基于转型升级-资源共享的单片机课程教学改革

2018-01-29胡必武雷瑞庭

实验室研究与探索 2017年12期

宋跃，胡必武，雷瑞庭

(东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东东莞 523808)

0 引言

2015年我校进入广东省高水平理工科大学建设行列，2016年电子信息工程、通信工程等专业进入一本招生，办学规格见长，高水平应用型人才的培养日显迫切，“单片机与接口技术”作为“微机原理及应用”“单片机及接口技术”合二为一的电类学科基础课程，在具有很强的基础原理性的同时，更强调工程实践性，在2010年广东省精品课程和2013年广东省资源共享课程“单片机与接口技术”的转型升级建设中，与企业一起，开展了对课程教学的改革与创新。

1 课程性质与教学定位

二合一课程始于2010年，80学时(含实验16学时)，在卓越工程师班开设课程设计1周。

目前，应用型电类专业学生在项目设计、创新竞赛、见工就业中，单片机是一门必不可少的专业技能，更是后续诸多高新技术的基础，在二合一课程中，如何让学生既要学好微机基础理论，满足本科教育可持续发展的要求[1，2],又要掌握先进的单片机仿真开发等实用技术，为此二合一课程教学设计为：以51TM单片机为中心，围绕单片机教学需要，适时推出相应所需的微机基础理论，着重突出单片机技术的先进性、工程性、实用性，最后以比较法教学，简单介绍80X86CPU与PC机，从而实现合二为一。

2 课程改革规划

2.1 教学理念的转变

教学理念是人们对教学和学习活动内在规律认识的集中表现，是资源共享课程建设的信念和指导思想[3]。教学理念转变是教学改革的基础，转变的核心是以“教”为主转向以“学”为主，“成果导向” “以生为本、以学为主”的教学理念应贯穿整个教学改革和课程建设的全过程。

2.2 知识结构体系优化与设计

教学内容是资源共享课程建设的核心，转型升级在更新教学理念的同时，还应有新的教学内容，并融入新的教学成果[2]。

从应用型大学定专业培养目标出发，以OBE(Outcomes-based Education)为导向，制定二合一课程标准，确立如表1所示的知识-能力-素质目标要求，以“使用集成电路、设计集成电路、优化系统结构”的核心专业能力培养为中心，突出“实用+先进+工程”的教学目标。

表1 课程目标设计

二合一课程教学中，不仅要处理经典与现代、理论与实践的关系[3-4]，还要协调基础与工程的平衡,既要求学生掌握一定的微机理论，突出本科基础教育的特点[1]，同时又要具有51TM机的开发应用能力。为此以知识点为基础，从课程目标和资源共享课程面向社会的要求出发，分为普适和特殊(面向卓越班、创新竞赛类等)二类不同阶段的学习目标[4-5]：

(1) 普适阶段目标。① 理解微机内部结构，熟悉51TM单片机基本资源;② 能够在μVision、Proteus仿真软件环境下搭建硬件、编写软件，完成小任务调试;③ 理解时序原理、接口分析方法，熟悉汇编和C51编程;④ 熟悉常用接口，掌握小系统设计过程和方法;⑤ 对教学实验和课程设计，完成选题-设计-仿真-调试的全过程。

(2) 特殊阶段目标。① 理解微机基本原理，熟悉51TM系统资源，熟练接口设计方法。② 熟练μVision、Proteus设计与调试，熟悉汇编和C51编程。③ 通过项目训练，掌握系统设计与调试方法。④ 对小系统完成设计-仿真-调试-制作的全过程。

围绕课程目标，改革单片机传统的知识编排，将课程划分为硬件、指令、编程、接口、开发及其他共6个模块，有利于讲解重点、难点，营造自学习空间，同时便于将难点分散在不同的模块上即不同的学习阶段上，合理分配教学任务，实现实验结果环环相扣，激发学生兴趣，变被动学习为主动学习。

2.3 层次化实验实践

为实现能力目标达成，在实验实践教学中，设计“基础实验+实训提高+课外创新+工程应用” 层次化的实验实践引导，普适阶段以完成基础实验为主，通过实训逐步实现课程基础实践能力的培养。

在特殊阶段，通过学生的创新创业、学科专业竞赛、科研项目训练，在培养工程实践能力的同时，以学生为主体开展知识产权申请、论文撰写基本能力的训练，同时将组织交往能力、项目合作能力的培养贯穿在项目训练的全过程，实现工程实践、论文撰写、研究合作、国际交往等综合能力的培养达成，继而全面提高综合素质。

2.4 与社会联合开展课程建设

加强与国内外本行业的龙头企业、研发机构合作，与行业专家一起，开展基于企业项目的课程设计和毕业设计，联合指导创新竞赛，开展融入行业标准的项目化教学案例开发，将案例教学写入教学大纲，以教学文件的形式纳入课堂教学。

3 课程改革的实施及效果

如图1所示是课程目标实现和专业核心能力培养的达成图。

图1 课程目标的达成过程

3.1 教学内容改革

与传统课程相比，从增加新技术新器件、软件仿真与汇编C51交叉融入教学、开辟自学习空间等环节入手，二合一课程对课程内容做了如下改革：

(1) 汇编与C51编程、软件仿真有机融合。在课程教学初期，汇编与C51采取对照编程模式，同时将Proteus、Keil C软件仿真与编程融为一体。

(2) 增加串行扩展等新技术，弱化并行扩展，强化最小系统。重点放在单片机最小系统，增加I2C、SPI、LCD、Flash器件内容，并通过实例讲解AT24C02、DS1302等串行接口器件和模拟时序编程方法。

(3) 强化开发与仿真软件的课外训练。将最新软件工具和仪器(如编程器、模拟仿真软件、硬件仿真器)适当地融于教学中，以期末实验考核计入课程总成绩，强化软件的实践训练。

(4) 增加最新单片机技术介绍。将国际上最新的单片机(如宏晶STC15系列)和其他非51单片机作简单介绍(如32位Cortex MCU系列STM32F1/F3 /L0等)，让学生课后去查阅相关资料，鼓励学生在各种训练中予以使用，特别是支持在应用编程IAP、在线调试 ICD的机型。

(5) 侧重共性基础技术，实施“有所为、有所不为”。对单片机的内部资源着重讲解常用的知识点，如重讲定时计数器方式1和2，串口方式0和1等，8155方式0和1等，节省教学资源，营造学生自主学习空间。

3.2 二合一教学资料

为满足二合一的教学需要，围绕层次化实验实践和核心专业能力培养，主编出版《单片微机原理与接口技术》教材，教材使用5年多，经过4次修改，满足教学需要。在第2版中，更加突出“实用+先进+工程”编写目标，注重软件仿真与硬件实验的结合，较多的工程案例资料导入教材，C51与汇编编程交叉融入教学案例，对典型案例同时提供汇编与C51对应的源程序，在介绍仿真软件μVision4、Proteus8使用的同时，教材(含习题)中针对常用知识点还穿插有实用仿真案例，为学生单片机实验实践提供实用的参考范例。

实验教学中，在课程网站上建有实验指导栏目，有针对多款实验装置编写适合基础能力培养的课内和课外的系列实验指导资料，有针对特殊阶段学习的课程设计指导和选题任务书等。

3.3 案例教学

以项目化为主线，融入企业标准，联合企业开展案例设计，将理论教学、实践环节串联在一起，在引导学生理解案例整体设计思想与方法的同时，更要关注案例中系统设计与具体知识点的关联和实现。

(1) 企业项目(如深圳诚创立、东莞创锐、东莞新兴钢具等)、科研项目、创新竞赛成果到工程案例的提炼：案例中展示的元素主要有案例背景、成果、系统设计及关键知识点的硬软件具体描述等，教学中对简单的设计进行现场讲解、演示，复杂的设计则制成视频录像或将设计文件挂在网站。

(2) 课程群案例开发：近2年在省级“嵌入式测控技术课程群”项目建设中，深度与深圳东莞多家龙头企业(如东莞龙昌、东莞博思等)、研发机构(如深圳信盈达等)合作，以最新成果为素材，基于行业背景，开展单片机与嵌入式系统的案例开发。

目前，在课程网站-设计案例栏目里有近120个不同案例供学生参考学习，其中工程案例13个。

3.4 构建课程训练体系，实现工程应用能力达成

在近年新进二合一课程实验设备的基础上，近4年在学科建设中，新置单片机开发与应用的高端仪器与设备近200套(台)40个品种，共投入人民币近300万元，基本形成单片机开发高新技术平台。

近8年来，自行研制单片机3大系列(即入门兴趣、接口技术和综合开发系列)16种板(共3代)共计400余套的单片机实验板，已17个学期免费发放到学生每个宿舍、创新小组、创新基地，供学生无偿用于课外学习，全部的技术文档已在网站共享，为课外实训提高和基础训练提供条件，实现实验课内课外的结合。

利用各种单片机开发板，在创新基地、创新中心通过教师科研、创新竞赛项目实现基本设计和制作能力的训练，实现如图2所示的从基础实验到工程应用能力的过渡。

图2 层次化实践能力培养达成图

教师按学术方向组建近10个创新竞赛指导群，扩建“大学生创新中心”近400 m2，与企业共建了“创新基地”( 东莞创锐、东莞博思、东莞拓扑)，通过东莞龙昌(基于东莞理工的国家工程实践教育中心)、东莞博思(课程合作企业)、深圳信盈达等企业开展项目的联合指导，为学生打造了课外科技训练平台，实现实践校内校外的结合。

课程结束后，引导学生开展ARM、FPGA、LINUX等先进技术的学习和综合应用，在 “创新中心”“创新基地”成立的各种创新创业、竞赛小组、科研小组，利用课余特别是假期，在指导群教师的指导下结合项目进行综合实践，逐步实现工程应用能力的培养达成。

3.5 改革实验教学，强化基础实验能力训练

(1) 课程内实验50% 为必做，由任课教师和实验老师指导在课内完成，另50% 为选做实验，由指导老师提供选题，课内学时由实验老师指导，课外开放时间由实验助理(学生)指导，期末进行实验考核，主要是考核学生对选做实验的熟悉程度，占课程总成绩的10%，以此强化实验能力的培养[6-10]。

(2) 对课内实验教学的内容与形式进行改革，减少演示验证性实验，开设基于OBE的小综合设计实验2个、大综合设计性实验1个，同时研制基于OBE的单片机的实训装置服务课外训练。

4 响应教学改革的课程开放资源

为响应6个知识模块而建设的14个课程资源类型(见表2)，基于精品课程建设，以基本课程文件(课程标准、课程大纲等)、视频(80节)、多媒体课件(系列PPT)、实验指导、课外实践(含有单片机3大系列板、单片机实验箱技术改造、仿PC机单片机实验板的资源说明、电路图、实验程序等技术文档)、习题试卷库等构成基本资源，对应单片机4大基础知识模块学习训练，基本实现课内课外的结合，精读教材与参考教材、文献、扩充读物的结合。

表2 课程知识与资源类型建设

围绕工程能力培养和素质提升环节，开展了拓展资源建设，突出课程的工程实践特点，为转型升级资源建设的重点，基于案例开发和联合指导实现校内校外、课程教材与实际设计素材的结合，资源类型除行业标准、作业系统与在线考试(源自网络教学平台)、器件资料、技术开发等栏目外，还设计有案例栏目(含工程案例、设计竞赛案例、企业案例等共计120多个)、应用资源库(近60个文档)、学生单片机成果库(含竞赛获奖、公开论文、知识产权70余项)等，通过网络资源的开发、集成和梳理，实现理论教学与工程实践的有机结合[11-15]。

2014年3月全面实施在线答疑、布置和批改作业、在线考试/测试、发布资讯等网络教学，同时建有300多题的试题库，运用网络教学平台，突破时空限制，增大教学信息量，建立教与学的交互平台。