面向应用能力培养的单片机课程教学探讨与改革实践

潘 辉 常新华 候典立 邱相艳

鲁东大学信息与电气工程学院 山东烟台 264025

单片机技术被广泛地应用于工业设备、仪器仪表、家用电器等的智能化控制，更是物联网时代构建感知层不可或缺的技术之一。因而具备单片机开发能力的人才，社会需求度高，就业前景良好。鉴于单片机技术对于应用型人才培养的重要性，我院在电气、电子、计算机方向的多个专业均开设了相关课程，并在2012年启动的山东省名校工程专业建设中将单片机系统与应用课程列为重点建设课程。

单片机课程作为典型的工程技术类课程，具有技术更新快、实践要求高、综合性强的特点[1]，因此尽管理论难度不高，对于初次接触该领域的学生也有一定的困难。针对单片机的授课特点，我院单片机课程组通过长期不懈的努力，围绕工程教育的理念，以学生为中心，以面向应用的能力培养为导向，对课程内容的组织、传递、实践、考核等多方面进行了改革和建设，在传授专业知识的基础上，更着眼于提高学生的技术能力和工程素养。

1 单片机课程教学问题探讨

单片机课程位于课程体系的上层，与组成原理一类的专业基础课程存在明显的不同，这些课程讲授的原理性知识具有抽象、稳定的特点，作用于知识平台的底层，而单片机课程则是一门活学活用、与工程应用紧密结合的系统性课程。课程授课目标不仅仅局限于课本上原理性知识的传授，更多的意义在于对学生能力的培养，包括对硬件设计相关知识的综合、对系统分析和设计思路的训练以及对应用技能和工程素养的培养[2]。对于一门课程而言，要达到这样的授课目标，显然是较为艰巨的，以下对存在的主要问题进行分析。

1.1 授课内容的组织方式

多年来，单片机课程形成了较为完整的课程内容体系。该体系一般依托8位的51内核单片机，从内向外，由处理器内核、集成器件到外围扩展，依次介绍以单片机为核心的微型计算机的工作原理、构建原理、设计思想和实现方法，即按照计算机系统的体系结构组织授课教学。这种内容组织方式不能体现课程的工程应用特点，存在理论性强、实践性弱的问题。首先，前期课程难以开展实验教学活动，理论内容抽象、枯燥，不利于学生快速入门系统开发的各种工具和流程；其次，脱离应用，造成的弊端是学生不清楚知识用到哪儿、怎么用，等到要用的时候已经忘掉了前面所学的内容，所以学习效果往往不好。因此，应考虑改变原有的授课组织方式，以应用为中心重新组织授课内容。

1.2 核心单片机的选择

单片机技术已有超过四十年的发展历史，与通用处理器不同，为适应不同的应用，单片机具有种类繁多、多性能并存的特点，而单片机课程大多选择讲授8位的51兼容单片机，这是因为51内核应用广泛，资源丰富，且8位机相对简单，容易上手。但在集成制造技术高度发展的今天，32位嵌入式控制器的性价比已经远远优于51兼容单片机，因此在实际工程应用中，已逐步摒弃了传统的51单片机，更倾向于采用在性能、可靠性、可编程性等多方面更具优势的32位嵌入式控制器。那么，单片机课程的教学，是否应该做出相应的调整呢？这就需要根据专业培养体系的设置，针对不同专业，综合考虑，合理地改革课程的教学内容，以期在有限的学时内，既能为学生奠定牢固的知识基础，又能改进课程的先进性，并为学生以后的就业创造一定的优势。

1.3 学时对授课效果的限制

我院单片机课程根据专业的不同，分别设置为课堂教学32学时或48学时，实验教学16学时，而单片机课程知识点多，对工程实践能力的培养要求高，通过合理地组织教学内容，能够在一定程度上提高授课效率，但是能力的培养非一朝一夕之事，仅仅依靠上课时间恐怕很难达到预期的培养目标。这就需要想方设法，通过建立激励考核机制，建设丰富的网络课程资源，激发学生的学习动力，使学生能够有效利用课外时间，有步骤、持续性地进行课外学习，为提升授课质量提供一定的保障。

2 我院单片机课程实施的教学改革情况

2.1 打破传统授课体系 围绕应用案例组织教学

鉴于按照计算机系统结构组织的授课体系存在入门难、理解难、应用难的问题，我们对单片机课程进行了改革，采取 “问题驱动，实例贯穿”的案例驱动方式，重新组织了课程的授课内容。如图1所示，在遵循认识规律的前提下，由简单到复杂选取多个案例，每个典型案例在运用前期知识的基础上，再涵盖2～3个新的理论知识点。采用这种教学组织形式，改变了原有授课内容的抽象性，使原理性知识具备了应用背景。授课过程中，通过应用需求提出问题，导入新的知识，让学生明白“为什么要学”“学了可以用来做什么”；讲解过程中结合案例，随堂演示，让学生学习“怎样用”；同时，注重问题的关联，引申案例，让学生了解“还可以用在哪儿”；课后，通过模仿、实现案例开展有效的课外实践，让学生真正“学会用”。由此，既可加深学生对知识的理解和融会贯通，培养学生的硬件设计思维，又可提升学生的学习兴趣，锻炼学生动手能力，符合授课目标的预期要求。

图1 采用案例驱动的授课内容组织结构

2.2 合理调整教学内容 顺应技术发展趋势

我院开设的单片机课程名称为单片机系统与应用，表明课程的授课内容既包含单片机系统构建的一般原理性知识，又要体现课程的特点，与应用紧密结合，讲授主流技术，避免与社会需求相脱节。近年来，传统51单片机已逐渐退出主流应用，但考虑到其易学易用，对于初学者而言仍是最好入门的，因此传统的授课内容仍围绕51内核单片机展开。另外，考虑后期学生科技创新和企业对学生能力的要求，课程则应选择当前更为常用的控制器，例如Cortex M系列的32位控制器，但这类控制器的结构复杂，且编程过程中采用了封装良好的固件库，屏蔽了底层硬件特性，因此不适合作为学生的入门单片机开展教学。那么如何解决这一矛盾呢？通过分析授课内容，不难看出，课程内容可分为单片机内核的架构、集成外设、标准接口知识、通用外设的应用方法几大部分，其中，如图1中的“51单片机特性部分”与具体的单片机类型相关，其余内容则具有通用性，与单片机类型关联小，可应用于任何单片机及嵌入式系统的构建。综合考虑入门的难易程度、学生能力、学时、专业课程设置等多方面的因素，对于后续未开设“嵌入式系统”相关课程的电子和自动化专业，将单片机课程划分为两部分，基础部分的32学时以51内核作为典型单片机，扩展部分的16学时引入采用Cortex-M3内核的32位控制-STM32，就内核和集成外设进行升级讲解，使这些专业的学生能具备基本的STM32控制器的设计和开发能力，以应对未来就业需求。

2.3 重视实践教学地位 丰富实践教学层次

在改革授课体系和授课内容的基础上，为避免“纸上谈兵”，更好地培养学生的动手能力和工程素养，就要发挥实践教学的重要作用。作为工程技术类课程，实践教学对单片机课程而言尤其重要，为此，我院针对单片机课程开展了多种形式、多个层次、内容丰富的实践教学。第一层次为课内实验，即与授课内容紧密结合的单元性实验，包括实验课和作业两种形式，验证型、设计型和综合型多种类型。课内实验采用Proteus虚拟实验和硬件实验台相结合的方式，设计难度递进的多个实验题目，突破实验条件和实验学时的限制，方便学生开展与实践结合的课外延续性学习。通过课内实验的良好开展，能够有效地帮助学生理解课堂知识，熟悉硬件模块的开发方法，锻炼工具的使用技能，逐步培养硬件系统设计思路，为进行完整的单片机系统设计与开发打下牢固的基础。第二层次为单独设课的单片机课程设计，作为综合性实践教学环节，能够体现学生对本门课程所学内容的运用和提升。课程设计以2～3人的小组为单位开展，采用核心板+扩展面包板的形式，由学生自行设计题目、选择元器件、设计原理图、焊接电路并完成控制程序的编程、调试。通过课程设计，不仅能够培养学生的技术能力，还在很大的程度上锻炼了包括学习能力、沟通和团队合作能力、克服困难的能力以及认真负责的工作态度等各方面的工程素养。第三层次为参与竞赛创新，通过在单片机课程中积累的在工具、硬件设计和编程能力等方面的技术，综合多门学科的知识，很多学生在后期参加了“电子设计大赛”“互联网+大赛”“大学生科技创新大赛”等各种竞赛，使自己得到进一步的锻炼。

2.4 改革课程考核机制 促进课外延续性学习

如前所述，单片机课程工程实践性强，想要学好这门课，仅靠课内学时是不够的，为此，课程组建设并完善了课程网站，提供了与课程配套的网络学习资源和在线互动辅导，为学生的课外延续性学习提供了条件支持。但要促进课外延续性学习的顺利开展，更多的要靠学生自身的主观努力意愿，而考核机制则恰恰在此发挥着重要的作用。合理的考核方式不仅应体现学生对课程的掌握情况，也应起到激发学生学习动力、指导学生学习方向的作用。因此，我院的单片机课程采用持续的过程考查与课程设计成绩相结合，给出最终评价的考核方法。首先，过程考查作为形成性评价，其作用在于督促学生注重日常学习的过程，始终保持良好的学习状态。评价内容包括日常教学过程中的课堂表现、实验表现和作业完成情况，这些项目均以一定的权重记入成绩。其中，采取“逐次计分，单次否决”的作业计分方式，可有效促进学生自觉开展课外延续性学习，作业的内容则以实践为主，包括电路图设计、分析、控制程序编程、手册阅读报告等等，从而保证学生能够利用课余时间得到充分的应用能力训练，达到开展课外延续性学习的目的[3]。其次，将课程设计成绩作为课程的终结性评价，能够综合体现课程的学习成果。单片机课程的最终学习目标是能够掌握并综合运用单片机系统的相关设计技术进行实际应用系统的开发，而课程设计中完整系统的设计开发过程则恰恰能够反映出学生的相关能力。根据设计的难易程度、完成情况、创新性、答辩表现、报告书写等多方面给出课程设计的成绩与日常形成性评价成绩相结合的考核方式，能够以考促学，促进学生知识和能力的全面发展，起到提高课程教学质量的作用。

3 结语

通过分析课程性质，合理定位课程的培养目标—培养社会及企业需要的工程应用型人才，针对如何改善教学效果，研究了教学中存在的问题，在我院的课程教学中实施了多种改革措施。通过案例重组的教学内容，强化了技术知识的应用背景和应用方法；通过调整教学内容，改善了课堂教学与实际应用脱节的问题；通过采取多级实践教学，提高了学生的工程技术技能；通过合理的激励机制，促进了学习的积极性，保证了上述改革措施的实施效果。在今后的教学中，还应密切关注相关行业发展的需求，不断总结、调整课程教学的内容和方法，才能进一步提高人才培养的质量。