以項目為中心的單片機實驗教學目標及方法探討

劉波

[摘 要] 針對傳統單片機實驗以知識結構為主線開展教學中所存在以教師為中心的問題，對圍繞工程項目組織單片機實驗教學的方法進行了實踐。實踐中發現項目驅動式教學中存在的最大問題是學生找不到切入點。為此，提出單片機實驗教學的目標為培養學生以下三個方面的能力：一是將復雜問題抽象為簡化模型的能力;二是綜合軟硬件進行系統集成的能力;三是總結實驗和文字表達的能力。以上教學目標可通過選定合適的實驗內容、合理的時間安排、實驗預習、實驗過程控制、實驗報告成績評定等環節來實現。

[關鍵詞] 單片機實驗;實驗教學;單片機教學;實踐能力;案例教學法

[基金項目] 2021—2024年國家自然科學基金項目“波浪與柔性壓電膜系統的非線性耦合作用研究”（12072306）

[作者簡介] 劉 波（1973—），女，云南通海人，學士，廈門理工學院機械與汽車工程學院實驗師，主要從事單片機與圖像處理研究。

[中圖分類號] G647? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）22-0141-04? ? ? ?[收稿日期] 2021-01-21

一、引言

隨著計算機的飛速發展，單片機技術已廣泛應用于現代工業、農業、儀器儀表、汽車電子系統、家用電器、玩具及個人信息終端等諸多領域。培養機電類本科生應用單片機技術解決工程實際問題的能力是現代科學技術發展的需要。因此，“單片微機原理及應用”在機電類本科教學中是一門基礎課程。

傳統單片機教學一般是以單片機的知識結構為主線，把單片機知識系統分成硬件結構、指令系統、軟件編程、單片機系統的擴展和各種外圍器件的應用，最后再講一些實例。此種教學結構，學生普遍感到難學。而單片機實驗課則采用傳統物理、化學實驗課的方法，即以教師為中心，學生在規定的時間內，用統一的模式，按照指導書上規定的步驟做相同的實驗。實驗課目的也主要是為了驗證理論。有的教師認為要做單片機實驗，必須要先學習完書本上安排的章節，而有的學校也常常將實驗教學安排在學生學習完全部理論知識后。但是，單片機不同于物理、化學等基礎理論課程，而是一門應用性很強的課程。根據單片機課程的特點，筆者認為單片機實驗主要目標是培養學生的工程能力，應突破課本章節的限制，以項目為中心組織教學，并貫穿在理論教學的全部環節之中。

針對單片機傳統教學存在的問題，已有不少教師提出改革單片機傳統教學的建議[1-5]。這些教師根據各自不同的教學經驗，提出了不少有益的思想觀點。在這些思想基礎上，結合筆者多年單片機本科實驗教學實踐，在分析以項目為中心組織單片機實驗教學中存在問題的基礎上，提出教學目標，并對實現教學目標的教學環節進行了探討，以供同行參考。

二、單片機實驗教學目標

單片機實驗教學應培養學生的能力而不是灌輸知識已成為大多數教師的共識[5-7]。通過單片機實驗教學課能培養什么樣的能力呢？人的能力有多種，如觀察能力、抽象能力、分析能力、總結能力、逆向思維能力、解決問題的方案制定能力、簡潔的文書編寫能力等。顯然，僅靠單片機實驗一門課不可能培養學生所有的能力。筆者認為單片機實驗教學目標應結合各高校單片機實驗條件、師資狀況、學生素質等因素最大限度地培養或提高學生各方面的能力。

廈門理工學院定位于應用技術大學，強調學生的工程能力和動手能力。學校具有良好的實驗條件。目前，已擁有單片機仿真實驗系統，該仿真實驗系統由板上仿真器、實驗儀、仿真軟件、開關電源構成。本實驗系統主機上有豐富的實驗電路模塊和靈活的組成方法，既可以和MCS51、MCS96CPU也可以和8088/8086CPU組合完成各種實驗。同時，學院豐碩的應用科研成果也為開展項目驅動式教學奠定了基礎。

為將應用型科研成果轉化為教學資源，讓學生能在現有教學實驗設備上實現。將較復雜的工程問題進行簡化，這是開展項目驅動式教學的關鍵。基本思想是“麻雀雖小、五臟俱全”。由于學時限制，教學項目工作量不宜過大，要讓學生有完成的可能性，同時達到工程訓練的目的。這一過程的訓練，可培養將復雜問題抽象為簡化模型的能力。

應用單片機實現的工程項目，一般都涉及編寫匯編語言或C++語言程序（軟件）及電路設計（硬件）。因此，綜合軟硬件進行系統集成的能力是單片機實驗教學的另一目標。

本科生在基礎課學習階段，撰寫項目報告的訓練較少。作為工科專業學生，今后工作中可能遇到項目申請、策劃書、進展報告、結題報告等大量文檔撰寫工作。因此，培養學生進行總結和文字表達能力十分必要。完成單片機模擬項目后，讓學生撰寫總結報告可實現這目標。

綜上所述，以項目為中心的單片機實驗教學主要培養或提高學生以下幾個方面能力：一是將復雜問題抽象為簡化模型的能力;二是綜合軟硬件進行系統集成的能力;三是總結和文字表達的能力。

三、教學環節

針對目前單片機實驗教學的特點，在實驗內容和時間安排、實驗預習、實驗過程、實驗報告成績的評定環節采取了嚴格的控制方法和靈活的教學組織方法。

（一）實驗內容和時間安排

在安排實驗前，實驗教師將和任課教師、學習委員溝通，了解該班學生理論知識掌握的情況和大部分學生的特點，針對該班特點在實驗內容及時間安排上進行調整。在實驗內容的選擇上強調硬件實驗的重要性及實驗內容的連貫性和綜合性。在此基礎上，結合工程項目設計模擬實驗項目，估算完成模擬實驗項目所需的時間。在時間安排上，分為課內學時和課外學時。課內學時是固定的，而課外學時則具有靈活性和多樣性。

1.硬件實驗內容的選擇。在設計模擬實驗項目時，首先確定實驗設備。在實驗設備確定后，進行模擬項目設計。以LAB6000微控制儀[8]? （P14）為例，可開出的軟件實驗和硬件實驗都比較多。軟件實驗一般是驗證性的，例如數據排序等實驗。在做此類實驗時，學生一般不會關注硬件，得到的鍛煉較少，解決不了實際問題。學生一般對硬件電路不熟悉，以前接觸的程序實驗往往更多地關注編程的技巧，沒有軟硬件結合的概念。針對這種現象，可設計一個模擬項目（例如，交通燈控制模型、電子琴模型、電子鐘模型、電子日歷等）。學生通過完成模擬項目，可將軟件（自己編寫的程序）與硬件（實驗設備）結合起來完成一種或幾種功能。這樣，學生更有興趣去完成相應的實驗。