實踐為主導的單片機課程立體化教學模式的探索

李秀瀅， 段曉毅， 趙 成， 李雪梅

(北京電子科技學院 電子信息工程系， 北京 100070)

單片機課程屬于工程技術類課程，目前各高校采取的還是理論課加實驗課的教學組織形式，這種組織形式在一定程度上割裂了工程技術類課程的實踐性。各高校都在積極探討怎樣彌補這一缺陷，實現理論和實驗的統一，培養學生的實踐創新能力[1-2]。在教學實踐的探索中，提出了構建以實踐為主導的“立體化”教學模式的改革思路，致力于打破課程教學上時間與空間的壁壘，實現實踐能力貫通式培養。

1 立體化教學模式的教學理念

1.1 立體化教學模式的提出

“立體化”教學模式實際上是課程組以實踐能力培養為主線、全方位改革課程的一個形象性詮釋。所謂“立體化”就是利用有效的手段建立課程各教育環節的內在聯系，打通學生學習中的壁壘，實現實踐能力培養的一體化教學[3]。

建立“立體化”教學模式的目的是讓學生通過單片機課程的學習，建立起系統化、模塊化的工程概念，鍛煉實踐動手能力，培養工程師基本素質。圖1是“立體化教學模式”的一個形象示意。

圖1 立體化教學模式示意圖

1.2 立體化教學模式的改革思路

構建實踐能力培養的“立體化”教學模式從宏觀上說，就是要在課程教學上實現4個融合，即專業內容與特色內容融合、實踐教學與理論教學融合、軟件仿真與硬件實驗融合、課內教學與課外教學融合。

(1) 專業與特色相結合。當前各大院校都在傾力打造自己的專業特色，而單片機課程作為電子類專業的必修課，它通常是服務于特定專業方向和專業特色的。所以應挖掘單片機教學內容與專業特色知識體系的內在聯系，增加特色內容，做好課程間內容的銜接與貫通。

(2) 理論與實踐相融合。單片機是一門技術性和工程性很強的課程，割裂理論與實踐之間的有機聯系，學生會產生厭學情緒。所以要實現理論與實踐的有機結合，打通理論與實踐的嚴格界限，實現一體化教學。

(3) 仿真與實驗相結合。現代電子仿真技術已經廣泛應用于電子產品的開發過程。在單片機教學中引入仿真，建立軟件仿真與硬件電路實驗相融合的教學方式，可以快速提升學生單片機的應用設計能力[4]。

(4) 課內與課外相融合。在各高校不斷壓縮課內學時的教育背景下，單片機教學完全依靠課內學時是無法滿足學生工程實踐能力全面提升的需求的。因此需要研究新教學方法和手段，引導和激勵學生進行課外的學習和實踐，實現開放式教學，打通學生課內外學習的壁壘。

2 立體化教學模式的具體實施

2.1 把握課程在專業特色培養體系中的定位

隨著我國高等教育改革的不斷深化，面向特色建設專業已成為共識，因此立足于專業特色建立單片機課程的教學內容是教學改革的重要舉措。我校的電子信息工程專業是教育部的特色專業，特色立足點是培養學生的密碼工程實踐能力。教學團隊從專業特色的培養方向出發，構建了特色課程群[5]，課程群的組成如圖2所示。“單片機原理與應用”課程是特色課程群的一門重要的專業基礎課，它服務于“信息安全設備原理與實踐”和“信息安全設備測評”這2門頂層的特色課。

圖2 課程群組成

信息安全設備實際上是一類典型的嵌入式系統，它與單片機系統密不可分。團隊教師在分析信息安全設備技術知識結構的基礎上，重新規劃了單片機課程的教學內容，確定課程培養定位:兼顧基礎、立足實踐、突出特色。為給后續特色課程打基礎，設計了“基于嵌入式處理器的密碼算法實現”和“密碼機的設計”相關教學內容，如在“嵌入式系統設計方法與設計舉例”章節的教學中，將“基于ATMega16單片機簡易密碼機的設計與實現”作為教學案例。

2.2 建立理論與實踐相融合的教學手段

單片機課程知識點多、技術性強、內容抽象，按照傳統方式來授課，學生入門難度大，很多學生在聽2次課后就產生了厭學情緒，直接影響了學習效果。教育家陶行知老先生曾提出“教學做合一”的教學思想，他特別強調要親自在“做”的過程中獲得知識。這種“教學做合一”的觀點非常適合應用于高校技術類課程的教學實踐當中，也就是教師在“做”中教、學生在“做”中學，避免教學和實踐兩張皮現象[6]。

實現理論教學和實踐教學的融合其實很難，當前廣泛存在的理論課堂加實踐課堂的教學形式，在時間和空間上就將“學”和“做”分離了。仿真技術的發展給單片機的教學帶來了巨大的活力，可以讓學生帶著個人計算機進課堂，利用Proteus仿真軟件和Iiccavr軟件，搭建單片機學習的軟實踐環境，邊學邊做。

為了遵循實踐能力的認知規律，調整授課內容和授課順序，實行了“實踐—理論—再實踐”的教學過程，即:先讓學生跟著做，然后再剖析現象背后的原理，最后提出新任務讓學生分組在課堂上完成。例如在“ATMega16單片機定時/計數器”一節的課堂教學中，教師首先帶著學生在計算機上完成一個利用定時/計數器驅動8個LED閃爍的小系統，之后再講解ATMega16定時/計數器的工作原理，最后給出一個“利用定時/計數器驅動蜂鳴器發出不同頻率聲音”的任務讓學生分組完成。

2.3 形成仿真平臺與硬件平臺的優勢互補

絕大多數高校在單片機實踐教學中采用特定單片機實驗板或實驗箱，這些硬件實驗平臺多數是集成好的，且不便隨身實驗。Proteus仿真平臺只需要安裝在個人計算機上就可以直接帶入課堂，極大地提高了實踐學習的實效性；同時通過仿真電路的搭建，一定程度上可以提高學生的電路設計能力。但仿真只是一個手段，它不能取代單片機學習中的真實硬件平臺[7-8]，因此團隊教師重新安排教學流程和內容，將仿真平臺和硬件平臺都充分利用起來，實現2個平臺的優勢互補，促進學生快速、高效地掌握單片機技術。

理論課堂上主要采用仿真平臺，實驗課堂中主要采用硬件平臺。為了讓學生能將兩者有機地結合、切實提高單片機系統的開發能力，在項目型大實驗中，要求學生進行必要的仿真后，再搭建真正的硬件電路來完成項目。

2.4 實現課內與課外教學的聯動機制

完全依靠課內教學學時提高學生的實踐創新能力，是遠遠不夠的，需要將教學延伸到課外，建立有效的教學機制，督促學生利用課外時間繼續進行實踐學習。當前信息化技術手段日新月異，新穎的教學手段和教學方法層出不窮，從單片機課程學習的特點出發，采取了半翻轉課堂和項目驅動相結合的教學方法，實現了理論課堂和實驗課堂共同向課外延伸的目標[9-10]。

為了實現理論課堂向課外延伸的教學目標，在理論環節采取了半翻轉課堂的教學形式。教學中借助計算機進課堂、Proteus仿真平臺以及分組討論學習等手段，指導學生完成一系列單元性實踐項目。課前，先將相似的實踐任務布置下去，學生可借助微課視頻分組完成部分實踐任務；課上，教師帶著學生進行實踐項目方案分析，并分步驟解決問題；課后，學生調試完善該實踐任務，并作為作業提交。這種教學形式稱為“半翻轉”，因為教學過程中教師要進行必要的講解，將課堂進程按項目實踐的規律分成3個階段:搭建仿真電路、繪制程序流程圖和編寫C程序，每個階段中，教師先進行必要的分析提示，然后各組學生在規定時間內完成階段任務，最后展示和點評2組左右學生的階段成果。

半翻轉課堂教學形式主要應用在單片機功能模塊的學習上，擬定的實踐項目如表1所示[11]。

表1 半翻轉課堂的教學實踐項目

為了實現實驗課堂向課外延伸的教學目標，在實驗環節采取了項目驅動式教學方法。最后安排的實驗為項目型大實驗，學生自擬一個單片機控制系統，以小組為單位協作完成。為了讓學生樹立創新理念、培養綜合解決問題的能力，對項目型大實驗的教學環節做了必要的規定[12]:

(1) 系統實現要求。系統須涵蓋單片機的數字I/O單元、定時/計數器單元和串口通信單元的應用；系統最終要在硬件電路上調試成功，硬件電路要有自己焊接搭建的部分，不能全部依賴開發板。

(2) 自擬題目要求。在第6教學周時，提交自擬系統的可行性設計報告，教師審核。

(3) 實驗考核要求。該實驗占總成績的35%，在最后一次實驗課堂上進行成果驗收，其中包括實物展示和PPT答辯。

3 立體化教學模式的實施效果分析

教學團隊通過成績統計和問卷調查，詳細分析了2輪立體化教學模式的實施效果，期待在總結經驗的基礎上，進一步提升教學水平[13]。

3.1 對學生成績的分析

研究選取了電子信息工程專業2014級、2015級2個班次的“單片機原理與應用”課程的期末總評成績和項目型大實驗成績(占總評成績35%)進行統計分析。統計結果見表2。

表2學生成績的統計分析%

成績等級/分2014級學生成績總評成績項目實驗成績2015級學生成績總評成績項目實驗成績90以上1117203580—894262394870—793116321660—691218060以下4411

從表2統計數據可知，在實行立體化教學模式后，2輪教學都取得了較好的效果，學生的整體成績較好。

調查分析表明，學生投入項目型實驗的積極性很高，完成的作品質量較好，動手實踐能力提升明顯。與此同時，學生自信心增強，參加2016年北京市電子設計大賽和2017年全國電子設計大賽的人數同比增多，且2016年取得了前所未有的好成績。

3.2 對調查問卷的分析

立體化教學模式是對課程的全面改革，對于這種新型的教學模式，學生的適應性怎樣？對整個學習過程的感受如何？通過調查問卷進行了具體的了解。調查結果如表3 所示。

表32015學生的單片機課程調查問卷統計%

以上調查統計結果表明，采取以實踐為主導的立體化教學模式，切實提高了學生的實踐動手能力，學生認可度高。教學模式中的幾個教學環節大部分學生都能積極參與，并給予肯定的評價。

4 結語

以實踐為主導的立體化教學模式在單片機課程中的應用，為課程教學帶來了新的活力，學生學習興趣明顯提高，動手實踐的自信心明顯增強。通過后續專業課教師的反饋以及學生參與各項科技活動情況來看，學生創新意識和工程實踐能力得到了全面的提升。

References)

[1] 包敬海，張大平，陸安山.淺談面向應用型人才培養的單片機課程的改革[J].欽州學院學報，2013，8(8):20-23.

[2] 彭志剛.項目層次化在“單片機技術”課程教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2016， 38(4):116-118.

[3] 鄭一力，趙燕東，葛桃桃，等.物聯網技術在單片機教學改革中的應用[J].實驗技術與管理，2014， 31(9):22-24.

[4] 董紅生，秦雯，劉青，等.Proteus仿真在單片機綜合實踐教學中的應用探討[J].中國教育技術裝備，2015(2):152-154.

[5] 宋躍，胡勝，余熾業，等.基于OBE的嵌入式測控技術課程群研究與實踐[J].實驗技術與管理，2016， 33(2):4-6.

[6] 張玨.“以學生為中心”的教法在單片機教學中的實施與探討[J].軟件技術(教育導刊)，2016， 15(6):19-20.

[7] 韓宇光.ISP系統創新實驗平臺研制[J].實驗技術與管理，2014，31(10):120-122.

[8] 羅回彬.軟硬結合的單片機一體化項目教學[J].計算機教育，2016(12):99-102

[9] 丁晨陽，方小坤.基于SPOC的單片機技術翻轉課堂教學設計[J].中國教育技術裝備，2016(9):41-43.

[10] 許超，吳新杰.課賽結合的“創客空間”建設[J].實驗室科學，2017，20(4):220-222.

[11] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].2版.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

[12] 金國華，滕君華，馬寶.單片機課程設計中應用能力的分層培養[J].中國現代教育裝備，2015(11):81-83.

[13] 王玉香，章曉忠. 翻轉課堂在高職實驗實訓教學中的應用研究[J].樂山師范學院學報，2015，30(4):111-114.