单片机课程教学改革与实践

肖 军 栾江峰 袁剑锋 林兆花

北京师范大学珠海分校 广东珠海 519087

单片机原理与应用是北京师范大学珠海分校工程技术学院(以下简称“我院”)电气工程及自动化、测控技术与仪器专业开设的专业核心课程，单片机技术被广泛应用于智能家居、物联网、家用电器、工业自动化等领域。

“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛由工业与信息化部人才交流中心举办，教育部全国高等学校学生信息咨询与就业指导中心为支持单位，大赛旨在提高学生自主创新意识和工程实践能力，促进高校计算机、软件及电子专业就业指导工作。“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛下设电子类单片机设计与开发竞赛项目，赛题涉及数字电子技术、模拟电子技术、C语言程序设计和单片机原理与应用等专业核心课程的知识，比赛形式侧重于考查学生对于电子产品的实际开发能力[1]。

单片机课程因其具有较强的实践性和应用性[2]，适合开展教赛结合模式的教学改革。我院鼓励学生参加单片机技能竞赛，竞赛成绩是对学科教学质量的检验，课程建设教师团队可根据竞赛结果反馈，及时更新教学内容，改进教学方法和手段，不断提升业务素质，反过来促进教学质量的提高，真正实现了教学相长、以赛促学的目标。

1 教改措施

改变传统教赛分离的情况，将竞赛项目普及融入日常教学体系中。根据单片机竞赛大纲的要求，重新调整课程的结构与内容，有针对性地选择单片机实验项目，设计单片机教具，并编写实验讲义，探索“教赛结合、以赛促教”的课程改革模式。

1.1 针对竞赛要求修订教学大纲

以往单片机原理与应用课程教学以传统的8051单片机为平台，单片机开发语言选用汇编语言。教学过程中，教师详细介绍单片机体系结构、指令系统和汇编语言，真正讲授单片机结合外围电路的应用案例课时量有限。实验课上，采用汇编语言编写单片机实验程序，开发效率低，实验耗时长，一学期下来，完成的实验项目较少。教学效果并不理想。

为了符合课程对于应用型人才的培养目标，修订了教学大纲。为与“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛单片机设计与开发竞赛项目的要求保持一致，教学中的单片机型号改为升级版的51内核单片机IAP15F2K61S2，相对于传统8051芯片，性能成倍提高，集成外设更多，在市场上有较高的普及率[3]。

单片机竞赛要求参赛选手在几个小时内完成具有多个子功能的电子设备的程序开发，对单片机程序开发速度提出了更高要求。为此，选用开发效率更高的C语言作为单片机课程教学和实验过程中的主要编程语言[4]，力求实验过程和方式与竞赛大纲的要求保持一致。

1.2 组建全工程师教师团队

单片机作为一门实践性很强的课程,课程教学内容除涵盖单片机技术本身之外，还涉及电子技术、程序设计等实践性较强的内容。实验教学在整个单片机教学中具有至关重要的作用，实验教学质量直接关系到整体教学的质量和课程教学目标的实现。为加强实践教学水平，组建了工程师教师团队。教师团队成员全部具备高级工程师、工程师职称，兼职教师为珠海检验检疫局和珠海市质量技术监督局的一线工程师，教师团队成员具有较丰富的工程技术实践经历和教学经验。

1.3 根据竞赛大纲编写实验讲义

根据单片机技能竞赛大纲的内容，结合指导竞赛的经验，设计了一批符合竞赛大纲要求的单片机教具，编写适合学生日常教学使用的实验讲义，将竞赛项目简单化、项目化[5]，简单易学，让学生产生学习兴趣。实验讲义中的项目清单见表1。

表1 实验项目清单

1.4 举办院级电子技能基本功大赛 完成竞赛培训电路板的制作

为了增加学生对竞赛电路板的感性认识，同时激发学生学习单片机的兴趣，在单片机课程开设的前一学期举办院级单片机开发板焊接基本功大赛，焊接的电路板为我院单片机教学团队参照“蓝桥杯”单片机项目竞赛大纲重新修改设计的竞赛电路板，在不影响单片机实验教学和后续竞赛培训的前提下，删除了“蓝桥杯”官方竞赛电路中的AVR单片机接口，霍尔元件等不常用元件，以降低成本。根据竞赛大纲重新设计的竞赛电路板原理图如图1所示。

图1 根据竞赛大纲重新设计的竞赛电路板原理图

我院学生积极参加焊接基本功大赛，在大赛上完成竞赛电路板的制作。焊接基本功大赛一方面使学生掌握了基本焊接技能，另一方面制作出来的开发板也应用于课程教学和竞赛培训之中。焊接基本功大赛上学生焊接的竞赛培训用单片机电路板如图2所示。

图2 焊接基本功大赛上学生焊接的单片机开发板

1.5 建立师生联合竞赛培训和答疑模式

通过课堂讲授结合课外集中培训和答疑的形式，开展单片机竞赛赛前培训。辅导和赛前培训需占用教师的大量时间，对教师其他工作，如科研任务的开展造成一定影响。以“教赛结合”模式建设和改革课程的过程中，逐步探索出适合我院实际情况的师生联合备赛和答疑模式。将高年级获奖学生纳入竞赛培训和课后答疑的工作中来，一方面减轻了教师在竞赛培训和课后答疑的工作量；另一方面，多名高年级获奖学生以参加大学生创新训练项目的形式进驻实验室，开展答疑活动，延长了答疑活动的开放时间，使学生的疑问能够更加及时地获得当面解答，一定程度上提升了答疑效果。

2 教改实施成效

教改和课程建设实施以前，由于在教学内容上偏向于理论讲解，而实验中采用汇编语言，过程烦琐，学生学习单片机技术的积极性不高，鲜有学生参加单片机技能竞赛及相关领域的机器人竞赛的获奖纪录，只有个别学生申报单片机技术相关领域的大学生创新创业项目。自2016年实施教赛结合的模式改革单片机课程以来，我院测控技术与仪器专业和电气工程及其自动化专业学生参加“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛单片机设计与开发竞赛项目，累计32人次获奖，其中全国二等奖4人，省一等奖8人。课程建设团队成员教师全部被评为大赛优秀指导教师，并且获得有工信部颁发的单片机工程师证书，由于竞赛成绩优异，我校也被评为“蓝桥杯”大赛优胜单位。此外，我院学生参加2017年“创造信息杯”中国机器人大赛获一等奖，参加2017中国服务机器人大赛获一等奖。

自采用“教赛结合”建设课程以来，课后主动钻研单片机技术，应用单片机技术参加大学生创新训练项目的学生逐年增加，我院已形成了良好的单片机技术学习氛围，学生应用单片机技术积极申报“便携式USB混合信号示波器设计”“贝斯演奏机械手及控制系统研制”等大学生创新训练和广东攀登计划项目7项，申报专利2项。

3 结语

两年来的教改实践表明，将单片机课程教学内容与单片机竞赛接轨，建立工程师教学团队，订制符合竞赛大纲要求的实验讲义，开展单片机焊接基本功竞赛，建立师生联合指导竞赛和课外辅导的机制，一系列的教改措施的实施，使单片机课程教学改革取得了丰硕的成果。学生通过参加竞赛，提高了应用单片机技术的开发产品和创新设计的能力[6]。教师通过指导学生参加竞赛，教学相长，积累了教书育人经验，提升了业务素质。基于教赛结合的单片机课程教学改革为我院探索应用型、创新型工科人才的培养模式，提升人才培养质量，奠定了坚实的基础。