“互聯網+”背景下面向創新能力培養的高職單片機教學改革研究

摘要：當前，在“互聯網+”大背景下，學生創新能力的培養是學校教育的重要目標。單片機是通信工程、電子信息、機電工程等專業的一門方向課程，其課程實踐性強，學生對該課程內容的掌握程度直接影響其專業素養的提高，對于創新能力的培養起著舉足輕重的作用。本文針對原有的單片機教學模式的問題和弊端，以創新能力培養為導向，進行行之有效的框架設計，提出更實用的單片機學習方法。

關鍵詞：單片機;創新能力;教學模式;高職;“互聯網+”

一、概述

當前，在國家深入實施創新驅動發展戰略的大背景下，推進大眾創業萬眾創新作為重要的支撐，成為有效落實供給側結構性改革的重要途徑。“互聯網+”對各行各業都有積極推動作用。在教育領域，也應順應時代發展趨勢，制訂相應的“互聯網+”改革方案。面向創新創業的課程模式需要結合“互聯網+”背景特征，根據學科特色進行教學改革。創新發展需要大量人才，學校擔當了輸送創新創業主力軍的重要任務。為適應發展，高職校的培養目標從生產一線的技能人才逐漸過渡到具有創新技術能力的應用型人才。近兩年，各級政府、教育部門舉辦的面向職業學校的各類科技創新、創業類比賽開展得如火如荼，已成為與技能競賽同等地位的重要人才選拔渠道。單片機以其體積小、低功耗、功能強的特點，廣泛應用在工業控制、智能儀表、家用電器等領域。單片機的應用和實踐，是促進學生創新能力的良好平臺[1]。單片機應用技術是機電專業的一門主干課程，是多門專業基礎課程知識的綜合和提升，課程內容為單片機硬件結構、項目設計等知識和技能，主要教學目標為培養學生進行智能化控制系統整體設計的能力。單片機廣泛應用于智能控制、家用電器、通訊導航設備等領域。以單片機為技術基礎的電子設計和嵌入式系統產品是學生們參加各類創新活動和創新比賽的基本技能。學生們可以通過掌握單片機技術來參與項目實踐、各類競賽甚至走上自主創業的發展道路。因此，在“互聯網+”的國家戰略背景下，基于創新能力培養目標進行單片機課程模式的改革實踐，可以有效地加強學生對單片機技術的掌握，促進職校學生形成創新思維、富有創新精神、具備創新實踐能力、實現輕松就業創業。

二、單片機課程特點及教學現狀

單片機課程教學的主要內容是講授單片機系統的基本結構、指令系統、中斷、定時系統以及串行接口電路等，在課程學習中不僅要學習芯片結構電路的知識基礎，還要學習匯編語言或者C語言來實現編程控制，內容覆蓋面廣，涉及硬件、軟件及應用，獨立性強，但又相互滲透，聯系緊密。高職單片機課程的特點為面向工程項目，是專門面向應用實踐的一門專業必修課。高職學校針對單片機課程的教學模式多種多樣，大多數以項目化教學為主。在教學實施過程中總結有以下幾個問題：

（一）難度大、不易學。不同于高校，高職學生的專業基礎課程少、要求低，計算機硬件和編程語言基礎較差，在講授過程中需花費大量課時補充，然而教學效果甚微。無論是采用匯編語言還是C語言教學，英語基礎差的高職學生在程序識讀上都存在很大障礙，更不談獨立進行編程實驗了。同時在教學方式上，受教學環境和條件的限制，大多數學校還是采用理論講授為主，盡管利用多媒體講解，也缺乏具體感知認識和靈活性，學生對枯燥乏味的理論知識缺乏興趣，容易喪失信心。例如在講授單片機存儲器分配知識點時，學生無法直觀地看到內部電路組成，很難理解芯片的存儲原理，存儲單元的分配結構，也就很難記住其中寄存器的功能用法了。部分學生從硬件結構開始就對課程產生了畏難心理，不愿意投入學習精力在單片機課程上，以致形成不良的學習習慣，進而惡性循環。

（二）項目陳舊，與實際相脫節。單片機作為一門實踐型的專業方向課，最能夠體現理論和實踐相結合的特點。高職單片機課程以項目化教學為主，實驗的項目基本上都是基礎項目。通過對教材指導項目的分析發現，實驗總是圍繞LED燈的輸出開展，甚至到接口編程階段，仍采用閃爍燈或者流水燈做中斷定時實驗。這對實驗設備缺乏的學校來講，確實解決了一定困難，但是大大制約了學生對創新項目的研究和探索。且實驗項目的操作過程都在教材或者實驗指導書上一步一步完整呈現，學生按照書本操作即可，這造成學生在學習過程中失去主動，缺乏創新，不能很好地掌握單片機系統的整體設計方法。高職院校的培養目標是針對工業企業的實際崗位需求培養學生的綜合職業能力，而多數教學中設計的實驗項目都是單一項目，與企業的綜合項目開發存在著較大差距，學生在畢業后并不能夠將課堂所學應用到企業系統開發上。

（三）教學資源缺乏。在傳統單片機項目化課程應用中，多方面教學資源的匱乏制約著高職的課程建設。眾所周知，單片機課程廣泛開設于本科院校和高職院校的計算機、電子信息、機電、自動化等相關專業，目前對本科學段的課程研究較為豐富，而高職校的單片機課程建設沒有針對性，無論是教材還是實踐項目都沒有明顯的針對性，面向職校生創新能力培養的教學資源更加缺乏。有些學校因學科發展受限、設備購置成本高、資金短缺等原因，學生實驗很難開展。近年來，Proteus仿真軟件在單片機教學中廣泛應用，作為輔助手段幫助教師指導學生開展仿真實驗，利用keil軟件作為編程環境，這種仿真軟件與項目實驗相結合的方法能夠降低教學成本、提高效率。然而，仿真實驗并不能真正代替實戰項目，仍然缺乏在難度和應用對象上均適合高職學生進行實踐的項目教學。

三、教學改革方案

（一）提高教師業務能力，接軌“互聯網+”

教師層面，高職校的教師創新意識較為淡薄，有的教師認為職業學校的學生智能進行技能訓練，沒有進行創新學習活動的能力，因而在教學中常常停留在知識和技能層面，忽略了“創新能力”的培養。

在“互聯網+”時代技術背景下，單片機應用系統加速更新，教師的專業能力也需要逐步成長。鼓勵教師多參加專業性強的培訓，接觸前沿技術，只有自己具備創新思想創新能力，才能指導學生研發出高水平的作品。教師自身應多參與科研課題，提升自己的研發能力，了解更多應用單片機系統創業的案例。教師應在符合教學大綱要求的基礎上，總結過往教學經驗，在課堂上摒棄過往灌輸式的教學方法，設計綜合性和開放性的實驗項目，啟發學生獨立思考以培養學生的創新能力。有教師將原有項目拓展成創客小制作，例如將搶答器設計拓展成宿舍安防系統[2]。具備一定專業能力的教師可以根據需求研發項目套件，自主設計單片機系統板，再指導學生們通過選取元件、焊接裝配、編程調試等一系列操作有效了解單片機系統開發的全過程。項目拓展成有條件的學校可建立導師制度，以團隊模式開展實驗教學。高職教師大部分畢業后就從事教學，很少有開發實戰項目的經驗，教師要多與企業合作，根據自己的專業能力參與到企業的實際項目中去，了解工業企業、智能應用場合所需，提升自己的開發能力。在教學中整合與教學內容相適應的實戰項目，積極引入企業項目[3]和“互聯網+”大賽項目，對知識節點進行有效鏈接，以創新能力培養為目的組織教學。

（二）改革課程模式，強化知識能力

學生層面，針對目前單片機課程中存在的問題，明確培養創新人才目標，以單片機技術為中心，充分激發學生的學習熱情，創新更新教學內容，改革教學模式。

1.引入高級語言教學

傳統的單片機教學以匯編語言為主，匯編語言面向機器，采用匯編語言教學可以很好地幫助學生掌握單片機的硬件機構、寄存器功能、接口電路等知識。然而由于技術的革新發展，在工程應用中，由于高級語言面向對象，通用性強，是結構化語言，程序層次清晰，便于編寫、調試及修改。以C為主的高級語言已逐步取代匯編，成為項目開發的主流語言[4]。針對創新能力培養需要，在單片機教學中應采用C語言為主，匯編為輔的混合編程教學，在講授硬件控制時采用匯編語言，而在項目拓展應用中采用C語言教學。近兩年，Python語言發展火熱，與C語言寫法相似，相比而言更加簡潔易懂，移植性強。隨著Python語言越來越多地應用到單片機系統開發上，在單片機教學中使用Python已成為現實。浙江工業大學就將Python 引入到單片機實驗課程中，學生可以無需進行仿真調試、燒寫等過程，實現在線調試，提升興趣，在具備單片機開發的基本知識之后，能夠更容易地深入嵌入式系統方面的學習當中[5]。

2.設計創新項目，更新教學內容

目前，項目教學法已深入應用于高職院校的各門課程中，在項目教學中，學生處于主體地位。基于“互聯網+”發展要求，針對傳統單片機教學項目陳舊、乏味的缺點，教師可將創新項目或實際生產生活中一些新穎的產品引入教學，所選取的項目也可以是企業正在研發的產品。激發學生的創新精神。將學生分層分組，基礎一般的學生可以通過交通燈、密碼鎖、電子鐘等傳統實驗提高設計能力，基礎好的學生通過結合新型傳感器設計遙控小車、避障機器人等項目提高研發能力。合理設計實踐項目，是學生學好單片機重要的保障，可以培養學生對實際應用項目的分析能力和設計能力，教師按照典型性和創新性的相結合的原則，合理安排教學內容，使學生在增長知識獲取技能的同時，收獲完成項目的成就感。

單片機具有“軟硬結合”的特點，由于職校生語言基礎差，在進行實踐教學時應弱化編程、突出硬件應用。采用模塊化教學可以滿足要求。根據單片機系統的模塊組成，將教學內容分為最小系統、LED顯示、電機驅動、按鍵、數碼管顯示、串口通信等模塊，并采用模塊、任務的結構，將創新產品分解成幾個模塊的組成，鍛煉學生分析任務解決問題的能力。例如，便攜式榨汁機可以根據設計需要分解成電機驅動、獨立按鍵、顯示等幾個模塊。這種方法可以將編程難度大大降低，學生在后續參與創新設計時的思路更清晰。

3.改革實踐模式，提升關鍵技術

以提高學生創新能力，接軌“互聯網+”大賽為目的，搭建實踐教學平臺，改革實踐模式根據“做學教”一體化教學要求，將學生課堂提升為一體化教室，既可以學習理論知識，又可以進行實踐操作。

目前單片機作為智能產品的主要控制芯片，型號類型多種多樣。應用于傳統教學的51單片機，結構經典，模塊簡潔，有助于學生掌握基本的單片機結構和使用方法。然而隨著芯片產業飛速發展，AVR、ARM等越來越多地被實踐教學所采納[6]。其中基于AVR內核的Arduino功能強大，程序可讀性強，編程時不用針對繁雜的寄存器配置，就能直觀地控制Arduino，提高了開發效率，因此被廣泛應用于創新產品的開發。為了讓有基礎的學生能發揮能力，無基礎的學生也能掌握基本技能，可以采用51單片機進行基礎實驗，Arduino進行創新實踐，二者有機結合。單片機是組成機器人大腦的重要組成部分[7]。單片機接口電路組成了機器人系統的輸出部分。單片機教學中，以機器人為載體可以有針對性地介紹單片機的接口電路，使學生了解更多單片機的應用環境，通過制作機器人可以調動學生的學習積極性，提高學生的工程實踐能力，自然而然地將機器人設計反向嵌入了單片機編程教學中。

（三）優化資源配置、以賽促教

大多數高職校的科技創新活動不能夠像高校一樣組織有序，得不到制度的保障。即使有創新的想法，也很難進行落地。另外對教師科研創新提供的激勵政策不夠，影響了教師從事創新工作的熱情，從而制約了學生科技創新能力的提高。各校可根據自身條件，對單片機教學提供切實有力的保障。通過資源配置，購買或自制單片機開發板用于教學。設立雙創社團、建設創新實驗室，提供資金保障，并配有指導教師，將課堂教學延伸到課外實踐中，使學生能夠完整地參與到一個創新項目中，包括項目提出、調研、項目設計、落地實現等。實驗室定期開展講座、討論活動，介紹前沿技術，并對學生的創新想法進行點評。參加創新項目開發，可快速提升學生應用單片機系統設計方法開發實際產品的能力，培養項目工程師的素質，促進學生畢業后就業創業。

目前創新類競賽較多，如“互聯網+”雙創大賽、“挑戰杯”、青少年機器人競賽等，這類比賽多應用單片機系統進行設計實現。教師可將學科競賽和教學內容相融合，選取獲獎項目，分解成若干簡單項目引入課堂教學。在單片機課堂中，選拔一些學習興趣濃厚，學習能力強的學生，參加機器人競賽和創新競賽。對獲獎學生進行學分獎勵，可以激勵學生投入單片機學習中，以賽導學、以賽促學[8]。筆者所在學校正大力推行創新創業教育，創新團隊參加教育部、科協組織的各項大賽，已獲省市級獎項多個。教師團隊以“互聯網+”大賽為階梯，積極申報教學成果獎，學生團隊中已畢業的學生有在芯片研發企業、機器人教育等行業就業的，這充分證明組賽參賽的實際成效。組織學生參加創新創業類競賽，一方面可以促進學生對單片機課程的學習積極性，另一方面，使教師在結合學生創新水平的基礎上，進行教學內容和方法的針對性選擇，進而促進課程改革。

四、結束語

綜上所述，當前單片機技術日新月異，單片機的課程學習必須采用創新的思維方式，運用前沿技術。高職院校的教育目標是培養生產、建設、管理和服務一線的高技能應用型人才。以創新能力培養為目標研究單片機課程模式并進行實踐與探索，不僅是新時期高職院校人才培養的重要任務，也是職業學校可持續發展的客觀要求。本文從目前的單片機教學中存在的問題進行剖析，為更好地實現科創人才培養目標，提出相應的教學模式改革思路，同時提出實用有效的單片機學習方法。使學生通過單片機的系統化學習，自主產品的開發設計，培養學生的創新實踐能力。

作者單位：包虹璐? ?江蘇省聯合職業技術學院南通分院

參? 考? 文? 獻

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[2]葉 泉.單片機課程的創客式教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2018，283：80-81.

[3]杜衍喆，魏慶云，郭躍虎.基于能力培養的單片機實驗教學模式研究[J].集成電路應用， 2019， 36（02）：52-53.

[4]陶重犇，李春光.單片機教學模式創新與人才培養方式改革[J].湖南科技學院學報，2015，36（11）：45-47.

[5]徐志江，饒 晨，徐 紅，彭 宏.MicroPython用于單片機實驗教學新模式的設計與研究[J].計算機教育，2019（3）：164-168.

[6]王愛華.基于Proteus的AVR 單片機教學改革探討[J].中外企業家，2019（28）：164.

[7]李 琳.以小型機器人為載體的創新性嵌入式課程教學研究[J].科技創業月刊，2017（17）：42-43.

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