工科機械類本科《單片機原理》教學模式改革探討

摘要：本文針對工科機械類本科生的《單片機原理》課程教學現狀的不足，提出了基于工程項目為導向和機械類卓越工程師培養目標的課程教學改革新思路，探討了由理論教學、項目導向、團隊協作、答辯考核等為一體的單片機教學模式改革實施方案。該教學模式經兩年的教學實踐和學生的反饋調查，效果良好。

關鍵詞：教學模式改革；機械；工程教育

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）04-0072-02

一、《單片機原理》教學現狀

《單片機原理》課程是電子類、機械類、控制類等專業的一門專業基礎課，是在學生掌握了基礎的電子技術類和計算機應用類課程之后，為加強對學生應用能力的培養而開設的體現電子技術、計算機技術綜合應用的一門課程。本課程的目的和任務是使學生獲得單片機應用系統設計的基本理論、基本知識與基本技能，為學生畢業走向工作崗位后從事機電一體化相關研究及開發打下良好的基礎。《單片機原理》綜合了硬件電路設計和軟件編程等技術。學生在學習本課程的時候，一方面鞏固掌握了前續基礎課程，如《電子技術》和《計算機基礎》等；另一方面，學會了單片機系統設計的思路和方法，為今后從事相關工作打下基礎；此外，以MCS-51為基礎的單片機課程也為今后的ARM、DSP學習，為《電子技術》的繼續教育等夯實基礎。《單片機原理》也是應用型人才培養的需要，現代理工科院校和高職院校都開設了相關課程。但是，單片機技術日新月異，而大部分高校的單片機課程教學模式卻一直延續至今，沒有針對技術發展、社會需求做出相應調整。單片機的傳統教學方式多以課堂原理講解為主，結合少量硬件實驗，這種模式存在的問題較多。傳統教學過程中未引入工程實踐設計，導致學生動手能力普遍較差。由以上單片機課程的教學現狀，我們可以看出，單片機課程改革勢在必行，必須改革教學模式，才能適應工程教育的目的，培養學生的實踐能力。

二、課程模式改革的理念、思路及實施方法

隨著全世界人口、資源與環境壓力的日益增大，工程與技術在創造性地解決這些問題方面正起著越來越重要的作用。已成為高等工程教育大國的中國，正以實施卓越工程師教育培養計劃為突破點，加快高等工程教育改革創新。《單片機原理與應用》課程改革正是契合了工程教育改革的時機，以工程項目為導向的設計流程，為學生今后從事相關工作和繼續學習鋪墊了良好的基石。在工程教育的大背景下，如何鞏固和加強單片機技術體系，在有限的時間內使學生在這個體系里循序漸進地學習和掌握單片機及嵌入式系統設計的過程，掌握常用EDA設計工具以及在實踐過程中培養他們的創新和創造能力，是目前單片機課程亟待解決的問題。《單片機原理》課程模式改革的最終目的是建立單片機課程的工程教育體系結構，該體系結構以單片機基本原理為基礎，設計開發及整合相關的硬件資源和軟件資源，以及相關的教師資源，根據學生的認知過程，建立多層次、模塊化、開放型、綜合性的單片機工程訓練教學新模式。其實施方法及內容主要為以下幾方面。

1.針對機械類學生，確定單片機課程實踐教學體系，開展單片機實踐教學模式研究。單片機對于電子類的學生而言，是一門必修的技術基礎課，主要應用在電子控制相關領域。而對于機械類的學生而言，單片機是選修課，那么如何改革當前針對機械類學生的單片機課程的教學體系，使得機械類學生能夠有充足的興趣來學習單片機，這是單片機模式改革的重要準備工作。首先擬從實際的工程項目出發，淡化理論知識。例如弱化指令系統、匯編語言程序設計、存儲器及I/O口的擴展等。其次著重加強學生的實踐和動手操作能力，通過課內和課外的工程項目實驗來吸引學生。加強定時器操作、I/O口操作等方面的硬件設計和程序設計能力，例如花樣流水燈、LED顯示屏等實踐項目。最后是結合機械類學生的特點及今后就業的領域，著重加強單片機在機電一體化領域的實際應用，使得學生在學習單片機課程的同時，也深入到了機電一體化的體系設計當中。

2.優化單片機實踐課程體系，完善實踐學習內容，對工具軟件實踐課程教學方法研究與探討。針對單片機在機電一體化領域的實際應用，進行單片機實踐課程的案例教學的開發。本實施方案是在上述實施的基礎上，進行的細化工作。主要包括實踐教學教案的編制，特別是機電一體化領域單片機實際應用的教案，以及單片機開發的工具軟件實踐課程的教學方法研究。在實踐學習的內容方面，擬從機械類學生的特點及先前所學知識的基礎上，以工程項目為導向，編制實踐教學教案。初步擬定為這幾項：IO口操作、中斷定時操作、串口通信、鍵盤和顯示、綜合實驗等。在工具軟件的實踐課程教學方法方面，擬引入Proteus、KeilC及Protel等EDA軟件，建立單片機虛擬實驗室，使得學生的學習不局限于實驗室內有限的單片機實驗箱。虛擬實驗室的建立，使得學生的設計不局限于有限的單片機實驗箱功能，進行單片機的開放性設計，鍛煉實際應用和開發能力。

3.改革單片機課程考核成績的評估機制，引入工程項目考核的機制，加強學生的實際工程設計能力。引入工程項目考核的機制，從項目規劃、項目實施、項目驗收等方面開展單片機課程的考核。擬改革原有的考試形式，摒棄紙面考查基礎知識，而忽略實際應用能力的考試形式，而在數字虛擬實驗室上開發實際的單片機工程項目。在此基礎上，還可以更進一步，設計出基于Protel的電路原理圖和PCB圖，增強學生的實際工程應用能力。課程考核成績主要分為三塊：首先是課堂到課及課堂回答問題情況，占總成績20%；其次是平時的5次作業情況，占總成績的30%，這5次作業分別是I/O口操作、定時器應用、按鍵及LED顯示、AD/DA、UART，它們是單片機課程的重點內容；最后是分組考核，3～4名學生為1組，根據一個緊密結合實際的單片機應用課題，然后開展硬件設計、程序開發和答辯等工作，這項考核占總成績的50%。通過改革考核方法，使得學生全程參與到實踐教學中來，從實踐中學習，從實踐中收獲，調動了他們的學習積極性，從而能夠取得較好的教學效果。

以工程項目及卓越工程師培養目標為導向，結合工科機械類的本科學生的實際特點，加強了課程和工程項目實踐的緊密聯系性，通過優化教學內容，以模塊化、系統化的結構進行《單片機原理》課程的授課，能夠讓理工科學生特別是機械類學生在掌握單片機課程的基本理論和基本技能基礎上，綜合運用所學知識，實際開發一些單片機應用系統，提高教學效果。加強學生的動手能力、遇到問題時的思考能力、系統化設計的能力；改革課程的考核方式，更接近于工作實踐，加強學生間的協調合作能力。彌補機械類學生在電子技術和單片機控制方面的不足，培養機電一體化的思想觀念，并為他們今后的工作和學習打下良好的基礎。以上具體方案，經過兩年的教學實踐及學生反應，效果良好。

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