新工科背景下機電專業單片機系列課程教學探索*

齊鳳蓮 侯玲玲 鄒媛媛

沈陽建筑大學 沈陽 110168

0 引言

機械電子工程專業是一個跨學科的二級學科專業，對于該專業“新工科”建設背景要求下應用型人才的培養目標，涉及機械、計算機、自動控制等相關的基礎知識，其目的是培養從事機械電子相關產品的設計制造、控制系統開發、應用研究和生產管理等工作的高級專門人才。沈陽建筑大學單片機系列課程包括微機原理及接口技術、嵌入式控制系統、課程設計等，該系列課程在機電學生的知識、能力和素質培養體系中，占有十分重要的地位[1-3]。本文作者近年來致力于探索在機電專業中該系列課程的教學改革，從應用的角度出發，理論和實踐結合、硬件和軟件的結合以及機械與電的結合，側重學生興趣和應用能力的培養。本文主要從理論教學和實踐環節兩方面展開，就教學探索的過程和成效進行闡述。

1 理論課教學探索

1.1 學時集中

單片機系列課程的理論課，主要在講解單片機的內部結構和工作原理基礎上重點鍛煉學生理論與實踐的結合，軟件與硬件的配合，尤其鍛煉學生動手編程運用控制器的綜合能力。在編程調試過程，需要教師給予更多指導，指導學生從初期的入門調試到熟練利用調試工具進行程序調試。為此，本專業改革傳統的一周2 次課、一次課2 學時的課程安排，將該課程集中周次講授，一周2 次、每次4 學時，4 學時既可以保證學生課上的理論知識點講授，同時還可以結合知識點進行程序調試，教師當堂指導，問題及時解決；一周2 次的安排既集中又分散，既保證了學習的連貫性，又保證學生有充足的時間在課后完成作業。從近兩輪的學生反饋反映該課程安排比較合理。

1.2 基于項目目標的教學內容

單片機系列課程理論課內容需要掌握微型機的內部結構、工作原理，對單片機的內部資源定時器/計數器和中斷系統的原理和使用方法，以及常用外部接口技術的應用方法，運用微機的指令系統使用現代軟件工具能夠結合控制系統的應用場合、設計需求等，搭建以微型機為核心的簡單控制系統。這些知識點前后銜接，結合其特點，每節課結合教學內容設定一個小的項目目標[4]，單片機基礎這部分內容的項目目標設計示例如圖1 所示，由淺入深，逐層遞進。比如，從基礎的跑馬燈開始，這個小目標中，涵蓋了多個知識點，教師首先要結合電路給學生講解二極管點亮的條件，其次引入程序運行過程中時間的概念，然后再結合keil 軟件進行程序編寫，最后再利用調試工具進行延時時間的測試，改變不同延時參數，演示不同的運行效果。在一系列講解后，學生可以隨堂利用keil 軟件進行程序設計及調試，調試過程出現問題并解決問題，既是對知識點融會貫通的過程，目標達成，又會極大地調動學生學習的積極性，課后會對該項目達成度進一步完善。結合每堂課設計的各個項目目標，在課程實施過程中運用并不斷完善，項目結合度較好。

圖1 項目目標技術知識點示例

1.3 教學方法多形式融合

該系列理論課授課過程中采取多形式融合，體現在以下幾方面。

1.3.1 多媒體授課

多媒體授課依然是課堂主要知識點講解的主要手段。不論是線上還是線下，以多媒體為主要手段，與其他工具融合運用才能使課堂教學更豐富多彩。

1.3.2 短視頻課內課外、課上課下結合

短視頻分課內觀看和課外知識點拓展兩個方面，由于學時有限，有些知識點學生可以通過課下觀看短視頻進行自學。課上播放的短視頻多為相關功能運行效果的短視頻，更有助于讓學生對該知識點的理解；課下的短視頻有網上的資源，也有教師自行制作完成的。授課教師提前制作好相關知識點的講解視頻，一個個小的知識點講解，不建議時間太長，但應為一個系列，視頻內容既有課堂上的理論講解內容，也有課堂外的知識拓展。

1.3.3 課堂實時電路板操作

由于該系列課程改革，實驗學時融入理論課學時中，學生借用實驗板，上課過程直接結合實驗板資源進行相關講解，更有利于學生對知識點的消化吸收。實驗板資源比較豐富，基本能夠滿足學生理論課程知識點的實操訓練。圖2 為學生課上利用實驗板所完成的實驗效果。

圖2 實驗板實驗效果

1.3.4 Protues 系統仿真輔助

由于單片機系列涉及外擴資源較多，電路板有些功能不能滿足時，可利用Protues 進行系統仿真實現，仿真與電路板結合運用，相輔相成，更有助于學生對該系列課程的學習。

1.3.5 云班課課前課后相輔相成

該系列課程的特點是理論結合實踐，每堂課既要考查學生的理論掌握程度，又要檢驗學生的編程運用能力，因此，該系列課程利用云班課的功能，在課前對學生進行理論知識的課堂小測驗，課后完成的項目作業上傳至云班課，程序及運行視頻一目了然。

1.4 課堂安排預教結合

根據多年的教學經驗，提出該系列課程理論課六步法，按此進行課前、課中和課后安排，如圖3所示。

圖3 六步法教學安排

學生此前對教授內容的知識點很少進行預習，為此，作者結合講授知識點及參考教材，提前給學生發放適量預習題，讓學生結合思考題對基礎知識點進行預習；在課堂講授過程中，先根據預習題與學生進行互動，讓盡可能多的學生參與，再結合這些基礎知識點進行教學內容的擴展，根據教學重點設定項目目標，課堂中完成項目目標基礎功能，課后進行項目目標的完善，課前、課中、課后安排比較緊湊。根據學生反饋的情況，該方法可以比較有效地提高上課質量，大大提升學生學習興趣，同時也培養他們的自學能力和創新能力。

1.5 實戰項目跟隨考核

本課程根據教學大綱的要求，改變“期末一張卷”的做法，同時改變以理論考核為主，實踐技能考核為輔的做法，加大實戰技能考核的比例。探尋能夠鍛煉學生的書面表達能力，提高學生獨立動腦能力及實際動手能力，激發學生創新動力，提高學生針對實際工程問題的分析能力、解決工程問題的能力的考核方案[5]。本課程制定了成績評定方式。

1.5.1 平時互動考核

1）預習互動考核。

2）知識點掌握互動考核。該部分考核主要是對學生自學能力和知識融會貫通能力的考查。

1.5.2 項目目標考核

1）課堂項目目標實現考核。

2）課后項目實現效果考核。這些主要考查學生課堂的理解掌握能力，該考核促使學生能集中精力學習講授的知識點，并當堂運用，且能保證課后順利完成項目目標。

1.5.3 基于項目的結課大作業考核

課程結束以綜合項目目標為任務，學生完成該大作業的程度即是對該課程學習掌握的綜合考核，重在綜合運用的實戰訓練，不止編寫程序，要求學生調試通過，由于單片機系列課程的特點，學生更傾向于該大作業的實戰訓練，學生調試的狀態反映學生對該課程的投入，同時也對其后續的學習、就業、考研等產生一定的影響。

1.5.4 期末綜合考試

最后一次考試為期末考試，主要考核系統知識的應用，或方案的選擇與設計等，該考核內容綜合，主要考查學生對單片機的原理、結構、應用等綜合掌握能力。考試的命題范圍不受階段知識限制，可涵蓋本門課程的任何內容。

2 實踐環節探索

2.1 實驗環節融入理論學時

2.1.1 實驗環節改革前形式

實驗環節是該系列課程的重要環節，在之前由于實驗設備不夠充足的情況下，安排學生在實驗室完成相應的實驗，由實驗教師負責講解，學生4 ～5人一組，組內學生輪流完成實驗內容。

2.1.2 存在的問題

1）實驗設備數量有限，幾個人一組，大部分同學不能實時操作，不能及時跟上教師講解。

2）實驗教師和授課教師在銜接上會略有偏差。

3）單片機系列課程需要花時間調試，設備在實驗室，僅利用實驗時間進行調試是遠遠不夠的。

2.1.3 探索新形式

首先，考慮到課程特點，實驗室批量進行了實驗板采購，目前用于學生實驗的設備數量比較充足；其次，在設備使用上對學生采用了借用模式，學生根據課程安排在授課及大作業完成期間，可借用實驗板，隨時根據教師安排及自己興趣進行項目調試，這樣可以最大限度地發揮實驗設備的作用，極大地提高了學生學習的積極性及學習的效果；最后，在修訂培養方案時，將該系列課程的實驗學時融入理論學時，授課時學生直接根據教師講解，利用實驗板進行操作和調試，實時性好，且設備利用高，學生反饋學習效果良好。

2.2 機與電結合的課程設計創新

機械電子專業涵蓋多個領域的知識融合，單片機系列課程在機械電子專業課程能力和素質培養體系中，占有十分重要的地位，該系列課程在一定程度上承擔著機電結合的角色。機電專業該系列的課程設計總學時為3 周，在完成單片機理論課程的基礎上，后續的實踐環節旨在鍛煉學生結合已掌握的機械設計知識，進行機電結合的實踐設計訓練。為達到教學目標，機電專業的課程設計做出以下探索。

設計題目方面，確定三大類題目，分別為工件自動抓取機械臂、三軸全自動移動裝置和自動循跡避障移動車設計。從內容上，要求學生完成設計題目要求的機械結構，并進行實物裝配。學生可根據三維造型進行3D 打印，也可以利用慧魚的模塊進行拼搭，在此基礎上進行控制系統的調試，培養學生從機械結構到控制系統調試全過程的動手實踐。

成績考核方面，改革傳統的看圖紙說明書答辯的形式，采用比賽并現場答辯，從機械結構的可行性、控制系統的穩定性、系統執行的快速性等方面進行考查，答辯教師現場根據實物的運行情況提出針對性問題，共同討論。

這兩方面的探索一是極大提高學生做設計的積極性，提高了課程設計的完成質量；二是為學生后續的畢業設計打下來一個比較堅實的基礎，學生從機械結構的設計、工程圖紙輸出、實物制作以及控制系統調試，各環節都得到鍛煉的同時，也做到了各環節的融合運用。圖4 為學生自行利用3D 打印完成的機械結構，實現的機械臂抓取工件。圖5 為學生利用慧魚模塊拼搭的機械機構，并實現的三軸移動機構。

圖4 自動抓取機械臂

圖5 三軸移動機構

在實施過程中，教師提出設計題目，學生根據設計題目進行機械結構設計后進行控制系統的設計，最后完成該項目的整體調試，整體效果比較理想。

2.3 以賽代練模式探索

課程負責人近些年帶隊參加機械設計大賽、機器人大賽、嵌入式人工智能大賽等，利用單片機實現對設備的控制，充分發揮機電專業的優勢，實現參賽項目完成中的機電結合。以參賽項目為基礎，通過項目簡化，同時形成可用于該課程教學的虛擬項目，實現教學與競賽相長，在促進該課程學習的同時，提高學生參賽的積極性。圖6 為作者指導學生參加機械設計大賽的作品旋轉環狀立體停車設備。

圖6 環狀立體停車設備

3 結束語

通過對單片機系列課程在理論教學和實踐環節的探索，從歷年來的課程設計、畢業設計作品及參賽的效果來看，收效比較明顯，質量明顯提升，學生對該系列課程的學習積極性極大提高，創新能力不斷提升，同時，對學生后續的學習工作等產生了積極的影響。在后續的教學活動中，還需結合機電專業繼續探索對學生更行之有效的方法。