基于“1-M-N”模式的单片机课程教学改革与实践

刘承桥，马 俊，李银轮，辛月兰

（青海师范大学 物理与电子信息工程学院，青海 西宁 810016）

0 引 言

如今，随着物联网、人工智能等技术飞速发展，人们的生活生产方式也随之改变。为适应社会对物联网、人工智能等方面人才的需求，各级政府及各类高校，从师资到教育设施，硬件到软件，均增加了对物联网、人工智能等方面的投入，把培养应用型和创新型人才作为一项核心任务[1-2]。为此，诸多高校都已进行或正在进行相应的教学改革。作为物联网、人工智能等行业的重要技术之一[3]，单片机是电子信息类、计算机类及自动控制类等专业的核心课程之一[4-5]。青海师范大学作为一所地处中国西部的省属高校，为适应我国教育发展，服务中国西部，立足青海省情，已开设电子信息工程专业二十余年，单片机课程一直是该专业的专业课程之一。近几年，为响应学校向工科院校转型，培养应用型和创新型人才的号召，我校电子信息工程专业做了一系列教学改革工作，单片机课程改革是电子信息工程专业教学改革工作的重要内容之一。通过教学改革，探索一种行之有效的教学模式，是提高单片机课程教学质量的重要途径之一。

1 单片机课程现状

1.1 单片机课程的特点

单片机课程是电子信息类、计算机类及自动控制类等专业的专业课程之一。该课程立足于基本原理知识的理解与掌握、技术应用和实际操作能力的培养与提高，理论与实践相长，是一门应用性非常强的课程[6-7]。

就学生而言，学习单片机课程，需具备电路原理、电子技术、C语言等相关基础知识，以及一定的计算机操作能力[8]。学习过程中，学生需要将理论知识的学习与实验操作相结合，充分理解与掌握理论知识，培养和提高实践技能。

就教师而言，教授单片机课程，需要扎实的理论知识和较强的实验操作能力。另外，丰富的工程实践经验是教好单片机课程的重要素材。在教学中，教师需要将理论知识的讲解与实验操作及工程实践相结合[9]，并留给学生充足的实验操作时间与空间，让学生充分掌握理论知识与实验技能，提高教学质量。

1.2 单片机课程教学存在的若干问题

近年来，青海师范大学电子信息工程专业单片机课程教学质量有了一定的提高，但依然存在若干问题。主要体现在课时分配、实践教学内容、授课方式和考核方式四个方面。

（1）课时分配不合理

青海师范大学电子信息工程专业单片机课程课时分配见表1所列。

表1 青海师范大学电子信息工程专业单片机课程课时分配表

从表1可以看出，单片机课程总课时基本合理，但实验课时量太少，不利于对学生实践能力的培养与提高。

（2）授课方式缺乏创新

良好的授课方式对提高教学质量有着至关重要的作用，目前的授课方式已不适应单片机课程的发展要求。主要表现为以下几方面：

①理论课堂与实验课堂分开。单片机课程应用性较强，需要在实践过程中深化对理论知识的理解。将理论课堂与实验课堂分开，导致学生不能将理论与实践有效结合，对理论知识理解不透彻，实践能力得不到有效锻炼[10-11]。

②以单片机实验箱为实验平台。在单片机实验箱上，学生不能看到电路原理图，缺乏对电路功能的自主分析，只能按照实验指导书或老师的要求进行程序的编写与调试，弱化了对学生实际问题分析能力的培养[12-13]，且实验箱一般体积较大且价格较高，不方便学生带出实验室，不利于学生自主学习。

③师生人数比较低。目前，实践教学的师生人数比小于1∶33。在规定的教学时间内，学生得到教师指导的机会较少，且深度不够，学生的实践技能不能得到有效提升。

（3）实践教学内容不够新颖

单片机的重要作用主要体现在与其他电子器件（如传感器件、显示器件、存储器件等）共同组成具有数据采集、数据处理、数据存储与传输等功能的电子系统。因此学习单片机的本质是学习如何用单片机与其他电子器件共同组成具有一定功能的电子系统。而当前时期，新器件更新速度飞快，基于单片机的电子系统日新月异。基于传统电子器件的经典的单片机实验，如流水灯实验、数码管显示实验、按键实验、串行通信实验，I2C总线实验等，依然是单片机实验课堂的主要内容。尽管这些实验能够体现单片机课程的核心内容，但用到的电子器件较陈旧，功能简单，使得实验课堂与科技前沿脱节，不利于学生接触科技前沿知识，限制了学生的眼界与思维，不能很好地激发学生的学习兴趣[14]。

（4）考核方式有效性较弱

目前，青海师范大学电子信息工程专业单片机课程的考核由平时表现、期中考试和期末考试三部分构成。其中，期末考试是闭卷形式的理论知识考试。课程总成绩由平时成绩、期中考试成绩和期末考试成绩三部分组成。三部分成绩所占比例见表2所列。

表2 青海师范大学电子信息工程专业单片机课程成绩分配表

结合考试形式和表2可以看出，单片机理论课成绩比例过大，即使将平时成绩和期中考试成绩全部以实验成绩给出，也只占课程总成绩的40%，比理论课考试成绩少得多。并且，闭卷形式的理论知识考试只能在一定程度上体现出学生对部分理论知识的掌握情况，并不能有效体现出学生的实践操作能力，更不能有效体现出教学质量[15]。

以上四方面问题制约着单片机课程教学质量的提高，不利于培养应用型和创新型人才。

2 “1-M-N”教学模式的概念

好的教学模式应能够反映出课程的特点，且有利于课程教学质量的提高。“1-M-N”教学模式注重理论与实践结合，以提高学生理论知识水平，培养和提高学生实践技能为目的。其中，“1”表示1位老师，“M”和“N”分别表示M名学生和N名学生。“1-M-N”教学模式的概念图如图1所示。

图1 “1-M-N”教学模式概念图

“1-M-N”教学模式将授课班级的学生分成两部分，一部分有M名学生，另一部分有N名学生，且M

3 “1-M-N”教学模式在单片机课程教学中的应用

针对单片机课程教学过程中存在的问题，“1-M-N”教学模式在合理选取M和N值的基础上，从授课方式、授课内容和考核方式三个方面进行了改革和创新。

3.1 M和N值的选取

截至目前，“1-M-N”教学模式已经应用于2013级电子信息工程班（用G1表示）、2014级电子信息工程技术（大专）（用G2表示）、2014级电子信息工程班（用G3表示）的单片机课程教学中，并正应用于2015级电子信息工程班（用G4表示）单片机课程教学中。以上各班级的学生总数、M值、N值及（M+1）∶N见表3所列。

表3 授课班级的M和N值选取表

从表3中可以看出，M=2或3。较小的M值，便于教师开展高质量的授课工作。（M+1）∶N远大于1/20，不仅能够让大部分学生得到更多的指导，也能够充分发挥优秀学生在学习中的榜样作用。

3.2 改进授课方式

良好的授课方式是学生获取知识、提升能力的重要途径。“1-M-N”教学模式从以下几方面对单片机课程授课方式进行改进。

（1）将理论课堂与实验课堂合二为一

在总课时量不变的情况下，将理论课堂与实验课堂合二为一，使教师能够根据课堂实际需要灵活分配理论课时与实验课时。一方面，教师可结合口述、PPT演示及实验操作，将知识诠释得更加清楚；另一方面，学生可及时将理论知识与实践有效结合。同时，这种授课方式能够极大地活跃课堂气氛，增加师生之间的互动，激发学生的学习兴趣，提升课堂教学质量。

（2）以单片机实验开发板为教学平台

与传统的单片机实验箱相比，单片机实验开发板具有学习资源丰富且开放、便携性好、价格较低等特点。

首先，单片机实验开发板具有丰富且开放的教学资源，为学生提供了一个良好的学习平台。一方面，开放的硬件电路，能够让学生知晓整个实验系统的构造，学生可在认真分析电路的基础上，编写驱动程序，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力。另一方面，单片机实验开发板配备丰富的例程、视频教程及相关文档资料，便于学生查缺补漏和拓展学习，提高学习质量。

其次，单片机实验开发板便携性好的特点可实现实验场地的可移动性。除了正常的实验课之外，学生可根据自身情况，将实验场地搬出实验室，在自习室、宿舍等地方继续学习。如此，学生便有更多的实践时间和相互交流的机会，有利于提升实践技能。

再次，相对于传统一两千元的单片机实验箱，单片机实验开发板价格较低，普遍在一两百元左右，大大降低了教学成本。

（3）以基础实验为主，鼓励创新实验

实验课堂以基础性实验为主，启发学生分析问题、解决问题，鼓励学生发散思维，进行创新性实验。对于完成创新性实验的学生给予加分鼓励。

（4）预告实验教学内容

每学期的第一周将本学期单片机实验教学内容向学生公布，学生可根据自身的学习情况合理安排自己的实验学习进度，充分发挥学生的学习自主性。

3.3 创新教学内容

新颖、实用的单片机课程内容对提高单片机课程教学质量有重要作用。“1-M-N”教学模式从以下几方面对教学内容进行创新：

（1）教学内容紧密结合当前生活生产

如在串行通信这一模块知识中，结合单片机在ZigBee，WiFi，GPRS等无线通信领域的应用进行教学。与生活生产相结合，更能体现出单片机的实用性，也能够激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性。

（2）实践教学中注重新器件的使用

除传统的元器件之外，实践教学更多地选择使用一些新型、较先进的元器件。如选用贴片元器件、OLED显示屏、AM2301温湿度传感器等。选用新型、较为先进的元器件，能更好地让学生接触科技前沿，拓展学生的知识面，提升学生对新器件的应用能力。

（3）教学过程中引入工程实践案例

工程实践案例对课堂知识学习有着良好的指导作用。教师将自身或者他人的工程实践案例引入教学，能够让学生更加充分地认识所学知识在实践中的应用，有助于学生对所学知识深入理解和掌握，拓宽学生的知识面，提高学生的认知能力。

（4）增加拓展实验项目

除必做实验项目之外，增加拓展实验项目，供学生自主选择学习。鼓励学生选做拓展实验项目，并对完成一定数量拓展实验项目的学生给予相应加分。学生通过自选并完成拓展实验项目，一方面提高了学习的自主性和积极性，另一方面也提高了实践技能，并能自检学习效果。

3.4 优化考核方式

合理的考核方式能有效地反映出课程的教学质量。针对目前单片机课程考核方式有效性较弱的特点，“1-M-N”教学模式从考核结构、考核形式、考核内容、成绩分配四方面，对单片机课程考核方式进行优化。优化后的课程考核由理论课考核和实践课考核两部分组成，各部分的考核形式、考核内容及成绩的分配与计算等见表4所列。

表4 单片机课程考核方式说明表

从表4可以看到，优化后的单片机考核方式中，理论课考核依然采用闭卷考试的形式，题目来自于课本，其成绩占总成绩的百分比较原来的60%降低到了40%。实验课成绩由必做实验成绩和拓展实验成绩两部分组成，其值占课程总成绩的60%。其中，必做实验成绩占课程总成绩的40%，拓展实验成绩占课程总成绩的20%。

优化后的考核方式既能让大多数普通学生取得合理的成绩，又能让少数优秀学生取得更好的成绩；既体现了对学生理论知识的考核，又注重对学生实践能力的考核，能够较客观地反应该课程的教学质量和学生的学习效果，并能激励学生积极进取。

3.5 应用效果

将“1-M-N”教学模式应用在G1，G2，G3三个班级的单片机课程教学中并取得了一定成效。其中，在实验教学、本科毕业论文、大学生电子设计竞赛三方面表现较为突出，具体情况分别见表5～7所列。

表5 “1-M-N”教学模式在单片机实验教学方面取得的成效

由表5可知，在“1-M-N”教学模式的实施过程中，各班完成全部必做实验项目的学生人数占专业总人数之比及各拓展实验项目完成人数占专业总人数之比均呈递增趋势。充分体现了“1-M-N”教学模式能够充分调动学生的学习积极性，注重学生实践技能的培养与提高。

表6 “1-M-N”教学模式在本科毕业论文方面取得的成效

从表6可知，采用“1-M-N”教学模式后，本科生完成的与单片机相关的毕业论文数占完成论文总数的百分比有了较大幅度的提高，且呈递增趋势。正因为掌握了单片机基本理论知识，并具备一定的单片机实验技能，学生才选择并完成与单片机相关的毕业论文。通过对比分析可知，“1-M-N”教学模式有效促进了学生对单片机课程理论知识的理解与掌握及实践技能的培养与提高。

表7 “1-M-N”教学模式在大学生电子设计竞赛中取得的成效

单片机在电子设计竞赛中使用广泛。在电子大赛中取得的好成绩说明学生具有较好的单片机应用能力，充分体现了“1-M-N”教学模式能够有效地提高学生的实践技能。

4 结 语

“1-M-N”教学模式在现有培养方案和课程体系下，从授课方式、教学内容及考核方式三方面对单片机课程教学进行了改革和创新，使得单片机授课方式更加灵活和有效，教学内容更加新颖并与时俱进，考核方式更具有效性。“1-M-N”教学模式注重理论与实践相结合，强调“以做促学，学做统一”，充分发挥学生的学习自主性和优秀学生的榜样作用，培养和提高学生的理论知识水平和实践技能。从电子信息工程专业近年来在单片机课程教学、本科生毕业论文及专业赛事三方面取得的成效可以看出，“1-M-N”教学模式能够体现单片机课程应用性强的特点，积极促进学生理论知识水平、实践操作能力及创新能力的培养与提高，对提高单片机课程教学质量和培养应用型及创新型人才具有很好的促进作用。