探索单片机课程教学改革 提高学生实践及创新能力

郭 栋 白 锐 蓝和慧 陈晓英辽宁工业大学电气工程学院 辽宁锦州 121001



探索单片机课程教学改革 提高学生实践及创新能力

郭 栋 白 锐 蓝和慧 陈晓英
辽宁工业大学电气工程学院 辽宁锦州 121001

摘 要：针对单片机课程改革的必要性及目前单片机教学存在的问题，从仿真教学手段与教学演示平台相结合、改变实验手段、增加技能考核手段、组建兴趣小组4个主要方面着手，进行单片机课程教学改革探索。通过近两年教学改革的实施，取得了良好的教学效果，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的动手实践能力和创新能力。

关键词：单片机；实践能力；创新能力；教学改革

随着电子、计算机技术的高速发展，单片机技术已成为电子技术领域中一个亮点，极大地推动了自动化技术的快速发展和应用[1]。近年来，云计算、大数据、欧洲工业4.0、我国工业2.5、赛博作战(美)、IoT(Internet of Things)、智慧家庭、智慧城市、智慧交通系统等广为传播，但其中核心何在？我们如何努力介入？王越院士在2015年全国大学生电子设计竞赛总结报告指出：大学生培养工作的高质量发展是中华复兴的重要子项，必须加强学生专业基础，结合实践促进创新实践。单片机课程作为工科院校教学中重要的基础课程，是培养学生实践能力和创新能力的重中之重。但在单片机课程教学过程中，存在着教师难教、生难学、学生动手实践能力差的现象，尽管部分学生在考试中取得了不错的成绩，可走上工作岗位后仍然无法独立进行单片机系统设计，创新设计更是无从谈起。因此进行单片机课程教学改革，探索有效的教学手段及方法以提高学生实践创新能力是很有必要的，符合创新人才培养目标以及提高大学生创新实践能力的主旨思想，具有积极的意义。

1 单片机课程教学改革的必要性

1.1 单片机课程的特点[2,3]

(1)单片机课程内容丰富，涵盖了硬件资源、软件编程以及应用设计三大部分，三者之间内容跨度大，但又相互渗透、紧密联系，这就要求在有限的学时及资源下透彻讲解三者之间的关系。

(2)单片机课程应用性及实践性非常强，不但与后续的专业课程、课程设计、毕业设计联系非常紧密，而且是学生动手实践和创新活动的基础，这就要求单片机课程应与实践教学相结合。

(3)单片机课程的很多教材内容与工程实践的要求相比相距甚远，这就要求教师在单片机课堂教学中将书本教学内容与工程实践结合起来。

1.2 目前教学存在的问题

(1)特别注重理论知识的学习，忽略了动手实践及技能的培养，而现在的企业更注重毕业生在系统设计和C语言编程方面的动手实践能力。

(2)现有的教学模式是以学生通过考试为目的，忽略了工程设计方面的训练。

(3)教学方法墨守成规，缺乏生动、直观的教学手段。

(4)教学内容编排缺乏灵活性，即按照硬件结构、指令系统、汇编语言设计、外部系统扩展、接口技术和应用系统设计的思路教学，虽然思路清晰，但过于机械，缺少与实践相联系[1]。

(5)实验中往往是学生根据实验指导书上预先设计好的实验项目和要求在实验箱上做简单的连线，学生头脑中没有一个整体原理图的概念，而且大多数学生都是用实验指导书上已经写好的程序资料或照抄别人的程序，几乎没有多少学生分析程序的流程，更不用说去研究读懂那些代码了。实验中学生过度追求实验结果，而忽略了硬件设计、软件调试等过程，严重影响了实验的教学效果，使实验教学近乎成为摆设，无法起到应有的作用[1]。

综合以上因素，急需对单片机课程的教学进行改革。通过到用人单位调研以及借鉴同行经验，提出从仿真与教学演示平台相结合教学手段、改变实验手段、增加技能考核手段、组建兴趣小组4个方面着手进行单片机课程教学改革探索，激发学生学习兴趣，掌握理论和实践应用技能，培养学生的动手实践能力和创新能力。

2 教学内容改革

2.1 仿真教学手段与教学演示平台相结合

单片机是一门应用性极强的课程，不适合采用传统的讲授法进行教学，应与多媒体教学、演示手段相结合，使学生有直观、清晰的印象，加深学生的理解。

在课堂上演示单片机的设计和调试几乎不可能，更不用说演示单片机的内部工作机制以及工作时程序对单片机内部寄存器状态的影响。而Proteus 仿真软件是单片机课堂教学的先进助手，可以将单片机原理、工作过程以及实例功能这些抽象的概念、运行过程形象化、具体化，因此将Proteus仿真软件引入到单片机课程教学中，结合Keil C调试编译软件，通过快捷、方便直观且形象化的教学演示，同时硬件电路可根据教学内容随时进行更改，也能随时修改程序，即刻显示仿真结果，帮助学生理解理论知识。例如，在讲解汇编指令时，通过Proteus可以将单片机的存储器、寄存器的内容展示在学生面前，指令的执行效果一目了然，有助于学生对指令的理解，同时也加深了对单片机内部资源的理解，为以后的设计打下基础。同时利用Proteus软件可以将书中前后知识点以及例题综合起来形成复合例题，贯穿多个知识点，可以使学生对学到的知识加以形象直观的理解并学会如何综合利用，对于提高学生的理解有着极大的帮助。图1是出租车计价器的Proteus仿真图，可以将数码管动态显示、外部中断2个知识点相结合，而且与生活中的应用相结合，不但使学生学到了知识，而且学会了如何设计系统。增强了学生感官认识，提高学生对授课内容的理解和学习的兴趣，达到对单片机有深入透彻的了解，使学生会利用单片机来完成相应的任务要求。

图1 出租车计价器的Proteus仿真图

尽管Proteus仿真效果非常好，但是在某些情况下仿真效果与硬件实际效果存在着一定的差别，尤其是在学习硬件部分，出现这种情况时应以硬件开发板演示实际效果，不能一味使用仿真，脱离实际。因此在演示外部扩展设计(按键、数码管、计数器应用等)时，采用仿真手段与教学演示平台实物演示相结合的方式，使学生摆脱枯燥的学习过程，激发学生的浓厚兴趣，从而达到愿意学、乐学的目的，让学生深入地掌握相应的知识。

通过单片机仿真教学手段与教学演示平台相结合，对比仿真与实物的效果，使结果更加具体化、形象化，充分体现了理论教学、仿真教学与实践教学的有机结合，能够充分调动学生的好奇心与求知欲，激发学生的自学及创造能力，从而提高单片机课程的教学效果及教学质量。通过仿真教学手段与教学演示平台相结合教学方法的实施，已经充分体现了这种教学方式的优势，对于提高学生的学习兴趣具有积极的推动作用。

2.2 改变实验手段

单片机是一门实践性很强的课程，实验教学尤为重要。为提高学生的动手实践能力，应注重实验方式的升华，实验要符合大学生的实际情况以及就业需求，应注重能力培养，切实达到实践能力培养的目的。

目前普遍采用的实验模式是学生根据实验指导书上预先设计好的实验项目和要求在实验箱上做简单的连线，无法在学生头脑中形成一个整体原理图的概念[1]；而且实验箱所采用和展示的设计技术已经脱离目前工程师所采用的实际开发技术，因此造成了学生无法对最新设计技术进行了解；同时由于学生过度追求实验的结果，而忽略了硬件设计以及软件调试过程，严重影响了实验的效果[1]。因此利用自主开发的实验平台进行实验，在该实验平台上有着目前实际工程师采用的最新系统设计技术，通过在此实验板平台上完成实验，可以使学生熟悉在应用系统内调试程序，并且掌握调试方法，增强学生的动手实践能力，为学生走上工作岗位顺利进入角色奠定基础。

但是在教学改革实施过程中发现，仅仅利用上实验课程的时间完成实验教学，其效果虽有所提高，但并不是特别显著。因此设计开发了一款功能齐全的单片机学习实验平台(如图2所示)，兼顾课堂教学演示和实验教学，将课堂教学和实验教学有机结合起来。在上课伊始就将学习实验平台的PCB电路板下发给每个学生，并配以必要的器件，既可以让学生在课程的学习过程中进行课堂讲授内容的验证，又可以进行实验的预习以及实验的巩固，大大提高了学生的动手实践能力。

图2 单片机学习实验平台

2.3 增加技能考核手段

目前普遍所采用的技能考核手段为在实验箱上对做过的实验内容进行变更，让学生在规定的时间内完成编程设计，此方法不利于增强学生的实践能力和创新能力的培养，因此增加技能考核手段，能够增强学生的动手实践能力。采取的措施是在课程考试前由学生选择以下技能考核方式之一完成技能测试。

(1)学生在上课期间根据下发的单片机学习实验平台进行学习，期末教师根据学习实验平台上的资源出考核题目，学生在规定的时间内完成编程测试，根据情况评定成绩。

(2)自己动手制作，根据教师给定的题目(课程前期下达)，在考试前完成相应设计制作，根据情况评定成绩。

(3)在单片机仿真软件Proteus中完成原理设计、编程以及调试，考试前独立完成，根据情况评定成绩。

同时将技能考核分数由原来的10分提高至30分，这样通过增加技能考核手段能够培养学生的自学能力、动手实践能力和创新能力，有利于学生综合运用所学知识。

(4)组建兴趣小组

组建单片机课外兴趣小组，带动学生的学习积极性。课程伊始就把对单片机有浓厚兴趣的学生组成课外兴趣小组，定期进行培训、答疑，组织他们进行课外活动，组装和调试小制作，然后进一步利用Proteus 和Keil C软件以及单片机学习实验平台让他们自己设计开发项目，逐步引导完成学生自己的创新设计，以培养学生的创新意识、创新精神和开拓能力；并以此带动更多的学生加入学习行列中。同时组织学生积极参加校级及省级的创新创业训练计划项目以及参加各种竞赛，通过项目及竞赛，可以使学生充分了解自己的情况，激发学生的热情，很好地发挥学生的主观能动性，充分提高学生的动手实践能力及创新能力，为走上工作岗位打下良好的基础。

3 单片机教学改革效果

通过近两年教学改革的实施，取得了一定的成绩，学生的动手实践能力得到了全面的提升，学生在参加“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生电子设计竞赛、机器人竞赛、飞思卡尔智能车等各种比赛中，取得的获奖组数较以往有了较大的增加，而且获奖的等级也提升了，在Robomasters2015全国大学生机器人大赛及2015年全国大学生电子设计竞赛中获得全国一等奖，取得了近年来最喜人的成绩。

4 结束语

在“大众创业、万众创新”的背景下，以“加强学生专业基础，结合实践促进创新实践”为主的教学改革势在必行，因此针对单片机课程教学存在的问题进行了改革尝试，经过近两年的小范围实验证明所采用的方法切实可行，取得了良好的教学效果，不但激发了学生的学习兴趣，而且培养了学生的动手实践能力及创新能力，符合创新人才培养目标以及提高大学生创新实践能力的主旨思想，为探索合理有效的教育教学方法和手段奠定了基础。

参考文献

[1] 宋清华,姬利娜.应用型工科院校单片机教学改革的探索[J].中国包装工业,2013(14):93.

[2] 张子红,刘鑫.基于Proteus的单片机课程教学改革[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(11):15-18.

[3] 任国臣,陈晓英,蓝和慧,姜丕杰.单片机原理及接口技术实践教学改革与实践[J].辽宁工业大学学报:社会科学版,2014,16(5):141-142.

Explore Teaching Reform of Single Chip Microcomputer Curriculum Improve Students' Practice and Innovation Ability

Guo Dong, Bai Rui, Lan Hehui, Chen Xiaoying School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

Abstract:According to the necessity of the curriculum reform of SCM (single chip microcomputer) and the existing problems in the teaching of SCM, the teaching reform of the SCM is explored from the aspects of combination of simulation teaching method with teaching demonstration platform, change of the experimental method, increase of skills evaluation means, formation of interest groups. Through the implementation of teaching reform in the past 2 years, the good teaching effect has been achieved. The students' learning interest has been stimulated. The students' practical ability and innovation ability have been trained.

Key words:single chip microcomputer; practiceability; innovation ability; teachingreform

基金项目：2014年辽宁省普通高等学校本科教育教学改革研究项目(编号：UPRP20140643)；2014年辽宁工业大学教学改革项目(编号：2014031)。

作者简介：郭栋，博士，副教授。

收稿日期：2015-12-23