高校單片機系列實驗課程創新改革

黃 玥 劉 通 秦貴和 黃 威

（1.吉林大學公共計算機教學與研究中心，吉林 長春 130012；2.吉林大學計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012；3.長春一汽通信科技有限公司，吉林 長春 130011）

1 研究背景

我國單片機發展從1986年算起至今已近35年。最初國內的一些大學和研究所開展了8080/85、680 等8 位微處理器的研究和應用。 到20 世紀80年代末，單片機課程被搬上了大學的講堂。 從復雜的匯編程序控制單片機到用C 語言、Python 語言等高級語言實現多任務平臺上的開發， 從單板機系統的實驗臺到口袋實驗室的實驗設備， 單片機課程的理論與實驗在不斷的發展進步。隨著學生創新能力的提高，各種計算機創新大賽的舉辦， 學生對單片機知識的需求愈發旺盛。 因此， 不少大學為非計算機專業學生開設了單片機系列創新實驗課程。 但非計算機專業的學生與計算機專業學生的需求有所不同，他們更注重知識的實用性，需要用單片機知識來解決實際問題。 這就需要單片機系列創新實驗課程更具實踐性、交叉性，課程要項目化、實用化。 這不僅是對課程本身的考驗， 更是對教師的考驗。教師不僅要有扎實的理論知識，更要有豐富的工程實踐能力；不僅要熟悉各種單片機系統，更要時刻掌握層出不窮的新體系、新設備，才能夠對學生的創新思路及遇到的問題加以指導，給予幫助。

2 課程改革的探索

單片機課程的改革從大綱結構、實驗環境、教師能力三個方面進行。

2.1 大綱結構

傳統的單片機課程一般從一個經典的MCU，如51 進行介紹。 一般會介紹單片機的內部結構、指令系統、經典接口（并口、串口及計數器等）、中斷調用、數模模數轉換等知識。 即便是專業學生學習，在傳統教學中也會存在學生指令系統跟不上、實驗內容和理論課程不貼切等問題。 而對于學時緊張的單片機系列實驗課程，非計算機專業學生更是無法掌握這些繁多的理論知識。

非計算機專業學生在學習單片機相關課程后，普遍反映課程難懂、枯燥、沒有多少用、學習課程后對自己基本沒有多少幫助等負面問題。 因此，單片機系列創新實驗課程相比專業的單片機大綱結構，剔除掉與實踐沒有直接關系的理論知識，把與實踐相關的理論知識穿插在實驗與實踐環節。 調整后的優勢如下：

一是理論與實踐緊密融合， 節約了授課時間；二是學生不再死記硬背理論知識， 直接通過實踐過程，將理論轉化為技能； 三是學生邊學邊做邊解決問題，提高了學習的積極性；四是降低了學生解決問題的門檻，讓學生可以學以致用。

2.2 實驗環境

傳統的實驗模式是學生需要在規定時間、指定儀器或實驗箱上進行限定性實驗， 以驗證所學理論知識。 這種學習方式具有一定時滯性。 當學生產生了某種創新想法而又無法及時進入實驗室時，該創新想法可能就會擱置。 等到下一次進入到實驗室時，又會因其他的操作任務而無暇實現之前的想法，或者之前的想法早已遺忘。

傳統的單片機實驗大多借助電路實驗箱在實驗室進行，以演示性、驗證性實驗居多，缺乏系統性、啟發性、設計性，使學生對自動控制原理的理解不深入，系統分析與應用能力不高。 單片機系列創新實驗課程的實驗要突出實用性、靈活性、開放性。 學生在完成學時內的實驗后，可以對實驗內容舉一反三；在教師的允許下可以進行新的嘗試。 如學生在進行PWM 控制舵機的旋轉角度實驗時， 還可以嘗試用PWM 控制直流電機轉速。 在寬松的實驗環境下，學生的主動性與積極性得到了提高，對培養學生的創造性有很好的效果。 另外，實驗箱的價格相對較高、體積較大，攜帶也極不方便。

許多院校的單片機相關實驗已經進行了專業化、學科化的改革。 這些改革主要對陳舊的實驗內容和實驗設備進行了新的設計。 一方面，在實驗內容上，各個院校根據學生的相關專業進行實驗設計。 機械類專業的學生可以進行機電控制的單片機實驗；生物專業的學生可以進行濕度、 溫度和光照傳感器的相關實驗；物流專業的學生可以進行物聯網類的單片機實驗。 另一方面，配套的實驗設備也需要自行設計組織，以滿足實驗內容的專業化、學科化。

單片機系列創新實驗課程，受到教學條件限制，無法大量購置價格較貴的實驗設備。 課程的實驗設備的操作需要具有專業知識與相應能力， 而單片機系列創新實驗課程的學生在不具備相應能力的情況下進行操作， 實驗設備往往經過一次或多次實驗課之后會產生大量的問題，需要調試及維修。從而給課程的正常教學帶來了不利因素。例如，有兩門課程在教學中使用同一套設備。 這兩種課程的實驗對實驗軟件環境的配置不一樣，因此在兩個課程穿插進行時，學生會因為前次實驗的環境配置與自己實驗的環境配置不一致而無法正常進行實驗。兩個課程在同一階段進行實驗的學期中，實驗設備的故障率要遠高于正常水平。

單片機系列創新實驗課程實驗在經費有限、支持有限的環境中想要發展，一定要進行模塊化、精煉化、包容化的改革。 如今單片機系統類型不斷地豐富，價格不斷地降低，不僅實驗設計者可以像組裝計算機一樣進行簡單的組合，來滿足實驗的硬件需求，學生也能自行滿足競賽及學習需求的單片機及其配件（接口模塊、傳感器及執行機構等）。

學生能夠在創新實驗課程實驗學時中完成并掌握的實驗數量有限。 如果有針對性地將實驗設備化整為零， 將集成的實驗機箱換成零件由學生進行組裝，可以令實驗成本大幅下降。 表1 是一個學生在公共選修課程中計劃的實驗課（部分）所需的實驗材料。

表1 實驗材料（部分）

若按照上表組織實驗，實驗成本將降低到實驗機箱的10%以內。 這樣的效果不僅體現在有限的經費投入下豐富了實驗的內容。 因為實驗過程需要學生自己動手組裝， 極大地提高了學生的參與性與積極性，而學生可以將個人的單片機系統與課程提供的模塊組合調試，幫助學生解決實際問題，激發了學生的創造性，提高了課程在學生中的口碑，令課程更具有活力。

2.3 教師能力

單片機系列創新實驗課程教師應該比專業教師更具有活力，更能適應計算機的新知識、新體系和新概念。 由于單片機系列實驗設備主要以“實驗主機+仿真系統+實驗配套模塊”的形式進行設計，市面上涌現出大量的單片機開發系統及學習系統，而學生對單片機系統的選擇有趨新潮性，有一定的隨機性，因而創新實驗課程教師不僅要有充足的知識儲備，更要不斷地補充新的知識，強化指導學生的能力。 相應的，在教授單片機系列創新實驗課程的過程中，每一輪課程都要補充新類型的實驗設備，對新設備的調試、掌握并引入教學環節中的過程也在不斷地強化教師的個人能力。

單片機系列創新實驗課程的改革要滿足學生的需求，提高教師能力，激發課程活力，為高校培養創新性人才注入催化劑，為高等院校在科技創新時代不斷地深化改革進行了實質性的踐行。

3 結語

單片機系列創新實驗課程是實踐性、應用性很強的實驗課程。 在單片機發展迅猛的今天，相關的實驗教學應該更加輕量化、靈活、多樣。 在升級設備購置方案的同時，也需進一步加強教師技能，以便應對市場花樣繁多的單片機產品。 讓學生不再拘泥于實驗教學模塊，可以更快、更靈活的從事個人興趣研究，提高創新能力。