单片机课程实践教学模式的改革与构建

金国华，毕 胜，翟朝霞，刘剑桥，张大力

(1.大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026；2.大连理工大学 航空航天学院，辽宁 大连 116024)

单片机课程实践教学模式的改革与构建

金国华1，毕 胜1，翟朝霞1，刘剑桥1，张大力2

(1.大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026；2.大连理工大学 航空航天学院，辽宁 大连 116024)

实践教学是创新人才培养过程中不可缺少的重要环节；单片机课程是高等院校工科专业一门实践性很强的专业基础课。为了提高学生的实践动手能力，增强其创新意识，进行了单片机实验、实践教学改革，改进了教学内容、教学方式和方法、考核方式。提出了“基础—提高—实战”循序渐进的单片机实践教学模式。

单片机；实践教学；教学模式；实践创新能力

单片机课程是电子类相关专业的专业基础课，是一门工程实践性很强的课程，单片机实验、实践环节在整个教学过程中非常关键[1-2]。针对单片机课程实践性强的特点，如何构建一种能较好地培养学生实践动手能力、创新能力的实践教学模式，是任课教师应认真思考、研究和探索的问题。

1 单片机实践教学现状

目前，大连海事大学单片机实践教学存在以下3方面问题。1)实验教学实验多为验证性内容，不利于培养学生的综合应用能力；课程教学模式单一，学生学习兴趣不高，很难培养学生的实践动手能力[3-4]。2)课程设计题目没有难度等级之分，题目内容单一，没有考虑学生的个体差异；教学实施方案陈旧，教学效果不理想，无法调动学生的积极性和创造性，很难培养学生的硬件设计能力和创新能力；考核制度不完善，没有明确的依据，不能科学地、客观地评价学生的能力[5-6]。3)实践教学缺乏整体性、关联性和系统性[7]。

2 创建了“基础—提高—实战”的单片机实践教学模式

通过对单片机实践教学中存在问题的分析，作者认为，单片机的实践教学改革要对课内实验、课程设计、课外实践环节三方面进行，才能达到培养实践创新型人才的目的。要具备实践创新能力，不是通过做几个实验就能达到的，而是要循序渐进、不断积累和长期训练。我们通过多年的单片机实验建设、单片机应用系统的研究与开发，根据我校单片机实验实践教学的实际情况，提出了“基础—提高—实战”循序渐进的单片机实践教学模式，把单片机实践教学分为三个阶段。这三个阶段也是教师对单片机实验实践系统建设和改进的不同阶段，培养不同层次学生的不同实践能力。

3 基础阶段

课内实验教学是培养创新人才的基础。在实验环节中，主要是注重既要让学生掌握基础知识和基本技能，更要加强综合运用知识的训练、实践动手能力的培养，为创新思维奠定基础。根据我校实验室软硬件条件、本课程特点、实验学时等因素，实验教学我们进行了如下改革。

3.1 优化课内实验内容

课内实验内容的选取遵循由浅入深、循序渐进的原则，以适合不同层次学生的需求。我们对课内实验内容进行了合理地选择，精心设计了实验题目，开发了综合设计型实验项目。按难度由低到高可以将实验内容划分为3个层次，不同层次采用不同的教学方式。1)第一层次是基础实验，是针对知识点设置的验证性实验，如I/O口实验、数码管显示实验、键盘扫描实验等，其目的是使学生掌握基础知识、基本原理、基本的程序编写和调试技能；教学方式上以教师为主。2)第二层次是融合若干知识点设置的综合性实验，如键盘显示实验等，其目的是加强学生对理论的理解和知识的灵活运用，开拓思路，规范操作；教学方式上教师与学生并重；3)第三层次是自主开发的设计性实验，其目的是提高学生知识的综合运用能力和解决实际问题的能力，培养创新意识；教学方式上以学生为主、教师为辅。

3.2 改进实验教学方法

验证性实验先让学生在单片机实验箱上做实验，观察实验结果，了解硬件电路原理，参考实验箱电路使用proteus软件设计硬件电路，仿真通过后再到面包板上搭建实际电路实现同样的功能。综合性和设计性实验先让学生使用proteus软件设计硬件电路，仿真通过后再到实验室做实验。

通过这样的实验教学方法，学生不仅能掌握单片机课程的理论基础知识，学习了proteus和keil软件的使用，硬件电路设计能力也得到了一定的训练[9]。

3.3 发挥开放实验室优势

开放实验室为学生提供能够充分发挥自主性、创造性的学习环境，学生可以在实验室自主进行综合性、设计性的实验。

开放实验室除了提供相应的硬件实验平台外，还提供硬件设计的实用软件及常用工具、仪器仪表等设备，使学生可以方便地进行电路仿真、PCB板设计、编程、电路制作与调试等系统的学习和训练。面向学生开放单片机系统学习开发板的学习资料，包括硬件电路原理图、电路仿真图、PCB版图等，有助于学生真正理解单片机内部结构及原理，方便学生在原有电路的基础上设计自己的应用电路。

4 提高阶段

单片机课程设计是单片机实践教学过程中的重要环节，通过实践，可以使学生巩固所学的知识，具备必需的技能，并以此为起点进行深入研究和进一步探索。在课程设计教学环节中，主要是注重培养学生独立分析问题解决问题的能力，提高学生的综合应用和实践动手能力，开发创新思维，锻炼学生撰写科技论文的能力和表达能力等。

根据我校实验室软硬件的实际情况、课程设计的特点，单片机课程设计进行了以下3方面的改革。

4.1 设计不同层次的题目

考虑到学生能力的差异，在课程设计命题时，题目难度要有等级之分[10]。通过权值不同来体现难度等级，权值有1、0.9、0.8，权值越大，难度就越大。典型题目：权值为1的，如自动往返电动小汽车、电子万年历等；权值为0.9的，如超声波测距、电子钟、动态点阵显示等；权值为0.8的，如音乐播放器、速度测量仪、流水灯等。同时参考电子设计大赛题目的要求，每个题目也分别设有基本要求部分和发挥要求部分，基本要求部分80分，发挥部分20分。例如，超声波测距题目的基本要求是测量距离小于4米，实现测量距离的数码管显示；发挥部分的要求是语音播报测量距离。

4.2 教学方式改革

我校传统的单片机课程设计采用Proteus软件仿真+面包板的方式，即学生完成软件编程、硬件电路设计后，先用Proteus软件仿真，仿真通过后，先看能否利用实验箱上的资源，然后再到面包板上搭建实际电路，系统调试。实验箱资源有限，在面包板上搭建实际电路，由于连线多、导线断线、面包板内部断线、面包板与导线接触不良等问题，系统调试成功率不是很高，尤其是数码管显示、按键扫描检测电路连线多，问题出的也最多，极大地影响了学生的学习兴趣和积极性。

综合考虑实验室的条件、利用率、实践效果，我们改进了课程设计教学方式，采用Proteus软件仿真+仿真器、自制小系统板和面包板+实物制作的方式。自制小系统板我们选择了三个利用率比较高的应用系统，如图1所示。三个小系统的技术资料包括原理图、PCB板图对学生完全开放，方便学生学习和参考利用。学生根据所选课程设计题目选择一款小系统板，将仿真器、小系统板和面包板有机结合，减少了面包板连线，系统调试成功率明显提高，调动了学生的学习兴趣和积极性。

图1 单片机小系统版

为了完善课程设计的系统性，我们在教学过程中系统调试后加了实物制作环节，要求学生根据自己的硬件设计在孔板上焊接元器件，下载程序，完成电子产品的制作。鼓励有能力的学生学习PROTEL绘图软件，根据自己设计的硬件电路绘制PCB板图，制板，焊接元器件，下载程序，调试，完成电子产品的制作。课程设计完成的部分成品如图2所示。

图2 部分课程设计成品图展示

4.3 考核方式改革

5 实战阶段

经过课内理论讲授、课内实验训练、课程设计实践训练，学生具有一定的理论知识基础和实践动手能力，知识结构趋于全面，设计能力逐步提高，但是缺乏面对工程实际的工作经验，因此鼓励有兴趣、有能力的学生多参加课外实践活动，进一步提高理论水平、实践能力、设计能力，增强创新意识。学生参加课外实践活动的途径有很多。

5.1 参加各类科技大赛

鼓励学生参加国家和辽宁省电子设计大赛、飞思卡尔智能车大赛、机器人大赛等各类科技竞赛，通过参加此类大赛可以让学生各方面的能力得到锻炼，同时加强了同兄弟院校学生的交流，拓展了学生的视野。

5.2 参与教师科研项目

对于能力突出、具有创新潜质的学生，可尽早参与到教师的科研项目中，通过对项目的开发训练学生的独立开发能力、软硬件设计能力、创新能力，为将来从事技术开发工作奠定基础。

5.3 校级科研立项、国家大学生创新实验计划立项

充分利用学校提供的各种创新平台和项目，鼓励学生把自己好的想法结合教师的指导，申请校级科研立项或者国家大学生创新实验计划立项。通过对项目的开发强化了学生的实践创新能力，提高了学生的综合素质。

5.4 进入相关企业实习

鼓励学生进入相关专业的企业实习，参与企业的技术开发。通过实习过程，学生能够学到单片机的最近技术及其应用，与社会更加接近，为将来走向社会打下良好的基础。

6 结束语

我校通过单片机的实验实践教学改革，探索出了较为系统、循序渐进的实践教学模式——“基础—提高—实战”。实践教学实施两年以来，取得了显著的成效：不仅激发了学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习；而且培养了学生独立思考、分析问题解决问题的实践动手能力，增强了创新意识，提高了学生的综合素质和市场竞争力；同时增强了教师和学生间的互动与沟通，教学相长，取到了较好的教学效果。

[1]蔡美琴,张为民,何金儿,等.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]葛浩,林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理,2011,28(10):138-140.

[3]李萍.以单片机实验教学改革探大学生实践与创新能力培养模式[J].中国现在教育装备,2012(11):49-50.

[4]黄光华.以创新能力培养为目标的单片机实验教学改革[J].产业与科技论坛,2011,10(15):177-178.

[5]宋跃,余炽业,张志坚.单片机精品课程的实践教学改革[J].实验室研究与探索.2009.28(3):83-85.

[6]陈淑洁.“开放—自制—开发”一体的单片机实践教学创新研究[J].中国现代教育装备,2009(8):101-103.

[7]陈刚.单片机实践教学的问题与对策[J].安徽电气工程职业技术学院学报刊,2005,10(3): 113-116.

[8]张晓群.单片机实验教学改革与创新人才培养[J].西安建筑科技大学学报(社会科学版),2011,30(3):94-96.

[9]王鑫国.本科生单片机应用能力培养模式改革与思考[J].甘肃联合大学学报(自然科学版),2010,24(6):104-106.

[10]张灵,武兴华,胡挽芝.浅谈高校单片机课程实践教学创新模式[J].西南师范大学学报,2012,37 (11):138-140.

Reform and Construction of Practical Teaching Pattern in SCM Course

JIN Guohua1, BI Sheng1, ZHAI Zhaoxia1,LIU Jianqiao1, ZHANG Dali2

(1.School of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2.School of Aeronautics and Astronautics, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Practical teaching is the important link in the course of training the innovative talents.Single chip microcomputer (SCM) course is a very practical professional basic course for students majoring in professional engineering institutions of higher learning.In order to improve the students’ practical ability and enhance their innovation consciousness, we carried out the reform of experiment and practical teaching, including the optimization of teaching content, improvement of teaching mode and method, and improvement of examination method.Then, we propose a step-by-step practical teaching pattern of foundation-advance-practice.

single chip microcomputer; practical teaching; teaching pattern; practice and innovation ability

2014-11-14

大连海事大学教改项目——单片机实验教学的改革与探讨(2013Q12)。

金国华(1980-)，女，硕士，讲师，研究方向为通信工程。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.026