四）實驗教學方法改革

通過驗證性實驗和設計實驗幫助學生在初級階段把教科書中抽象的理論知識以具體的形式展現出來，將實驗與教學內容有機地融合在一起，使學生加深對單片機原理和結構的認識。經過反復的實踐，各小組成員的積極性和團隊合作意識逐漸增強。為提高學以致用的意識，增強實踐效果，教師在教學中期有計劃地安排學生完成各種綜合性實驗項目，由學生自己設計并進行綜合性實驗，當遇到不明白的問題時，學習實踐小組可以隨時參考有關學習資料，并將其運用于實驗，使學生更好地了解有關單片機的基本概念。在實驗教學中，學生是學習的主體，既要主動地掌握基本的單片機理論，又要積極地培養自己實踐和綜合應用能力，建立起屬于自己的知識結構與體系［7］。充分調動學生的積極性，勇于面對問題，勇于解決問題，善于合作創新。鼓勵學習成績優異的學生組成團隊參加校級、市級、國家級各類學科競賽，以賽促教、賽教融合，以多種形式進行創新創業比賽，提高學生的綜合素質和動手能力，加強理論與實踐的綜合運用，培養學生的創新創業精神，實現理論知識的實踐和應用。

（五）課程設計改革

單片機原理及應用的課程設計，是培養學生運用系統開發和解決實際工程問題能力的一個重要環節。課程設計安排于理論課的后兩周或下個學期前兩周，由學生自行組隊并選擇題目。學生還可以自行擬題，題目要求選有實用價值、與物聯網技術相結合的主題。教師在教學計劃期間，主要負責教學組織和設計指導。項目組由2至3名學生組成，每位學生都有明確的分工和職責，項目組組長負責協調最終成品的調試和設計報告的編寫。例如某課程設計的研究項目要求采用ESP32單片機模塊，各種實用傳感器，以太網通訊、藍牙、RFID、NFC無線傳感器等相關的技術與模塊。設計項目需經教師審核后方可進行，學生可參考有關設計文件及資料，確定最終設計方案，并制作電路板、編寫系統軟件、系統測試并完成課程設計報告。課程設計評審以小組現場答辯方式進行，評分標準包括方案合理性、作品創新與實用性、設計報告完整性。最后，以實踐表現、答辯表現等為依據，對學生的課程設計進行評價。課程總分=教師評價分數（包括作品分數，設計報告和答辯表現）×70%+學生評價分數×30%。

四、結語

單片機原理及應用課程是本科階段工科專業的必修課，課程內容涉及數字電子技術、模擬電子技術、通信技術、程序設計、電子CAD等知識。學生的學習成效將直接關系到其將來在電子或電氣領域中解決實際問題的能力。隨著時代的發展，社會與行業對高校單片機原理與應用技術課程教學改革提出了新要求。通過改革教學內容、教學組織方式、課程考核評價、實驗教學方法以及課程設計等方面，提升單片機原理與應用技術教學的有效性，引導學生緊隨時代的步伐，適應國民經濟的發展以及復雜的市場要求，為企業輸送更多的實用人才，為有關領域發展提供專業技術支持。

參考文獻：

［1］ 匡暢. 基于翻轉課堂的單片機教學改革設計與實踐［J］. 中國多媒體與網絡教學學報（中旬刊），2022（09）：29-32.

［2］ 陶彬彬，胡徐勝. 新工科專業建設中的單片機課程教學改革與實踐探索［J］. 電腦知識與技術，2021，17（35）：243-245.

［3］ 嚴曉波，梁毅，夏大文，等. 基于新工科的高校單片機教學模式改革與實踐［J］. 創新創業理論研究與實踐，2021，4（19）：63-65.

［4］ 顧亞龍，馬遠新. 單片機理論與實踐的創新教學分析［J］. 電子技術，2021，50（07）：194-195.

［5］ 謝佩軍. OBE理念下單片機虛擬仿真實驗教學改革研究［J］. 計算機時代，2021（06）：91-94.

［6］ 梁波，田亞立. 信息化教學模式在單片機教學中的應用研究［J］. 中國教育技術裝備，2019（09）：108-110.

［7］ 王春梅. 基于單片機課程的“講學訓”一體同步實踐教學模式的探究［J］. 教育現代化，2019，6（78）：260-263.

（責任編輯：淳潔）

基金項目：本文系臨沂大學2021年度校級教學改革研究項目“工程教育視角下線上線下混合式教學的研究與實踐——以單片機原理及應用課程為例”（項目編號：JG2021M11 ）；山東省本科教學改革研究項目“新工科視域下《單片機原理及應用》課堂教學改革與探索”（項目編號：M2022296）研究成果。

作者簡介：王春梅（1979—），女，碩士， 臨沂大學自動化與電氣工程學院電氣工程系副主任，副教授，研究方向為智能控制、電力電子；謝印忠 （1970—），男，博士，臨沂大學自動化與電氣工程學院副教授，研究方向為自動控制、光電精密測試技術；岳耀亮（1971—），男，碩士，臨沂大學自動化與電氣工程學院大學副教授，研究方向為智能控制。