基于工程訓練的單片機原理及應用課程的教學改革與研究

彭昕昀，陳錦儒，韓竺秦（韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

基于工程訓練的單片機原理及應用課程的教學改革與研究

彭昕昀，陳錦儒，韓竺秦
（韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

在單片機原理及應用課程中結合互聯網和學科競賽，采用工程訓練法、微課教學法、項目實踐法等多種教學模式對工科大學生進行教學和指導，證明將單一枯燥的電類專業課程改革成互聯網時代的混合新課堂，能提高大學生的工程分析、設計、實踐和創新能力.

單片機；教學改革；工程訓練；微課教學

單片機原理及應用課程是信息工程類專業本科學生的核心專業課程之一，不僅是一門專業的核心課程，也是綜合了數學、物理、電子、電路、電機、編程語言和算法的等多門學科的核心課程，更是學生能展示專業技術的核心課程.課程的教學要求是使學生掌握單片機的內部結構與工作原理，通常選用MCS51型單片機芯片進行講解，讓學生掌握對單片機外部引腳設計，內部定時/計數器的編程應用，中斷系統結構與原理、串行通信接口工作原理與編程應用、系統擴展技術、系統接口技術等知識.

目前，隨著消費電子產品大發展和工業控制領域要求的提高，單片機技術得到了更大的提高，單片機的類型越來越豐富，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段.其中基于MCS51系列MCU系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用.當前的單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統已被廣泛應用在全系列的單片機上.掌上電腦和智能手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統.

根據工科大學生的認知特點，利用網絡、書籍、實驗等設備和資源，依托我校省級工程訓練中心，結合互聯網的各種資源和現代教育技術，對單片機課程進行與時俱進的教學改革和探索.

1　課程的教學現狀

1.1教學手段落后，教學設備陳舊

傳統的單片機課程采用普通的課堂組織教學，在理論知識上雖然清晰完整，但是由于偏重理論，并且在選例上缺乏應用性，以致學生對單片機的用途上認識模糊，沒有直觀印象，而且單片機課程的教學手段也是以講授為主，缺乏主動、直觀的輔助手段，使學生覺得學習單片機較為枯燥，從而缺乏興趣，影響了大學生的實踐興趣.

實驗教學上，由于實驗設備陳舊，導致開設的單片機實驗是一些驗證性實驗，未能開設更多的設計性和創新性實驗，也影響了學生對本課程的積極性；而新設備的數量緊缺，導致實驗課程的課時量較少，滿足不了大學生動手實踐和工程訓練的需要，也不能很好地配合和豐富理論知識.

1.2教學內容狹窄，競賽資源不足

單片機課程內容上著重MCS51系列微處理器（MCU）系統的單片機講解，沒有很好地跟進時代的發展，從而導致了課程的知識點層面狹窄，跟不上當前社會生產的需求.同時，在教學過程中沒有引申到更高一級的MCU系統上去，也影響了學生課后自學更高級芯片系統的能力.

在技能競賽上，學生熱情很高，都希望通過參加各類電子、機電和自動化競賽來提高工程實踐能力，這對教學資源和競賽指導都提出了更高的要求.但競賽資源不足，教師指導不到位以及課程內容的限制，也影響了學生參與各類電子、機電和自動化競賽中的積極性.

2　課程的教學改革實踐

在單片機課程的教學改革中，本項目組從教學模式、教學內容、教學手段、課程考核和科研競賽5個方面進行改革，積極探索提高大學生的學習興趣和工程實踐能力的多種方法和手段.

2.1轉變教學模式

改革傳統的教學模式，將傳統、單一的單片機課程的教學模式改革成工程訓練和項目實踐的教學模式.應用計算機多媒體技術、網絡技術、計算機仿真技術和實驗室的實驗設備，把學生分成多個項目小組，從以教師為中心轉向以學生為中心，以項目團隊為主，以工程訓練中心實踐基地為基礎，給各組布置不同的工程訓練項目，引導各組學生以團隊方式進行項目調研和構思，各組成員互相激勵，對工程項目所需要的知識進行主動學習.團隊的合作可以幫助成員們更好地溝通和進步，自覺地把理論知識和實驗室設備進行結合，達到理論和實踐的反復結合，螺旋式上升.教師指導學生對工程訓練項目進行階段性總結，在完成整個工程訓練項目設計后，進行匯報總結.采用工程訓練和項目實踐的教學模式，培養了學生的工程技能、提高了團隊的協作精神和創新能力.

2.2擴展教學內容

根據當前單片機發展和實際應用的現狀，對單片機課程的教學內容進行改革擴展，把教學內容分成3部分，第一部分是結合網絡技術和多媒體技術，擴展單片機的工程訓練內容；第二部分是擴展增加單片機實際案例分析內容；第三部分引入更高級別的單片機微處理器芯片的實踐內容.

結合互聯網和多媒體技術，擴展單片機工程訓練內容，制作了微課教學視頻，微視頻以工程實踐為主，如使用Proteus畫電路仿真圖、使用KeilC編寫單片機程序、流水燈并行口編程和硬件調試、多路按鍵編程和硬件調試、聲光報警中斷編程和硬件調試，時鐘定時器編程和硬件調試、串行通信編程和硬件調試等用于工程訓練和項目實踐的微課教學視頻.大學生通過互聯網或智能手機觀看微視頻，自主學習單片機的實踐操作，提高了對單片機類工程項目的理解和應用能力.

在單片機原有理論內容上，增加了單片機實際案例分析.把教學的理論擴充一些實際生產實例.例如傳統單片機教學內容里有定時器/計數器內容，這一內容可以引導到高速公路的車流量統計以及測速的應用.從理論過渡到實際應用不僅讓學生更容易理解知識點，而且能更好地運用理論，為單片機的實踐和實訓做鋪墊.

在理論教學過程中添加高級別的MCU進行講解，由MCS51系列逐步過渡到STM32系列，甚至更高級別的ARM系列.在過渡過程中偏重知識點的實踐引導，培養學生自主學習的能力.例如在講解傳統MCU系統的中斷系統時，分析中斷系統的工作原理以及中斷方式時，可以插入STM32系統的中斷分析，并加以對比.通過中斷系統的比較，引導學生如何處理與學習高級別的MCU系統.這樣提高了學生的求知欲，增強了學生自主學習的積極性，同時能更快地理解掌握各系列MCU之間的關系，便于提高大學生的自學能力.

2.3豐富教學手段

傳統的教學手段是在教室上理論課，并且局限于教室里面.單講理論會讓學生感覺到乏味，容易失去對電類專業課程的興趣，造成教學效果不理想.因此在教學手段上把工程項目與課程理論相結合，采用工程訓練方式進行項目式教學，結合多個實用的工程訓練課題，拓展學生對于課程的興趣，增強學生對各類電子、機電和智能汽車創新設計的課題項目的理解，提高設計編程和硬件調試能力，有利于對單片機課程的深入理解和實踐應用.

網絡的高速發展，教學手段不能僅僅停留在課室這個狹隘的空間里，利用網絡技術與網絡資源，建設單片機課程的網絡教學平臺，把各類教學大綱、教學課件、課程習題、課程測驗、實驗大綱、實踐課題等資源及時上傳到課程網站，通過留言板快速解決學生的疑問.利用網絡教學平臺，拓展學生的學習時間和學習空間.不斷完善單片機網絡課程資源，在網絡平臺中，讓學生隨時隨地通過網絡拓展工程訓練項目的興趣和學習，實現“以虛擴實，以軟擴硬”的自主能動式學習，適應了時代發展，適應了新技術的學習.在不增加總學時的前提下，大大增加了大學生的實際學習時間.

隨著互聯網和智能手機的快速發展，大學生通過手機來搜索學習資源和學習視頻的時間也越來越多.因此結合當前信息化新課堂和混合學習的教學理念，把單片機課程的教學內容進行微型化，設計適合大學生碎片化時間的互聯網e+學習，制作單片機課程的微型化課件，微型化教學視頻，微型化訓練內容，上傳到學校的網絡平臺，學生可以隨時通過網絡平臺和智能手機進行單片機課程的微學習，學習單片機微教學課件，觀看微教學視頻，增加了學生的學習時間，促進了學生的學習興趣，提高了學生的學習效果.

2.4優化課程考核

建立單片機課程知識測試和素質技能考核評價并重的考核機制，改變學生只重視知識測試的傳統做法，考核仿真軟件的操作，考核軟件編程的操作，考核硬件電路的綜合設計，改革傳統的測試模式，各個項目組成員定期進行自評和互評；教師抽檢各組成員的編程操作訓練；期中和期末都進行實踐操作考核，期末對學生的各個工程訓練項目組進行答辯匯報，各組互評和教師綜合評測，通過多種考核評測方式提高學生的綜合素質，提升學生的團隊合作能力和科技創新能力.

2.5強化科研競賽的訓練

結合工科大學生特點，針對實踐教學，指導學生動手實際操作單片機編程軟件KeilC、仿真軟件Proteus、電路板制作軟件Altium Designer，實際制作和調試電路板、反復聯合調試軟件和硬件系統，提高學生對單片機課程的興趣，實現教育資源的優化；再結合實驗室的實驗板、電子設備、自動化設備，不斷提高大學生的實踐技能；還組織學生參加各類積極參加各類科研項目和科技競賽，帶動大學生學習當前最新電子、計算機、機電和傳感器技術.近幾年指導學生參與我校的大學生創新創業訓練計劃項目，參與廣東省電子設計大賽，讓大學生接觸當前先進的信息技術，引領大學生設計智能家居產品.通過科研和競賽，強化了單片機課程學習的深度，促進學生對單片機設計開發的研究與探索，也增強了學生的工程應用能力.

3　結語

在現代高等教育教學中，以大學生為主體地位，結合互聯網、學科競賽和先進的現代教育技術，把單片機課程的理論與工程訓練和項目實踐相結合，從教學內容、教學模式和教學手段上進行改革和實踐，綜合構建教學資源，提高大學生的工程分析、設計、實踐和創新能力，為社會培養出更多更強的創新性科技人才.

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［4］張曉青.《單片機》項目式理實一體化課程改革與實踐［J］.教育教學論壇，2016（10）：10-11.

［5］張婧婧，李勇偉.單片機課程的項目驅動教學研究與探索［J］.電氣電子教學學報，2014，36（12）：87-88，92.

［6］田竹梅，王愛珍，張白莉.基于創新能力培養的單片機教學改革研究［J］.廊坊師范學院學報，2016，16（1）：119-121.

［7］顧娜，季肖楓.應用型本科單片機技術課程教學改革［J］.中國冶金教育，2016（1）：72-74.

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Research and Reform on Course of Principle and Application of Micro Controller Unit Based on Engineering Training

PENG Xin-yun，CHEN Jin-ru，HAN Zhu-qin
（Institute of Physics and Electromechanical Engineering，Shaoguan University，Shaoguan 512005，Guangdong，China）

Combined with the internet and discipline competition in the course of principle and application of Micro Controller Unit，adopted engineering training，micro-lecture teaching，Project Training and various teaching models are proposed to teach and help the engineering college students.Simple and boring electronics course is reformed to new-mixing course of internet era，thus enhancing engineering college students'ability of analysis，design，practice and innovation.

Micro Controller Unit（MCU）；teaching reform；engineering training；micro-lecture teaching

G642.0；TP368.1

A

1007-5348（2016）06-0095-04

（責任編輯：李婉）

2016-04-20

韶關學院第十四批教育教學改革研究項目（70312-00014）；廣東省高等學校教育技術項目（GDHBL011）.

彭昕昀（1973-），女，廣東陸豐人，韶關學院物理與機電工程學院講師，碩士；研究方向：自動化和智能控制.