基于技术能力培养的《单片机原理》教学改革研究

2011-07-13蔡红专

电子设计工程 2011年20期

赵冲，蔡红专

（西京学院机电工程系，陕西西安 710123）

传统教育观的基本特征是以知识传授为中心，由此形成了教师以教材和课堂讲授为中心的教学模式。这种教学模式忽略学生的主体能动性，阻碍了学生创新能力的发展。目前必须要转变教育观念，激发学生独立思想和创新的意识，切实提高教学质量。要让学生感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和创新思维能力。要重视培养学生处理信息的能力，获取新知识的能力，分析和解决问题的能力。由单纯重视知识传授向培养能力和提高素质有机融合转变。努力培养学生多种知识的综合及多元文化的融合能力，运用各种手段和现实条件特别是现代化技术手段获取新知识的能力，以此增强学生的创新能力。而学生的创新能力要提高，就得让他们对所学知识有更深刻的理解和认识，这正是实践环节所要解决的问题。

教育改革，最重要的就是培养学生的创新能力。创新能力是人的本质特征，是人的天赋所能和整体素质的表现，它不仅表现为知识的学习和应用，更重要的是发现问题，并积极探索的心理取向和善于把握机会的敏锐性及积极改造自己和改造环境的能力。但目前教材中的实验大多是验证性实验，在培养学生创新能力上不能发挥出应有的作用。所以研究并制定提高学生实践能力、创新精神的方案，不断更新实验内容，增强学生工程实践能力的办法是培养学生多种知识的综合及多元文化的融合能力非常关键和重要的环节。

要努力培养学生多种知识的综合及多元文化的融合能力，特别是实际操作能力，通过创新和创业把知识转化为经济财富。对于如何提高人才解决实际问题的能力、如何培养创新人才，以及扩招后如何做好毕业生的就业工作等问题，必须坚持不懈地抓好理论和实践环节的教学质量。因为毕业生的就业水平如何直接反映着人才的培养质量，事关高校的生存与发展，所以做好毕业生的就业工作，对“应用型本科人才培养模式”和“毕业生就业对策”等具体问题展开色很深入研究，尤为必要。

文章主要针对《单片机原理》课程教学改革作一探讨。

1 转变教学方法和教学理念，提高学生学习兴趣

随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机以其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低等特点在过程控制、数据采集、机电一体化产品、家用电器、智能化仪表和网络技术中得到大量使用。目前，大部分功课院校许多专业都开设了“单片机原理及应用”或相关课程。但是由于教学环境和教学方式相对落后，教学理念陈旧，在很大程度上阻碍了学生对单片机技术的深入学习和实践。另外一方面，由于学制限制，学时少，部分学生基础相对较差，因此课程的教学改革更显得尤为重要和必要。

兴趣是最好的老师。由于这门课程运用传统的讲述会显得十分抽象，初学者特别是基础稍差的学生，往往越看越迷惑，容易丧失信心。因此，在教学过程中提高学生的学习兴趣是关键。

在第一次课的绪论中，除了简要列举大量图文并茂的应用案例外，还可以把 “循迹小车”、“新颖60秒LED旋转电子钟”、“高精度程控函数信号发生器”等作品的实物带进教室，并简要介绍它们的工作原理及应用，从而激发同学们的学习兴趣。比如就以学生较感兴趣的循迹小车为例，讲述该系统的结构：核心部分就是单片机，结合《电机拖动》课程以及《传感器与检测技术》，加上键盘输入，LED显示输出，就将一个通过自己亲手做成的智能的玩具小车摆在了学生面前。这样就可以给学生创建一个“学习《单片机原理及应用》不但有用而且有趣”的印象。

图1 循迹小车系统原理图Tab.1 Schematic of the car tracking system

1.1 学习内容

学好这门课程得让学生熟悉学习的主要内容以及重点。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。要把它很好的应用与具体的应用当中，学生应以从以下方面学习，具体学习的内容如图2所示。

1.2 形象比喻的运用

在教学中正确的运用形象的比喻也是一个不错的选择。因为这不但能完整的描述单片机嵌入式系统，而且易于理解。假如把一个单片机嵌入式系统比做一个人的话，那么单片机就相当于人的心脏和大脑，而输入接口就好似人的感官系统，用于获取外部世界的变化、状态等各种信息，并把这些信息输送进人的大脑。大脑对获取到的外部信息处理，决定如何响应这些信息，然后通过感官系统以及四肢来执行这些信息。程序就好比是大脑的思维，当大脑接收到外界信息后，总是要经过判断才作出相应的反应的，而程序其实也是实现的这个功能，当单片机接收到端口的情况后，会根据不同的情况做出相应的控制动作。正如每个人处理事情的方法不尽相同一样，不同的单片机（甚至同一种单片机的不同编译环境）实现相同功能所编写的程序也是不一样的。只有有了兴趣，学生才愿意学，才能学好。

图2 课程学习的主要内容Tab.2 Main content of the course

1.3 任务驱动

压力是最大的动力。此处的压力有多层含义：一是责任感的压力，学好《单片机原理及应用》课程是工业技术改造和经济建设的需要；二是就业的压力，学好该课程是就业的需要，掌握单片机技术，可以大大拓展就业机会；三是考核的压力，即学期末每个同学除了常规的笔试、实验和平时作业外，还有课程设计等。

这3方面的压力可以通过相应的理论学习和时间学习中的任务让学生得以释放。在学习任务驱使下培养学生大胆实验勇于探索的精神。鼓励学生在完成任务的过程中要敢于质疑、大胆实验、勤于实验，在实验中创新。同时在实验教学中要注重实验仪器的使用方法、原理、实验设计原理、实验操作原理的教学，只有知其所以然，才能理解掌握，才能在灵活运用中创新。总之，激发学生独立思想和创新的意识，推动教学质量的提高。

1.4 案例教学

选取大量直接来自于工程实际、自己亲自实践过的应用案例，激发学生的求知欲。案例教学法教学的采用对于提高学生学习的主动性也是非常有帮助的。教师可在上课前让学生预习教师准备的实例材料，形成一定的看法，做好实例讨论的课前准备；在课堂中，针对实例出现的问题，教师组织全班讨论，由学生找出解决的方法，做出辨析；最后教师作简短的点评或补充性、提高性的总结。

1.5 以学生为中心

现代教学论认为学生是实验教学的主体，其主体性的最基本的表现形式就是实验能动性，学生在实验教学中虽然具有实验能动性，但他还不是一个完全独立的主体，学生主体地位的逐步确立、实验能动性的充分发挥，还要受到教师主导作用发挥程度的影响和制约。

《单片机原理》是一门实践性极强的课程，教学中应以学生为中心。教师通过循循善诱告诉学生应该怎么学，学什么，指导学生解决遇到的难题。教师应对学生“授之以渔”，而不是“授之以鱼”。授予学生将实践活动所需的知识联系起来的能力，培养学生解决问题的能力和实践创新能力，从而使得各项活动得以顺利进行。

2 适当改变教材中的知识结构，提高教学效率

“单片机原理”课程集成多门课程的相关内容，并且包含单片机技术本身的知识体系。单片机“麻雀虽小，五脏俱全”。为了弄清单片机的一个概念，往往要牵扯到更多的新概念。因此在学习单片机原理的过程中，很多学生感到困惑和吃力。为了解决课程结构和人的认知规律之间的矛盾，在教学过程中，教师可以循序渐进的以任务为教学单元，打破原有教学内容的组织结构，暂且不管单片机的硬件结构、寻址方式、指令系统等，先将各部分知识分解成一个个知识点；然后根据任务来抽取知识点并加以组合。当完成第一个任务时就能让学生了解单片机的应用；当完成第两三个任务时，学生就了解了单片机的开发过程并能模仿性的编制出自己的程序，使学习过程成为一个不断成功的完成任务的过程。当所有任务全部完成，知识点就全学完了（即使只完成部分任务，也可以开发应用）。让学生从中享受到学习的成功的喜悦，进而消除对单片机学习的畏惧心理。随着任务的逐渐进行，学生的学习兴趣必将被激发，知识必将逐渐完善，能力必将逐步提高。

具体可以从理论和实践教学两方面着手考虑改变教学中的知识结构。

1）对课程内容进行整合，专业基础和专业课程教学内容紧密结合生产实际，编写特色系列实验指导方面的教材；

2）安排实验室教师进入大型企业实习，形成具有行业背景知识的、工程实践能力强的双师型师资队伍；

3）建设高水平学生创新训练基地，鼓励和引导学生积极参加国内、外各种科技竞赛，以培养学生工程实践能力和创新能力。让学生多参加科技活动；

4）改革现行的人才培养模式，强化工程能力培养和系统训练，将工程实践能力培养贯穿人才培养始终；与高新企业联合培养具有一定竞争力的学生；将工厂“搬进”校园，搭建工程能力培养平台；

5）建立一部分全面开放实验室，解决学生动手难的问题；

6）走产学研结合的道路，充分发挥学校良好的实验、实训教学特区的作用，培养学生上岗前的先进企业文化和工程实践能力。

3 加强实践教学环节的改革、提高学生能力

3.1 硬件设施保障

“教、学、做合一”教学法在单片机课教学中，要充分发挥教与学的积极性，努力走“实践—理论—再实践”之路。强调在做中教，在做中学。学校和相关院系考虑可以从以下几方面加以配合。

1）加强实践动手能力培养的实施和管理保证学生实践所需，通过学校的投入，建立符合现代生产力的实验室，提高学生的动手能力和创新能力以及处理实际问题的能力。

2）增加开放式实验室和创新性实验室在保证基本教育的同时，积极开展特色化教育，鼓励学生参加第二课堂和学生科技创新活动，开展素质拓展训练，积极参加“挑战杯”、全国大学生电子竞赛、数学建模竞赛等各类竞赛。提高学生的学习兴趣和创新能力。

3）加强实验室教学管理在学校现有的实验室教学规章制度基础上，结合自身特点，细化和补充相关的实验教学管理文件。促进实验教学质量的稳步提高。通过合理地实施奖惩办法进一步调动了教师的教学积极性，以保证提高实践教学质量。

3.2 完善实践教学体系

在实践环节中采用“基础性、提高性、创新性”三层次实践教学体系。基础性实验环节完成常规的随课实验，以增加学生的感性认识，熟悉实验环境和单片机工作环境，进一步理解单片机的内部资源和指令系统及其编程；提高性实践环节要求每个学生至少完成一个有一定技术难度的单片机课程设计，如“新颖60秒LED旋转电子钟”或“高精度程控函数信号发生器”等，以提高硬件实践能力和软件编程能力；创新性实践环节则是引导、鼓励学生积极申报校级开放实验项目、创新性实验项目、省级大学生相关项目，或鼓励学生积极参与教师的校级开放实验项目、校实验技术开发项目、教师的科研课题，参与全国和省大学生电子设计竞赛，以提高单片机开发能力和科研创新能力。

3.3 项目教学模式

根据课程对学生知识结构和操作技能的要求，来设定相应的学习模块项目，以掌握基本知识和基本技能为原则来设计项目内容，基础知识直接为技能训练服务，并且项目内容要体现前瞻性，及时引进企业所采用的新技术、新材料和新工艺，同时项目教学内容要有利于培养学生团结合作精神和创新意识。当然，教师要做的工作就是要注意对工作任务本身做详细阐述，为理论学习提供坚实载体。要让学生理解工作任务，并提醒学生将注意力放在工作任务上，而不仅仅是知识上，教学的最终目的是完成工作任务。通过项目驱动，学生在做实验的过程中，学会思考、看书、查询资料；问同学、问老师，促使学生学会学习，促使学生从“要我学习”向“我要学习”的转变，从而培养学生的创新能力和团队精神，认真负责的工作态度和一丝不苟的工作作风。以项目为单位组织实验，让学生在完成项目的过程中引出相关的理论知识，在完成项目实验的过程中加深对专业知识和职业技能的综合运用。进而实现了实践→理论→再实践的转变。