“卓越班”单片机相关课程教学改革探索与实践

张 妍，林永君，程海燕

(华北电力大学 自动化系，河北 保定 071000)

“卓越班”单片机相关课程教学改革探索与实践

张 妍，林永君，程海燕

(华北电力大学 自动化系，河北 保定 071000)

“卓越工程师教育培养计划”的主要目标是培养工程创新和工程实践能力兼具的卓越工程师，围绕这一培养目标，针对自动化专业“卓越计划”试点班的单片机相关课程的具体特点和存在的问题，从教学大纲的修订、课程内容的调整，实践环节和考核方式的改革等方面进行了大胆的尝试，使课堂教学、实践教学、课外竞赛等环环相扣、相辅相成，实践结果初见成效。

卓越计划；单片机；教学改革

2010年，教育部提出了卓越工程师教育培养计划(以下简称卓越计划)。该计划的主要目标是：面向工业界、面向未来、面向世界，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才[1]。华北电力大学作为首批卓越计划实施高校之一，在自动化专业成立了卓越计划试点班。基于学校电力行业特色和创办研究型大学的定位，以及授课教师在工程技术方面的丰厚经验，对该试点班进行了单片机与嵌入式系统课程的教学改革，目标是着重培养学生的创新思维和工程实践两大能力。本教学改革针对该课程的具体特点和存在的实际问题，对“单片机与嵌入式系统”从理论教学、实践教学和评价体系等各方面进行了大胆的探索和实践。

1 课程特点和存在的问题

“单片机与嵌入式系统”课程是我校自动化专业的专业必修课，特点是技术更新快、实践性强、综合性强[2-3]。单片机诞生至今已经有几十年的历史，其性能不断提高，相应的教学内容也要求及时更新。该课程属于工程技术类课程，侧重于具体技术在工程中的应用，理论并不难懂，而对学生实践动手能力要求较高。单片机以“C语言程序设计”“模拟电子技术”“数字电子技术”“微机原理及应用”等为先修课程并且与它们联系紧密，综合性强，学生入门较难。

该课程传统的教学方式主要以“传授—接受”式教学为主，即以教师讲授为主，学生课堂听讲为辅，课下配以一定学时的实验，这样的教学方式使学生处在被动状态，无法主动参与整个教学活动，难以激发学生的学习兴趣[4]。我校自动化课程学时安排为课堂教学24学时，实验8学时，共计32学时，学时短、实验少。课堂教学一般是以51系列单片机为例，先介绍硬件结构，接着是汇编指令和软件编程，然后是单片机系统的扩展和定时器、中断、I/O接口，最后是应用实例，部分教学内容陈旧；实验设置主要以基础验证性实验为主，和工程实际尤其是与自动化工程领域脱节。课程考核方式以期末试卷考试为主，容易造成学生的被动记忆，难以调动学生学习的积极性。

“卓越计划”强调培养学生的工程能力和创新能力，显然，我校单片机及相关课程目前的教学模式达不到“卓越计划”培养目标。针对以上存在的问题，本文对自动化专业“卓越计划”试点班的单片机及相关课程进行了一系列的改革探索。

2 理论教学改革

2.1 修订相关课程教学进程

在大部分理工类高校的自动化专业培养方案中，单片机与嵌入式系统为微机原理及应用的后继课程。由于学时所限，这两门课程一般分别安排在第5学期和第6学期。这样的课程结构存在以下弊端：

1) 由于都属于微型计算机类的课程，两门课程在基本原理、内部结构以及指令系统等内容上有一定程度的重复。

2) 作为非计算机专业，学习微机原理及应用的目的之一是为单片机与嵌入式系统的学习打下基础，但两门课程安排在不同的学期使得本应顺理成章的内容“有缝衔接”，学生在单片机与嵌入式系统的学习上不能“趁热打铁”。

3) 第5学期的微机原理及应用以8086CPU为主的教学内容已显陈旧且实验主要以验证性为主，而与工程实际联系更为紧密的单片机与嵌入式系统安排在第6学期，学时短、实验少。

4) 第6学期专业课和专业基础课扎堆，学生应接不暇，部分学生还要忙于考研，难有精力和时间参加科技竞赛和创新实践项目，而这些项目有利于创新思维和工程实践能力培养，且大部分课题基于单片机和嵌入式系统，使学生感觉课程虽然学完，但“学无所用”。

因此，对卓越班的单片机及相关课程作了调整：将原来的微机原理及应用和单片机及嵌入式系统两门课程整合成一门课程，课程改为“微计算机原理与嵌入式系统”，安排在第4学期，共72学时。学生先修课程C语言程序设计在第2学期完成，而模拟电路和数字电路在第3学期完成，课程衔接合理。二年级的学生相对于三年级来说课业量少，可以有更多精力和时间参与到科技竞赛和创新实践项目中来，实现教学和实践相互促进。

2.2 调整课程内容

1) 将微机原理和单片机及嵌入式系统内容整合。抓住原理共通点，强调应用不同点。

将80×86系列CPU和51系列单片机以及ARM系列嵌入式芯片的相关概念、结构、原理统一编排，抓住其作为微处理器共性的部分，再强调在具体使用中不同的地方，在各个章节中的原理及应用都要对80×86、51单片机及ARM系列嵌入式芯片进行比较说明。

2) 汇编语言点到为止，编程工具首选C语言。

由于现代单片机处理速度的提高、存储空间的增加，开发环境编译器性能的提升，汇编语言在单片机的开发中已经不再占有主导地位，而C语言由于在功能、结构、可读性和可维护性上有明显的优势，已成为大部分工程师在单片机及嵌入式应用开发中的主要选择。因此，在教学中只要求学生了解汇编语言的优缺点以及汇编与C语言的混合编程方法，对汇编程序通过简单编程实例了解其应用过程即可。授课重点放在介绍嵌入式C语言与基于PC机的C语言的异同点上，这样学生上手快，易入门。

3) 结合工程实际与时俱进，摒弃陈旧过时的内容。

部分教学内容比如存储器和接口的扩展等，是由于早期微型计算机和单片机的性能限制才存在的，随着现代单片机及嵌入式芯片性能的不断提高，有些方法早已摒弃不用，芯片类型也已更新换代，随之而来又有新的需要考虑的问题。因此，对一些已经不具有实用价值的芯片，在课堂上不再做介绍，而是把目前最常用的芯片型号及设计方法等相关内容更新到课堂。

4) 增加Altium designer等工程中常用的电路设计与仿真软件等教学内容。

工程实际中的单片机应用系统开发离不开Altium designer、Proteus等电路设计及PCB板制作软件，通过电路图的绘制、印刷电路板的布置可以让学生熟悉一个完整的应用系统硬件开发过程，使教学内容更加工程化、实用化。

总之，课程内容的调整能够拓宽学生的知识面，真正实现知识性、实用性、新颖性、灵活性的有效统一。

2.3 改革课程教学方式

现代教学较为推崇“研究型”教学，在教学环节中增加更多的互动环节，积极引导学生对所学内容进行深入挖掘，强调学生的自主学习能力，培养学生的科学探索能力[4]。卓越班课堂容量小，并有学校的软硬件资源支持，更有利于开展研究型教学。本文采取“传授—接受”式教学和研究型教学相结合的方式，将教学目标分解，以阶段性目标为导向，让学生成为课堂教学的主角。

1) 对课程内容的学习从问题开始，让学生在分析问题、解决问题的过程当中加深对理论知识的掌握。带着问题去学习，更有利于激发学生的学习兴趣。教学目标中的基础知识点在提出问题后，可以直接在课堂讨论中解决；而难以理解的重点难点可以设计为课堂作业(实验)的形式，通过课下的自主学习结合课上讨论来掌握，让学生在寻找某个结果的过程中，学会搜集资料、思考请教，提高学习积极性、锻炼实践动手能力。

2) 分析问题的过程中指导学生学会用编程工具和仿真软件进行验证，并充分利用网络资源。通过浏览国内外单片机著名网站和论坛，从更多的渠道获得开发经验与技巧，拓宽知识面，解决问题往往可以事半功倍。利用电子邮件、学校网络教学平台和QQ群，在课下也可以对学生进行及时指导。

3) 结合多种竞赛，培养学习兴趣，促进学习自主性。在教学过程中，引导并鼓励学生发挥自己的创新性思维，结合所学知识积极参加智能车竞赛、挑战杯竞赛，电子设计大赛、创新实践项目等相关科技竞赛，通过竞赛达到学有所用、学有所获。这些竞赛的操作过程类似于工程项目的开发过程：系统分析—总体设计—硬件设计—软件设计—仿真调试—硬件调试—程序固化—成品测试，当学生带着任务去学习时，单片机的理论知识成为解决问题的必要条件，从而激发学生学习的主动性。

3 实践教学改革

对于实践性特别强的课程，只有理论知识不进行动手实践只能是纸上谈兵。而动手实践是工程师的基本能力，一方面要求学生能够将课堂所学知识转换为实践动手能力；另一方面还要让学生具有初步的工程开发意识和能力[2]。学校为卓越班提供了优越的实验条件：专门配备了独立的开放型实验室，两人一台高配置计算机，配备电源、示波器、万用表、改锥、镊子、电烙铁、焊锡、面包板、杜邦线、万用板等实验工具与耗材，并有一定的实验经费支持，这些为实践教学的改革创造了条件。

3.1 实验过程改革

为充分发挥学生学习的自主性，对各实践环节的安排，教师只提出实验内容和基本要求，由学生分组(每组两人)自行设计实验内容，完成元器件选择、电路设计、仿真、PCB板(或面包板、实验板)制作。

学生在实验前要做充分的准备工作，1学时实验课需要学生有3～4学时甚至更长时间的课外准备。实验前学生提出所用的实验材料、拟达到的实验目的、实验步骤等，教师认可其方案后由实验室统一提供实验材料(部分材料可以由学生自行采购或申请样品)。

实验过程中，教师主要负责实验的安全性和可行性检查，看其是否满足实验要求，实验是否合理，是否有新颖点或不足之处，即时要求学生改进不足之处。

实验完成后学生写出实验总结，教师根据实验过程和总结给出实验成绩。

3.2 实验内容改革

增加实验学时的比例，注重实验设计的工程化。为了让学生易上手、肯钻研，由入门到精通，一开始给出基本系统板，再逐步引导学生自行设计电路和参数，选择器件、焊接电路和调试。实验也由简到难设计为入门练手级实验、基础验证性实验、综合设计性实验以及研究性的课程设计。

1)入门练手级实验

这类实验旨在让学生巩固先修的模拟电路和数字电路知识，并掌握相关开发软件和仿真软件的使用。例如：首次实验要求利用模拟电路中学过的知识设计方波发生器并焊接电路，单电源和双电源可切换工作且方波占空比可调。通过该实验，让学生掌握电路设计软件的使用、常用电子元件的选型和基本的电子工艺焊接技能，为后继的复杂电路设计和制作打好基础。

2)基础验证性实验

实验为学生入门后熟悉单片机的使用而设置。实验室提供给每位学生一套基于STC89C52单片机的最小系统开发板，对接口部分的验证性实验都可以在其上进行。例如：按键控制流水灯，LED灯定时闪烁，按键控制数码管增一减一、定时中断数码管增一、简单的串口收发实验。通过实验，让学生较快地熟悉单片机的基础结构和开发流程。

3)综合设计性实验

这类实验有助于锻炼学生的工程思维和创新思维。如定时器产生调制脉冲控制LED灯的渐亮渐灭、检测红外光且增强抗干扰能力、编程仿真实现对一阶对象的PID控制、对实际对象电加热炉炉温进行闭环控制并串口通信至上位机、编程实现嵌入式系统中的多任务模式等。这些实验不仅对单片机及嵌入式知识纵向综合，更注重知识结构横向综合，特别是与同学期的工程控制理论课程内容结合，让学生更加明晰自动化专业的知识架构，对学有所用体会深刻。

4)同步进行研究性课程设计

以往的课程设计环节通常安排在课程全部学完之后，而卓越班的课程设计指定为智能汽车的设计，从汽车选型拆解、元器件选型、检测电路和控制电路及驱动电路设计、电路板制作和软件设计与调试都由每位学生独立完成，基本要求是智能汽车能够自动循迹。研究型课程设计贯穿于整个学期，并进行了目标分解，各子目标包含在基础实验和综合实验的环节当中。该实践环节是对单片机相关知识的灵活应用，有利于学生工程能力和创新能力的全面提升。

4 评价体系改革

其中，自选设计大作业于开课两周内由学生自由分组(最多两人)，通过广泛查找资料，根据自己感兴趣的方向选题，设计基于单片机的小型应用系统，完成软硬件设计并调试通过。学生的自选题目非常丰富，例如：红外防盗窗设计、超声波测距、手持式红外测温仪、基于蓝牙通讯的手机遥控智能车、无线对讲机等等。这些题目既结合了课程内容，又注重了实用性，可加入学生自己的思考和创意，对学生创新能力和工程能力的培养大有裨益。

设计初步完成后在课堂上用PPT进行演示，教师和其他学生可以给出更好的建议。学生利用课余时间在实验室完成软硬件设计，教师进行阶段性检查，并给予必要的指导。最终作品完成后在实验室进行公开演示。

自选设计大作业的评定采用“自评+互评+他评”的方式，即学生的自我评价、对他人作品的评价和教师的评价，这样的评价方式综合了主观和客观因素，能给学生相对更为公平的成绩。

这样的考查方式不仅激发了学生的学习兴趣、提高了自主学习能力、拓宽了知识结构，而且与课堂教学、实践环节相辅相成，让学生真正成了教学过程中的主角。

5 结束语

本文对自动化专业卓越班的单片机课程的教学改革可以说是大胆的尝试，虽然是首次尝试，但从教学大纲的制定，到课程内容的调整，实践环节和考核方式的改革，都经过全面的思考和精心的设计，使课堂教学、实践教学、课外竞赛等环节环环相扣、相辅相成。经首次改革实践，卓越班的学生普遍反映收获颇丰，有强烈的成就感，不仅对单片机产生了浓厚的兴趣，正有对自动化专业有了更深刻的认识，在大量实验的反复调试过程中丰富了经验、锻炼了动手能力、增强了团队合作意识。已有多名学生申请到了校级、省级、国家级的创新训练项目，部分学生经过学校选拔参加全国智能汽车大赛、全国电子设计大赛、机器人大赛等科技竞赛。围绕提高工程能力和创新能力的培养目标，教学改革初见成效，也得到了相关教师和学生的认可。好的开始是成功的一半，仍需要不断探索，进一步推进卓越班单片机课程的建设，为卓越工程师的培养提供可借鉴的经验。

[1]林健．“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J]．高等工程教育研究，2010(4)：21-29．

[2]崔勇，袁海文，王秋生，等．卓越工程师培养目标下的单片机教学改革探讨[J]．中国电力教育，2013(5)：80-85．

[3]曲贵波，乔爽，吴东艳，等．基于“卓越工程师教育培养计划”的单片机课程实践教学的研究与探讨[J]．黑龙江教育学院学报，2013(2)：55-56．

[4]孙莱祥，张晓鹏．研究型大学的课程改革与教育创新[M]．北京：高等教育出版社，2005．

[5]赵月静，陈继荣，张永弟．单片机原理及应用课程创新实践教学改革[J]．实验技术与管理，2013，30(1)：176-179．

[6]王秀梅．以学生为本 构建全方位开放的实践教学体系[J]．实验技术与管理，2013,30(2)：1-4．

[7]赵晓闻，刘宁．基于工程思维视角的我国“卓越工程师教育培养计划”[J]．现代教育管理，2013(2)：69-70．

Teaching Reform Exploration and Practices of Single Chip Microcomputer Related Course in Outstanding Engineers Class

ZHANG Yan, LIN Yongjun, CHENG Haiyan

(Department of Automation，North China Electric Power University，Baoding 071000，China)

The main purpose of “Plan for Educating and Training Outstanding Engineers” is to cultivate outstanding engineers with engineering innovative and practice ability. According to the characteristics and problems existing in single chip microcomputer related course，the theory teaching, practice teaching and evaluation method are reformed. Practice shows that the reform has achieved initial effect.

outstanding engineers；single chip microcomputer；teaching reform

2015-01-09；修改日期:2015-01-30

张 妍(1980-)，女，硕士，讲师，主要从事单片机与嵌入式系统、微机原理及应用方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.059