面向应用型人才培养的单片机教学改革与实践*

◆张焕梅 郭芸俊 叶瑶 田静

1 引言

近年来，应用转型成为地方高校的趋势和潮流，应用型改革的重点是“以能力为导向，以应用为目标”[1]。因此，在培养学生掌握基础知识的同时，应更注重其学习能力、实践能力、就业能力及创新能力的培养[2]，体现在课程方面，不仅需要培养学生的专业理论知识，更为重要的是需要培养学生的按需学习能力和知识应用能力，从而最终实现就业时跟企业工作的无缝对接[3-4]。

目前，随着单片机广泛应用于工业控制、智能仪表，智能家居等工作生活的各个领域[5-6]，社会对从事单片机应用开发人才的需求量也与日俱增[7]。因此，结合太原工业学院向应用型本科院校转型的需求，单片机课程也在不断改革中适应时代的发展。

2 课程教学现状及特点

单片机是太原工业学院机械电子工程专业开设的一门专业基础课，要求学生掌握单片机有关软硬件及接口技术等相关概念，能根据实际需求设计出应用系统[8]。该课程在学生毕业设计及就业时起着举足轻重的作用。传统单片机教学以单片机的原理与结构为主线，重视知识的完整性，导致学生在学完课程后，虽应付考试没问题，但并不知道所学知识有什么用。等到真正工作时，因需将知识重新有机组合以形成应用能力，就会出现无从下手的局面[9]。而大部分企业均要求学生毕业工作时就有一定的动手能力及工程开发经验，这也是目前社会对大学毕业生不太认可的主要原因，这些因素促使高校向应用型转型并加快课程改革的步伐。

一直以来，笔者都比较关注单片机的教学改革，近年来的很多学者也在分析单片机课程特点、教学现状等基础上，提出各种教改方法及手段，例如：优化教学手段，采用Proteus 和Keil 等构建虚拟仿真实验环境[10-11]；采用“项*计算器是指利用程序查询方式、并行I/O 连接实现输入输出目驱动法”“问题导向”“案例教学法”等教学模式[12-14]；改革考核方式等[15]。太原工业学院师资力量薄弱，实验设施落后且采用大班合堂授课，但在真正实施时可行性较差，教学效果也并不太好。因此，结合学院实际情况，本文提出一种在单片机教学中行之有效的教改方法，即在整个课程讲授中以一个大案例为主线贯穿始终的案例教学法[16-17]。

表1 案例教学法的教学内容及能力培养

3 案例教学法的实施

案例教学法是以具体工程设计为目标，以案例为主线，根据案例要求，围绕案例中任务，组织引导学生一步步寻求解决问题的方法。学生在通过解决案例具体问题的过程中，学习和理解课程相关教学内容，并了解如何分析、设计单片机应用系统[18-19]，从而达到应用为本、以用促学的教学目的。

教学案例的设计案例的设计是案例教学法的关键，其合理与否将直接影响教学效果。设计案例时，首先应进行知识点的梳理，在梳理过程中不过度追求单片机本身的系统结构，应以知识的理解和应用为出发点，结合单片机技术的实际应用，尽可能把知识点通过一个设计主线贯穿融合到一起。案例还需要选材普通、简单实用、难度适中，使得每个学生都容易上手。对不能在案例中体现的知识点，通过趣味性小个例作为补充，以达成学生知识结构的系统性及促进自学能力的培养[20]。

本文从MCS-51 单片机的应用入手，选择贴近学生生活的计算器作为设计案例，该案例几乎涉及片内所有功能部件及各种扩展。通过该案例，可以系统地将MCS-51 单片机的片内功能部件相关知识利用起来。在此基础上，学生也可自行设计其他应用系统，培养单片机系统设计、应用能力及自主探究能力。

整合教学内容，调整教学顺序案例教学法的核心是对教学内容的重新整合。传统单片机课程的讲授，一般按章节编排顺序进行，包括单片机系统基本概念、硬件组成结构、汇编指令系统、内部功能器件（中断系统、定时器/计数器、串行通信）、单片机系统扩展及相关外围器件的应用等。而案例教学法以培养学生应用能力为主线，按案例重构课程内容，用案例组织教学，将单片机应用系统设计所需基本知识和能力穿插在案例完成的过程中讲解[21-22]。本文提出的“基于MCS-51 单片机的计算器”案例，具体内容及能力要求如表1 所示。

计算器是指使用中断系统、定时器/计数器、串行通信等单片机内部设备实现输入输出。经优化、重构后的课程体系，知识点从相对孤立提升到有机统一。从应用角度将知识点组织起来，由细节到整体对应用实现做出细致的讲解；从产品角度将知识的用途与工程设计方法结合起来，由需求表达功能，由功能选择技术，环环紧扣，逐层递进。案例具有一定的扩展性，充分调动了学生的学习主动性及积极性。

突出教学难点，保证教学效果在指令系统部分，为了避免学生因学习枯燥而产生畏难情绪，降低学习兴趣，在将计算器案例拆解成按键扫描、表达式计算和数码管显示等程序片段外，还引入一些经典的、具有趣味性的数学问题，用于学生编程能力的训练。如通过解决“喝汽水”问题，学习训练分支程序与循环程序设计。问题如下：

1 瓶汽水的定价为1.40 元，喝1 瓶汽水（瓶不带走）1 元；为节约资源，规定3 个空瓶可换回1 瓶汽水，或20 个空瓶可换回7 瓶汽水；为方便顾客，可先借后还，如借1 瓶汽水还3 个空瓶，或借7 瓶汽水还20 个空瓶。要求通过编程求解：m 元最多可喝几瓶汽水？m 个学生每人喝1 瓶汽水，至少需多少元？

此外，通过解决“三角形网格”问题，学习训练循环与递归程序设计。问题如下：

把一个正三角形的三边n 等分，分别与各边平行连接各分点，得“n-三角网格”，如当n=4 时，4-三角网格如图1 所示。要求通过编程求解：对指定正整数n，求n-三角网格中不同三角形（大小不同或方位不同）的个数；所有这些三角形的面积之和（设网格中最小的单位三角形的面积为1）。

图1 4-三角网格

这样，通过经典数学问题，训练了学生分析具体问题的思维习惯，从已知因素和求解内容两个方向入手，完成从现实问题到计算机模型的转换，从而锻炼学生的知识分析、应用能力，使其掌握单片机基本程序设计的思路、方法及过程。

案例教学法的局限性及解决措施由于案例教学法是通过有限的案例组织来实现教学目的，尽管案例是精心设计的，仍然不可能涵盖所有知识点。因此，在整个教学过程中还要在内容上做一些适当的补充。如在本例中，案例仅涉及开关量的输入和数字量的输出，而实际单片机应用系统中，很多场合均涉及模拟量的输入、输出。因此，应补充介绍单片机前向通道（A/D 转换、传感器输入）及后向通道（D/A 转换）等内容。

4 结语

本文结合单片机课程的应用性特点，通过“基于MCS-51 单片机的计算器”的案例化教改方法，经趣味导入，体现了以“学生为中心”的教育理念，培养了学生主动思考、分析、自主学习及解决实际问题的能力，提高了学生的工程素养及实践动手能力。经过两年的探索及实践，该方法取得较好的教学效果，提高了学生毕业设计的质量，学生就业后也得到用人单位的好评。该方法为应用型本科院校的人才培养和单片机课程教学改革提供了有益的思路和方法。■