基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的單片機(jī)課程改革探討

郭宏 胡威

摘要：本文結(jié)合高等學(xué)校電類專業(yè)“單片機(jī)技術(shù)”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐，提出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的新型單片機(jī)課程教學(xué)系統(tǒng)，有效地把課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新大賽有機(jī)結(jié)合，突出教學(xué)環(huán)節(jié)的反饋功能，實(shí)現(xiàn)授課、實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽的一體化教學(xué)模式。這不僅可以提高單片機(jī)課程的教學(xué)質(zhì)量，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù)課程；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）06-0119-03

一、開展單片機(jī)課程教學(xué)改革的必要性

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是學(xué)生綜合素質(zhì)的重要體現(xiàn)，也是新時(shí)期衡量人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。高等學(xué)校積極開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)和創(chuàng)業(yè)能力的新一代復(fù)合型創(chuàng)業(yè)人才，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)業(yè)和積極建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，是時(shí)代的需要，也是人才培養(yǎng)的需要。

在教學(xué)活動(dòng)中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，課程是重要的載體[2]。目前，單片機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)日益融入人類社會(huì)。單片機(jī)具有成本低、體積小、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能電表、工業(yè)機(jī)器人、信號(hào)處理和家用電器等領(lǐng)域。單片機(jī)的應(yīng)用和實(shí)踐，是促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的良好平臺(tái)[3]。基于此，本文提出旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的單片機(jī)課程教學(xué)模式改革，探索將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)內(nèi)容融入單片機(jī)課程教學(xué)，將課程教學(xué)活動(dòng)與提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力結(jié)合起來。

二、單片機(jī)課程教學(xué)的特點(diǎn)

單片機(jī)課程是高等學(xué)校電類專業(yè)的必修課程，其教學(xué)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和實(shí)用性[4]。而從應(yīng)用的角度來看，要使學(xué)生學(xué)完該課程后能進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，僅僅學(xué)習(xí)單片機(jī)這一門課是不夠的。由于單片機(jī)只是電子系統(tǒng)的控制器，而單片機(jī)外設(shè)芯片擴(kuò)展、電路板設(shè)計(jì)、傳感器、信號(hào)采集調(diào)節(jié)、控制對(duì)象和控制策略等，都是單片機(jī)應(yīng)用的必備知識(shí)。針對(duì)上述特點(diǎn)，可將單片機(jī)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)模塊：前導(dǎo)模塊、核心模塊和擴(kuò)展模塊，這三個(gè)模塊是漸進(jìn)式的，如圖1所示。前導(dǎo)模塊是電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，核心模塊是單片機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)，擴(kuò)展模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其中，核心模塊中，單片機(jī)原理是最重要的課程，是簡(jiǎn)單電子電路設(shè)計(jì)邁向復(fù)雜電子系統(tǒng)和完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)的途徑。三個(gè)模塊的融會(huì)貫通。是畢業(yè)設(shè)計(jì)順利進(jìn)行、學(xué)科競(jìng)賽取得成績(jī)的保證，是后續(xù)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)。

單片機(jī)課程體系強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)性，不能與整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)分離。教師在教學(xué)過程中應(yīng)從系統(tǒng)角度講授知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐技能，使學(xué)生掌握知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，明白單片機(jī)的用途和使用方法，而不是單純地應(yīng)付考試和被動(dòng)地接受它。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在課程教學(xué)中，必須把握其作為實(shí)踐類課程的一些特點(diǎn)。

1.綜合性強(qiáng)。其主要課程包括“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言”和“電路仿真技術(shù)”。如果前期課程的基礎(chǔ)沒有打好，就會(huì)對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)造成障礙。因此，講授單片機(jī)課程的教師，應(yīng)該在講課過程中加強(qiáng)對(duì)以前課程的回顧和聯(lián)系。

2.應(yīng)用范圍廣。單片機(jī)技術(shù)的綜合和靈活運(yùn)用，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和實(shí)現(xiàn)，具有深遠(yuǎn)的意義。目前，單片機(jī)控制技術(shù)已越來越融入人類生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。一個(gè)好的智能產(chǎn)品的誕生或新的生活理念的實(shí)現(xiàn)，都離不開單片機(jī)控制技術(shù)。

3.理論可接受性差。單片機(jī)課程涉及的硬件知識(shí)多，教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解存在一定的困難，使學(xué)生主觀地認(rèn)為課程與專業(yè)的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。因此，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)缺乏主動(dòng)性，在遇到問題時(shí)不想深入研究。

4.實(shí)用性強(qiáng)。由于單片機(jī)課程如果脫離實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程便失去原有的意義；脫離了應(yīng)用，單片機(jī)課程的教學(xué)將是紙上談兵，毫無意義。

5.技術(shù)更新快。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的性能不斷提高，在理論教學(xué)中，要不斷更新教材，講授新型號(hào)，才能使學(xué)生掌握單片機(jī)的最新理論和技術(shù)。

如何更好地在高等學(xué)校電類專業(yè)中開設(shè)好單片機(jī)課程，如何與單片機(jī)教學(xué)相結(jié)合，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，這是目前單片機(jī)教學(xué)中亟待解決的問題。

三、當(dāng)前單片機(jī)教學(xué)中存在的弊端

目前，單片機(jī)課程使用的教材過分強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系的完整性，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間進(jìn)行的，授課教師也不相同，導(dǎo)致教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相互脫節(jié)。實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)主要是理論知識(shí)的驗(yàn)證性測(cè)試，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上按步驟進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單，功能有限，而項(xiàng)目設(shè)計(jì)類的實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)也無法進(jìn)行[5]。

單片機(jī)課程具有較強(qiáng)的綜合實(shí)用性，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的良好平臺(tái)。傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)往往忽略了單片機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)，沒有把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入課程教學(xué)的全過程，忽視了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)[6]。

如何消除這些不利因素，營(yíng)造一個(gè)良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育生態(tài)，使單片機(jī)課程成為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的良好土壤、平臺(tái)和工具，是改革單片機(jī)課程教學(xué)模式的關(guān)鍵。

四、改革單片機(jī)教學(xué)模式，提高學(xué)生創(chuàng)新能力

單片機(jī)的教學(xué)改革，應(yīng)從單片機(jī)課程的教學(xué)系統(tǒng)入手[7]。我校以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，重建了單片機(jī)課程教學(xué)體系，如圖2所示。這一課程體系包括必修模塊和選修模塊。必修模塊包括理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、自主學(xué)習(xí)和課程設(shè)計(jì)。按照教學(xué)計(jì)劃，三年級(jí)上學(xué)期時(shí)，學(xué)生完成單片機(jī)的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和自主學(xué)習(xí)；下學(xué)期開學(xué)后兩周進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。選修模塊由學(xué)生科研、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、參與教師科研項(xiàng)目組成，由學(xué)生自主選擇。從第五學(xué)期開始，學(xué)生參加各級(jí)學(xué)生的科研項(xiàng)目，通過舉辦和參加學(xué)校、省、國(guó)家級(jí)本科生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，選擇供應(yīng)鏈管理應(yīng)用專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)成果，并有一定程度的單片機(jī)開發(fā)經(jīng)歷。同時(shí)，學(xué)生也可以參與教師的科研項(xiàng)目，提升他們的工程實(shí)踐能力。

為實(shí)現(xiàn)上述單片機(jī)課程教學(xué)系統(tǒng)，有必要加強(qiáng)單片機(jī)課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。首先，改革現(xiàn)有單片機(jī)課程的教學(xué)方法，將理論知識(shí)、實(shí)踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新能力有機(jī)地結(jié)合起來。教學(xué)改革實(shí)踐的具體思路，可以概括為：

1.課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。首先，對(duì)于專業(yè)性較強(qiáng)的單片機(jī)課程，教師必須在課堂上發(fā)揮主導(dǎo)作用，成為課堂教學(xué)的組織者和指導(dǎo)者[8]。其次，重視理論教學(xué)，對(duì)涉及的知識(shí)點(diǎn)講通講透。例如單片機(jī)的硬件組成，由于單片機(jī)的集成度很高、體積小，所以對(duì)其硬件的直觀認(rèn)識(shí)只能通過模塊、電路和連線來講解。最后，將學(xué)生的單片機(jī)創(chuàng)新項(xiàng)目和參加競(jìng)賽的成果作為課堂教學(xué)實(shí)例，通過成功實(shí)例的講解和分享，調(diào)動(dòng)學(xué)生在課堂上的積極性和參與性。

2.課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。建立開放的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件資源的校內(nèi)共享。為了進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師與授課教師須密切合作，做到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課堂教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新的良性互動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)開始之前，布置好實(shí)驗(yàn)題目以及需要查閱的相關(guān)參考資料，使學(xué)生清楚地了解他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中將學(xué)到什么，并且在實(shí)驗(yàn)課程中展示和分享往屆學(xué)生的優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)作品及其實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和互動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)的課題，應(yīng)考慮學(xué)生單片機(jī)功能的發(fā)展和特定專業(yè)科目的整合[9]。例如，電子信息專業(yè)的學(xué)生可以將“單片時(shí)鐘定時(shí)系統(tǒng)”和“多功能點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)”等課題作為課程設(shè)計(jì)課題；計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生可以將“單片機(jī)溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)”、“單片機(jī)多功能時(shí)鐘系統(tǒng)”作為課程設(shè)計(jì)課題。單片機(jī)的課程設(shè)計(jì)應(yīng)與其他專業(yè)課程相結(jié)合。例如，在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)期間，課題項(xiàng)目中的電路圖設(shè)計(jì)，已通過其他課程設(shè)計(jì)完成。通過單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，完成智能控制部分的實(shí)現(xiàn)。采用這種設(shè)置方式，既實(shí)現(xiàn)了與學(xué)生所學(xué)專業(yè)相結(jié)合，又使學(xué)生在課設(shè)過程中充分運(yùn)用所學(xué)過的知識(shí)，避免使單片機(jī)課程成為學(xué)生頭腦中課程與專業(yè)相分離的困難課程。

4.創(chuàng)新、競(jìng)賽環(huán)節(jié)。完備的理論基礎(chǔ)，良好的編程能力，課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)的實(shí)際操作和實(shí)踐培訓(xùn)，造就了學(xué)生扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力[10]。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入三年級(jí)時(shí)，他們可以利用自己積累的知識(shí)積極參與各級(jí)各類的項(xiàng)目申報(bào)和電子大賽，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力至關(guān)重要。教師應(yīng)積極鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生參與項(xiàng)目或競(jìng)賽，實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值的體現(xiàn)和自主創(chuàng)新能力的鍛煉。通過對(duì)具體產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)設(shè)計(jì)的反復(fù)修改和改進(jìn)，以及對(duì)軟件的不斷修改和調(diào)試，使學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維得到進(jìn)一步提升。

五、結(jié)論

近年來，我校通過“單片機(jī)技術(shù)”課程的教學(xué)與實(shí)踐改革，教學(xué)質(zhì)量得到很大提高，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，提高了學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生不僅在工程實(shí)踐能力方面得到鍛煉和提高，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了自身創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力的提升，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐打下良好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。新型單片機(jī)課程教學(xué)體系的課程教學(xué)模式，經(jīng)過近幾年的教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了良好的實(shí)踐效果。依托基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐改革，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對(duì)其他專業(yè)課程的教學(xué)改革也具有較大的借鑒作用。

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