新工科專業建設中的單片機課程教學改革與實踐探索

陶彬彬 胡徐勝

摘要：單片機課程作為電類專業的本科專業基礎課程，它為以互聯網和工業智能為核心的新工科專業建設提供了必不可少的理論基礎和實踐平臺。通過分析傳統的單片機教學中存在的問題，提出了一種“理論教學+隨堂實驗+課后實踐”的教學模式。該模式是以人才培養為中心，以理論與實踐的穿插式教學為手段，以綜合能力培養為目標。實現了理論與實踐、課內與課外的融合，促進了學生對課程和專業的理解，提升了學習興趣，培養了工程實踐能力和創新能力。最后，通過實踐證明，新的教學模式取得了良好的教學效果，為新工科專業建設和人才培養提供了參考。

關鍵詞：新工科;單片機課程;穿插式教學

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0243-03

1 背景

新工科專業是指針對新興產業的專業，如云計算、人工智能、智能制造、機器人等，也包括傳統工科專業的升級改造。與“老工科”相比，“新工科”更強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設計等新技術與傳統工業技術的緊密結合。教育部正積極推進“新工科”建設，“新工科”是工程教育改革的新方向[1-2]，“復旦共識”[3]“天大行動”[4]“北京指南”[5]的發布 ，指明了我國新工科發展的方向，開拓了工程教育改革新路徑。

單片機課程作為高等院校電類專業的本科專業的傳統性基礎課程，具有較強的實踐性和工程性。為適應新工科專業建設，教師在教學過程中應時刻注意理論與實踐相結合，提高教學趣味性，培養學習興趣。該課程的學習有益于提高學生實踐能力和綜合創新能力，在應用型人才培養方面起到積極作用，并且能夠為新工科專業建設提供實施平臺和軟件基礎，有著承上啟下，不可或缺的作用。

2 單片機教學中存在的問題和困難

單片機是一門理論性、實踐性和工程性都很強的一門專業基礎課，以知識點眾多、課程難度系數大、操作性強等特點著稱，給學生學習帶來困難。首先，理論性方面，單片機課程涉及專業課范圍較廣，需要學生具有一定的知識面和理論基礎。其次，實踐性方面，單片機課程需要學生掌握軟、硬件的使用方法，需要學生具有較強的動手能力。最后，工程性方面，學生沒有任何工程實踐經驗，需要培養學生工程實踐的思維方式。全國各大院校的電類專業雖然基本都開設了此課程， 但是單片機課程普遍存在教學效果不佳、學生學不懂、用不了等情況[6]，嚴重阻礙新工科專業建設的效果。造成這一切的原因可以歸納為以下幾點。

2.1 教學內容缺乏銜接[7]

單片機課程是一門綜合性較強的課程。在教學的過程中需要使用到諸如“C語言程序設計”“數字電路基礎”“模擬電路基礎”等前置基礎課程的相關知識，對前置課程起到鞏固與加深理解的作用。也能夠為后續的 “計算機控制”“運動控制”“計算機控制”等專業核心課程課提供具體的實施載體。因此，單片機在新工科專業的學生培養過程中起到承上啟下的關鍵作用。但是即便有前置理論課為基礎，在單片機的教學過程中需要使用到極為廣泛的知識點，其中普遍存在理論基礎與實際應用存在較大差距的情況。單片機老師需要在教學過程中針對這些差距進行額外講解，完成課程知識點之間的過渡，否則就會造成學生對課程理解不深，學習效果差等情況，進而影響教學效果。

2.2 理論教學方式單一

大多數院校對于這門理論性和應用性都很強的課程通常僅安排32學時理論教學時間。由于教學內容較多，知識點廣泛，任課教師多采用“課堂PPT”的教學模式。該模式下，教師以PPT形式為學生講授知識點，而這種教學方式過于抽象，不利于學生理解和掌握。學生通常都是靠死記硬背的方式完成知識點的學習，這很容易讓學生產生內容枯燥、空洞、課堂乏味的情緒，從而對課程失去興趣，課堂學習效果大打折扣。為了改變此種狀況，部分任課老師會搭配Proteus仿真或者現場演示等方式。此類教學方法可以在一定程度上提高學生興趣，加深對課程的理解，但是由于僅僅是老師演示，學生在課堂上無法進一步深入接觸，最終的教學效果依然不夠理想[8]。

2.3 實踐教學方式方法固定

大部分高校為了提高學生對單片機課程的理解，通常都會在理論課結束后開設實驗或課程設計。但是，由于學生在前期理論教學過程中對知識點掌握就存在不足，再經過較長時間的遺忘，實際已經錯過實踐課的最佳時機，在這種對理論與實踐存在脫節的情況下安排實踐課的效果較差[9]。并且，實驗課通常在已有的單片機實驗箱上完成，學生只有在上實踐課時才能接觸和操作，學習和操作時間嚴重不足。為了盡快完成課程，學生普遍存在只會按照實驗手冊按部就班地下載程序，看實驗現象的情況[10]。而課程設計，通常也是任課老師下達任務書方式，學生按照任務書去完成既定設計。由于課程沒學懂，學生制作的課程設計版本單一，存在大量雷同現象。因此實踐課效果并不理想，不利于對學生創新及綜合應用能力的培養。

2.4 考查方式單一

單片機原理及應用課程通常采用考試的方式來評價學生的學習效果。但該本課程教學的目的并不是讓學生死記硬背概念，而是要讓學生通過學習單片機課程應掌握單片機的設計方法。具體來說，包括以下幾方面：

1）硬件電路設計方面要求學生對數字電路、模擬電路、電力電子技術等電路知識有基本認知能力，能夠熟悉常規電子元器件并掌握使用方法，能夠熟練閱讀電路原理圖和PCB電路板圖和元器件說明書。

2）編譯環境方面能夠熟悉編譯環境的安裝、配置和相關驅動程序的安裝。能夠熟練使用編譯軟件建立工程，完成程序編譯、下載和調試仿真。

3）軟件方面需要學生具有嚴謹的編程邏輯，熟練掌握C語言語法，能讀懂范例程序，并根據需要進行程序的移植和修改，更進一步地需要學生獨立完成程序整體設計和代碼的編寫與調試。

4）軟硬件聯調方面需要掌握電烙鐵、萬用表、示波器等常規工具的使用方法，具有基本的調試思路與技巧。

因此，單純通過考試成績評價學生本門課的學習效果是極其不合理的，無法實現對學生的學習效果的全面評價，也不利于綜合能力培養。

3 單片機教學改革措施

3.1 教學改革思路

教學改革的目的是實現教學創新，其內容主要包括課程體系、教學模式、教學方法和評價方式等方面的改革，其實質應是教學理念的改革。在教學改革過程中應充分以學生為中心，把握學生知識結構的特點，根據學生的認知規律適時調整教學方法，從眾多知識點當中尋找核心、突出重點，以培養學生綜合能力為目標，為新工科專業建設和人才培養而努力。

3.2 課程體系改革

單片機課程的較為經典的課程體系是按照單片機的基本組成原理進行講解，包括處理器、運算器、存儲器、基本外設等。該方式思路嚴謹，章節關系清晰，但是理論性過強，學生不易接受和理解。本文提出以工程案例為主線，以實現功能應用為目標，以軟硬件協同實驗為基本手段。在教材選用上應注意選取偏向應用的教材，并將單片機芯片的說明書和實驗板的電路原理圖作為課程輔助材料。在教學過程中，首先對工程目標按照基本功能進行分析和拆解，將分解出工程任務與基本功能單元（圖1）相對應;然后從基本功能單元入手，講述該單元所對應的電路原理和控制方法;再針對該基本功能單元完成驗證性實驗，進一步加強對知識點的理解，并在實驗過程中學習軟件編程和硬件調試的基本方法;最后以“搭積木”的方式將新功能添加到系統當中完成功能組合，通過不斷豐富系統功能以實現工程目標。教學過程中引入工程設計的基本思想，圍繞設計目標講理論，通過加大實踐性教學比例促進學生對單片機的工作原理的理解，進而熟悉和掌握工程設計的基本過程和方法。

3.3 教學模式改革

傳統的先講理論后做實踐的教學模式很容易導致理論知識和實踐活動之間存在一定程度上的割裂。這就導致理論教學過于抽象，而實踐教學理論支撐不足的問題。因此，本文削弱理論教學和實踐教學之間的界限，在講解每一個基礎理論之后立刻安排隨堂實驗，可以有機地將理論與實踐相結合，既可以理論來指導實驗，也可以通過實驗來驗證基本理論，甚至可以通過實驗中存在的問題來引起學生思考，進而引出新的知識點。這種理論和實驗穿插進行的教學模式通過實驗將知識點串接起來，使得教學過程完整有效。這種通過理論指導實踐，實踐驗證理論、補充理論的方式，加深了學生對理論知識的理解，促進了理論與實踐相結合，鍛煉了學生“發現問題，排查問題，解決問題”的工程實踐能力。這種將理論教學與實踐教學穿插進行的方式打破了傳統的理論教學枯燥無味、實踐教學效果差的尷尬局面，有助于教師掌控課堂節奏，吸引學生的注意力，通過理論和實踐相互印證，起到良好的教學效果。除了隨堂實驗之外，教師也可以根據課程內容設置趣味性的課后實踐任務交由學生獨立完成，學生通過在網絡上自主進行資料收集工作并對收集的資料篩選和總結，最終用于指導實踐任務的完成。該方法有效地提高了學生獨立思考和資料收集的能力。這種“理論教學+隨堂實驗+課后實踐”的教學模式是以理論為基礎，實踐為補充，課內與課外相融合，在學生掌握基礎理論的基礎上，進一步提升學生對課程的理解。

3.4 教學方法改革

教學方法的調整對教學效果具有深刻的影響。本文采用了理論講解與隨堂實驗相結合，二者穿插進行方式進行教學。在理論教學中強調基本概念、基本實施方法和基本設計思路。在實驗教學中使用理論支撐實驗，通過實驗反過來驗證理論，支持理論。這一階段實現了理論到實際的轉變，強化了學生對知識點的理解，提升了軟硬件調試能力。在學生的基礎理論夯實，并具有一定動手能力之后，實驗教學就可以由課堂驗證性實驗上升到簡單功能設計，由獨立功能電路拓展到系統綜合應用，由模仿編程轉變到自主設計。在不斷解決并完善實踐系統的過程中，讓學生體驗到學習的價值與魅力，進一步地提高學生學習的積極性和熱情。最后通過參加學科競賽和創新實踐項目進一步提升能力和開闊視野。這種步步深化、層層提升的方式，最終達到激發學生學習興趣、夯實理論基礎、提高實踐能力、培養自主學習能力、誘導創新能力的目的。

3.5 評價方式改革

通過本課程的學習，學生應能夠掌握單片機的基本理論，能夠歸納總結知識點間的相互關系，培養出良好的學習方法和學習習慣。因此，考試并不是學習本課程的最終目的，而是學習掌握知識的手段，是為了培養學生獨立思考、歸納總結的能力，最終掌握學習方法。本課程采用“課堂成績+課后實踐+開卷考試+學科競賽”的方式（表1）取代傳統的以考試作為主的評價方式，實現對學生學習效果的綜合性評定。該評價方式貫穿了整個課程學習階段，包括了課內和課外的學習效果，兼顧了理論知識和實踐能力的評估，更注重學生工程實踐能力和創新水平的培養，達到了綜合評價的目的。

4 結束語

單片機課程是一門綜合性應用型課程，在教學過程必須充分將理論教學與實踐教學相結合，通過案例與實驗來激發學生的學習興趣，通過課后實踐和學科競賽使得課程學習時間得以延伸。通過對本課程的教學改革，使學生對單片機系統組成、工作方式和編程方法得以充分理解，有效地提高學生的自主創新能力和工程設計能力。如圖2，自從2019年實施本課程的教學改革以來，我院學生申請各類大學生創新創業實踐項目數量有明顯提升，參加電子設計類學科競賽的積極性也得到了普遍提高，成績也呈逐年上升態勢。由此可見，教學改革所取得的成效對創新型和應用型人才培養具有重要意義，對新工科學科建設具有良好的促進作用。

參考文獻：

[1] 張鳳寶.新工科建設的路徑與方法芻論——天津大學的探索與實踐[J].中國大學教學，2017（7）：8-12.

[2] 趙繼，謝寅波.新工科建設與工程教育創新[J].高等工程教育研究，2017（5）：13-17，41.

[3] 教育部高教司.“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[4] 教育部高教司.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[5] 教育部高教司.新工科建設指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[6] 唐波，龔雪嬌，朱瑞金，等.新工科建設下的單片機原理及應用課程建設與改革研究[J].黑龍江科學，2019，10（7）：20-22.

[7] 龍順宇，楊偉，吳路光，等.新工科+PBL模式下的單片機課程項目式教學實踐[J].物聯網技術，2018，8（11）：112-113，115.

[8] 朱學華.基于Proteus的單片機課程教學模式探索[J].電子測試，2018（2）：75-76，68.

[9] 富雅瓊，吳霞，陳錫愛，等.單片機口袋實驗室的開發與實踐應用[J].現代電子技術，2018，41（12）：40-43.

[10] 葉成彬，郭志雄，孔令棚.增強型單片機教學與人才培養方式改革探討[J].自動化技術與應用，2016，35（10）：149-152.

【通聯編輯：謝媛媛】