面向創新型應用人才培養的單片機課程教學改革探索

馮琤，郭麗紅，包永強，宋宇飛，徐偉業

（南京工程學院，江蘇南京 211167）

單片機原理及應用課程是電子信息類專業的一門重要基礎課程，在課程體系中起著承上啟下的重要作用[1-2]。課程以實際工程應用為基礎，以MCS-51系列單片機為模型，由淺入深、循序漸進地設置了單片機的基礎、結構與功能應用等理論知識，用來培養動手能力強、符合實際需求的單片機專業人才。單片機原理及應用課程的學習難度較大，例如課程中硬件電路設計、邏輯程序設計與編寫等，對于應用型本科高校的學生而言，是非常重要的內容，也是比較難掌握的知識。

在傳統的單片機課程教學過程中，大多是教師講，學生聽，教師占主導地位，學生處于被動學習狀態，這種教學模式容易導致學生失去學習興趣，難以培養學生獨立思考問題的能力[3-4]。同時，學生對基礎知識的掌握往往相對薄弱，且大多數學生并不喜歡理論性強的課程。傳統PPT+板書的教學手段顯得枯燥無味，難以吸引學生對課堂的注意力，降低了學生的學習興趣。另外，在學生學習效果評價上，目前主要依據理論試卷的分數，雖然實現了知識點在教學和考查過程中的統一化與標準化，但是對于單片機這類課程，對學生理論知識掌握情況的考查只是一方面，更需要考查學生發現問題、分析問題和解決問題的能力[5]。為了實現創新型應用人才的培養目標，面向應用型人才培養的單片機課程教學的創新與實踐是十分必要的。

1 教學目標設計

根據成果導向教育理念[6-7]，課程教學目標圍繞學生職業能力發展提升進行重構，培養學生利用單片機系統解決設計問題的能力[8-9]。最新版的單片機課程大綱以應用型人才的需求特點和畢業要求為出發點，確定了包含知識目標、能力目標和素質目標三部分的教學目標。

知識目標：旨在要求學生掌握MCS-51 的基本結構和工作原理，熟悉MCS-51 的尋址方式、指令系統，掌握匯編語言和C51 程序設計方法、MCS-51 內部中斷系統、并行I/O 口、定時器/計數器、串行通信口等資源的使用方法；掌握常見外部設備和接口。該部分要注重工程實例的適當引入，使學生更加清晰地認識到重點內容在行業的應用，能夠正確使用單片機系統資源分析和解決問題。

能力目標：旨在要求學生具備基于MCS-51 單片機的小型電子應用系統設計、調試以及開發能力。以培養學生工程實踐能力為切入點，著重培養學生的單片機基礎知識，工程實踐能力、發現問題和解決問題能力。在此過程中學生自主發揮，注重個人創新能力的提升。

素質目標：旨在培養學生的工匠精神、精益求精、社會責任感等，幫助學生建立正確的人生觀、價值觀，使現自我認同，激發學習的內動力，并在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素。

2 教學內容設計

單片機課程以MCS-51 系列單片機為基礎，系統介紹單片機硬件結構、資源、接口、工作原理等，使學生掌握相關的匯編指令、編程語言和開發環境，熟悉小型單片機應用系統的設計、調試與開發過程。

在理論教學部分，課題組在講解基礎知識及各模塊工作原理的基礎上，注重與項目案例相結合，引入項目驅動式教學方法，讓學生能夠在實際案例的基礎上構建知識體系。

在課程實驗部分，基礎操作內容在單片機實驗箱上完成[10]，由學生獨自完成實驗項目，并在此基礎上，結合簡單的實際案例項目，進行硬件電路設計和程序編寫，嘗試簡單項目的設計、實現與改進，激發學習興趣[11]。

值得一提的是，在實踐設計環節，除了典型實驗的仿真外，融入科技創新項目是非常有必要的，包括大學生創新創業計劃訓練項目、各類相關的學科競賽，從方案的選取、單片機開發板的設計，到系統的調試，學生都可以全程參與，有效提高了學生學習的主動性，進而提高了教學質量。

3 教學模式改進

傳統的教學模式以教師講授理論知識為主，在這種教學模式下，學生對理論和程序代碼難以產生興趣和學習動力，在實驗室內，學生通常也只是被動地根據教師編寫的實驗指導書完成硬件連接和代碼輸入，這種授課方式很難達到創新應用型人才培養的教學目標，因此，課題組對教學模式進行了改進。

課題組立足學生工程能力的培養，同時配合學院做好專業教育，在新生入學時，為其發放科研“大禮包”，其中就有單片機開發板和相關工具包，單片機開發板集成了單片機CPU 核心模塊、獨立按鍵、繼電器、譯碼器、紅外接收等獨立模塊，工具包也備有點焊槍、烙鐵架、松香、替換焊頭等基本工具，學生可以利用它們，結合軟件編程，探索設計交通燈、遙控電機、紅外報警器等實用小系統。通過這款“大禮包”的發放，學生在單片機課程開課之前即對單片機到底學什么、未來可以用它做什么有一個初步的了解，并激發了學習興趣，后續開展單片機課程時，這份單片機開發板和工具包也有助于學生自己動手實踐，鞏固理論知識。

開課后，課題組主要采用線上線下混合教學模式，通過學習通等平臺進行課堂內外的師生互動，起到輔助教學的作用。教師在授課前將相關學習資料推送到線上平臺，包括發布課程公告、授課課件、與知識模塊相對應的實際項目案例介紹以及課后作業等，學生課前可以接收到大量指導性資源，提前熟悉主要授課內容，進行相應理論知識的預習，對項目案例的設計與實現進行思考，為線下學習做好充足的準備。這種方式使得教學可以順利開展，提高學生學習的目標性和積極性，同時，線上平臺開放留言和與教師交流的功能，方便為學生答疑解惑，也使得教師能夠更好地掌握學生的預習情況，在授課過程中能更有針對性地對知識內容進行講解。

線下課堂授課時，注意將教材內容與線上資源結合，進行模塊化講解，理論概念要與實際項目案例相結合，注重引導學生將理論知識應用于實踐，讓學生自主進行案例設計，讓學生在掌握理論知識的同時，更加注重知識的應用，提升學生的開發能力。課后作業除了考查和鞏固理論知識外，針對知識模塊，教師給出相應項目設計題，學生3～5 人一組進行分組設計，在單片機開發板上完成項目設計，并在下次授課的知識回顧環節進行討論和講解，教師在課后也會上傳設計題目的解題思路和實現過程，并進行實物演示。另外，線上平臺還有投票、搶答等功能，可以將其作為教學的互動環節。

4 多維評價體系設計

單片機課程不僅需要學生掌握基礎理論知識，更需要培養學生應用理論知識解決實際問題的能力[12-13]。單純依靠作業和卷面考試成績無法全面有效地評價教學目標達成情況，根據評價需要，課程組教師探索出一套合理的多維教學評價考核體系。

在成績考核方面，提高實踐動手能力的考核占比，且考核內容更加多元化。

課堂表現部分。由于課內增加了項目案例的設計與討論環節，所以課堂表現成績不再以簡單的點名考勤、回答理論知識為主，而是更加側重學生在項目案例設計環節的表現，包括獨立思考能力和團隊協作能力。教師會根據設計題目明確學生的設計目標和考核得分點，以對學生進行考核。

課內實驗環節。由于優化了課程實驗內容，除了對學生實驗中理論知識的掌握程度進行評價外，更加重視學生的動手設計能力和創新能力。基于此，課題組制定了相應的考核標準，對實驗設計方案的可行性、先進性、操作性以及實際結果的展示等方面體現的學生理論知識掌握度、實際動手能力和創新性思維進行客觀、全面的考核。

理論試卷考核。各知識點考查的分值比重依據課程大綱執行，注重基本知識掌握情況考查的同時，根據應用型本科院校的辦學特色與內涵，適當增加設計類型的試題，讓學生以實際工程應用為題干，運用所學知識，學會在理論及代碼編程的基礎上解決實際問題，考查學生獨立分析和解決問題的能力。

其他考核渠道。由于掌握單片機方面的知識有助于學生參加諸如電子設計競賽、物聯網設計競賽等學科競賽項目和各類大學生科技創新創業訓練計劃項目，為鼓勵學生積極參與、將所學知識應用于學科競賽和項目中，課題組將競賽成績和項目獲批/完成情況作為平時成績的加分項。

5 結語

高等院校創新應用型人才的培養，需要專業課授課教師在課程教學的研究與實施中做大量工作。面向創新應用型人才培養的單片機課程，應將培養學生利用單片機系統解決問題能力放在首位，在重視學生掌握理論知識的同時，更要注重鼓勵和引導學生向工程實踐轉化，因此，要在教學目標、教學內容、教學模式以及評價體系等方面進行改革和創新，增強學生學習單片機的興趣和積極性，提高學生的實踐動手能力，提高單片機課程的教學質量。