新工科背景下单片机实验教学改革研究

邢晓燕　金洪颖　焦方源

摘要：针对当前单片机实验教学中存在的各种问题，为适应新工科建设背景下新兴产业工科人才的培养，提出了教学改革措施。根据学科融合交叉培养机制，建立工程师教学团队;修订实验讲义内容，改进实验教学方式，制定了适应不同层次学生的考核评价标准。实践表明，新的教学方式和评价体制更能激发学生的兴趣，提高了学生实践创新能力，使学生具备了单片机应用系统开发能力，并在学科竞赛中取得良好成绩。

关键词：新工科;单片机;实践教学;教学模式;学科竞赛

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）07-0158-03

Abstract：Aiming at various problems in the current MCU experimental teaching， in order to adapt to the training of engineering talents in emerging industries under the background of new engineering construction， teaching reform measures are proposed. According to the interdisciplinary training mechanism， the engineer teaching team was established; the contents of the experimental lectures were revised， the experimental teaching methods were improved， and the assessment and evaluation standards suitable for students of different levels were formulated. Practice shows that the new teaching method and evaluation system can more motivate students' interest， improve students' practical innovation ability， and enable students to have the ability to develop MCU application systems and achieve good results in subject competitions.

Key words：New Engineering; MCU; Practical Teaching; Teaching Mode; Subject Competition

1 引言

新工科建设是我国自2017年以来着重开展的战略政策，为响应新时代和新兴产业的发展，新工科建设刻不容缓[1]。与老工科相比，“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性，单片机课程作为计算机、电子信息及电气自動化等专业的主干课程之一，更加注重工业智能与传统工业技术的紧密结合，因此，培养创新型实践人才，是单片机教学改革的重中之重。

单片机作为一门实践性很强的课程， 具有较强的理论性和实践性，不仅要具备扎实的理论基础，同时要具备良好的硬件设计和软件编程能力。因此，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，而传统的单片机实验教学内容陈旧，教学方式单一，无法满足现实的社会需求，也不适应新工科的建设。因此，如何整合教学内容，探索教学模式，改进考核方式，培养面向未来工程技术的应用型人才成为亟待研究和探索的问题。本文探讨新工科建设背景下单片机实验课程的教学改革[2]。

2 单片机实验教学现状

2.1 实验多为验证性实验，不利于培养学生解决实际问题的能力

目前单片机课程的实验课时少，只占到总学时的20%左右，考虑到学生的整体水平，开设的实验多为验证性实验，诸如流水灯、蜂鸣器、数码管显示、定时器中断、串口通信、矩阵键盘等实验，综合性、设计性实验较少。这种教学方法，学生很难掌握单片机的系统设计，无法将理论知识应用到实践，欠缺综合运用所学知识解决实际工程问题能力。

2.2 实验设备陈旧，不利于满足学习兴趣培养和创新能力培养

目前实验设备以实验箱平台为主，学生进行实验时，只需要按照实验指导书连线，输入例程，查看实验结果即可完成。初学者认为这种按部就班的实验索然无味，难以激发兴趣，且多数同学从不关心硬件的设计原理，当调试失败时，只知道寻找程序问题，无法做到软硬结合。传统的实验箱形式固化，模块有限，开发能力较弱，不利于学生课后创新实践使用。

2.3 实验内容无层次，不利于满足学生差异化需求

传统的实验讲义，实验内容相同，任务单一，不适合复杂学情。有的学生对单片机早有接触，有一定基础，有的学生学习能力强，这些学生很容易完成实验任务，意犹未尽;而学习能力较差的学生难以完成实验内容，甚至出现抄袭现象。长此以往，教学效率低下，不利于培养学生实践能力。

2.4实验内容相对孤立，不利于培养学生职业素养

单片机的学习涉及模电、数电、C 语言等基础知识，后期的开发离不开传感器技术、电机控制等。这些课程由不同教师授课，教师之间沟通少，教学内容缺乏整合，基础实验内容重复，学生无法将所学内容融会贯通，不容易建立系统的专业知识体系，不利于培养学生的职业素养。

3 改革方法

3.1 加强教学团队建设

新工科要求多学科交叉融合培养机制，并非是简单地增设课程，而是要根据产业需求，将工科学生所需要的基础知识充分融合，这对教师的能力是巨大挑战。为了强化教学团队的工程实践教学能力，可派遣授课教师到企业挂职锻炼，参与项目论证，产品研发，技术改进等;同时加强“校企合作”，聘请拥有丰富工作经验的研发专家来校授课，参与项目研究。通过组建工程师教师团队，成员加强合作交流，根据专业特色，制定适合新工科的特色教育课程体系。

在实验教学上，注重课程前后的关联，避免重复简单基础实验，制定完善的实践能力培养计划。以单片机为例，前续课程如数电中的译码器、寄存器、触发器，C语言中的指针、结构体、枚举，学生要理解掌握。同时，完成一个整体项目所具备的能力，诸如电路设计、各类传感器的使用、无线通信、3D打印、PCB设计、电路焊接等技能，也应该让学生有途径学习，这些都依赖于教师如何制定培养方案。

3.2 组建学生技能团队

我院一向重视学生的实践动手能力，设有开放实验室，面向学生全天开放。可以依托“电子创新实验室”，由课程组教师指导，组建学生技能团队。从学生大一入校开始，甄选有兴趣的学生进入实验室培训，由指导教师制定培训计划和内容，高年级学生负责协助指导，采用传帮带方法，既让高年级学生系统巩固了基础知识，又将指导教师从重复简单教学的体力劳动中解放出来，有时间和精力指导高年级学生开展创新型项目、竞赛性项目。考虑到大一、大二学生专业知识薄弱，电路设计能力有限，可以考虑采用51单片机和Arduino单片机设计电路，这两种单片机入门容易，开发周期短，其中Arduino硬件资源丰富、自带封装的函数库等优势，更易被学生采用，容易提高学生的积极性。

指导教师针对不同年级、不同层次学生发布阶段性任务，有课程综合性项目、设计性项目，有难易度不同的工程项目，创新型项目，有计划地提高学生实践能力。教师指导学生将一个完整的项目划分成若干个任务，小组协作完成，使学生熟悉项目开发流程，参与项目的设计、制作及调试，直至做出成品。学生在项目实施体验中获得了经验和技能，不仅将所学理论知识应用到实践中，同时团队成员间相互交流、相互学习、有助于能力快速提升，保证了团队的稳定性和技能性。

这些学生技能团队的成员可以作为单片机实验学习小组的领头羊，也是参加学科竞赛的生力军。

3.3 实验教学内容改革

根据教学大纲，将单片机实验教学内容进行合理规划，按照难度系数划分为基础-提高-扩展（难）三个等级，在课前把实验任务发布下去，学生根据自身能力选择不同难度等级的实验。要求学生在课前先编写好程序，利用proteus仿真软件调试，实验课中再进行实物调试，这样可以留给学生充分思考、分析问题的时间，在课上就遇到的问题跟小组成员进行讨论，教师随时可以对实验小组进行指导，答疑解惑。这样能充分发挥学生的主观能动性，这种以学生为主体的教学方法思想与“新工科”背景下强调以培养学生发现、分析、解决问题能力为主的应用型人才培养思想具有一定的共同性，符合“新工科”培养大量新型工业人才建设支撑新型工业化的发展的理念[3]。

比如，在进行定时/计数器实验时，题目有三档：A档题目为采用不同的工作方式产生固定频率的方波，掌握定时器的简单应用;B檔题目为生成一定占空比的波形，熟练掌握定时器和计数器的联合使用;C档题目为产生占空比可调的PWM波形，可以实现流水呼吸灯的设计，加入了按键和LED灯，增加了编程难度。这样学习能力差、基础薄弱的同学也有能力完成实验，避免出现无从下手，抄袭别人程序的现象发生;而有单片机基础、学习能力强的同学可以选择难度较大的实验内容，将所学知识融会贯通，进一步提升应用能力。在实验室技能团队学生的带领下，部分小组可以完成C档题目，当呼吸流水灯调试成功时，极大地鼓舞了班级学生的学习积极性，增强了学生动手解决实际问题的信心。

可以看出，在单片机实验课程中，学生技能团队的成员发挥了积极的作用，带动小组成员在做中学、学中做，协助教师指导其余学生，任课教师更容易采用做学教一体方式，使更多的学生获得指导，提高教学效果。

根据实验内容的改革，实验成绩的评价体制也相应地做出改变。实验成绩的评定不仅要对结果进行评价，同时也要对学习过程进行评价。教师可以根据题目等级和实验操作能力现场打分。其中，A 档总分为100 分，B 档总分85 分，C 档总分为70 分，并且按照实验接线、程序编写、实验调试和实验结果四个环节按比例计分。

在单片机教学中后期，教师按照培养目标制定一些中小型项目题目，融合了单片机基础知识及不同外设模块，学习小组可以根据组员的兴趣选择题目，在开放实验室进行实物制作。教师指导小组制定实验计划，理解系统基本原理和技术难点，从选择元件，设计电路，编写程序，验证想法直至完成项目。此模式一方面提高学生分析、设计、解决问题的能力;另一方面也提高了团队合作能力。教师根据实物制作的完成度对小组成员打分，作为单片机课程成绩的一部分。

3.4 推动学科竞赛，以赛促学

学科竞赛是培养大学生创新能力、检验学科实力的有效途径.在大力倡导建设新工科的时代背景下，学科竞赛作为工程教育一个重要环节，也是培养卓越工程师的一种有效方法，日益受到全国各大高校的重视[4]。现阶段，有很多比赛可供学生选择，诸如大学生电子设计大赛，机器人大赛，“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”“蓝桥杯”等省级、国家级竞赛，为学生工程素质培养提供了很好的平台。大量实践证明，参加这些竞赛的同学，实践能力和创新能力得以显著提高[5]。

通常这些电子竞赛的题目会涉及数电、模电、单片机、传感器、电机、自动控制等多方面知识，在进行电路设计时，多以单片机为核心处理器，因此，在平时教学中，设计以单片机为核心的工程项目尤为重要。在训练中，学生使用开发板和各种外设模块设计电路，便于学生理清设计思路，方便调试，还可以二次开发重复使用。

在备赛中，学生是参赛主体，指导教师是助推器.教师将所需知识点融入具体的项目中，围绕知识点提出相关问题，引导学生进行思考;学生通过自主学习，查阅资料，小组讨论，寻求解决方法。

通过竞赛，教师可将接触到的新技术和新器件应用到后期的理论教学中，适度调整实验教学的内容，加强实验室建设。学生要对竞赛的内容进行总结，选手之间讨论交流，将有用的信息分享给低年级学生，逐步提高学生的整体参赛水平。近年来，通过师生的共同努力，在各类省级、国家级学科竞赛中取得了较好的成绩，提高了学生的单片机创新实践能力。

4 结束语

新工科是我国积极发展的刚性需求， 加快建设和发展“新工科”，培养新经济急需紧缺人才，已经成为全社会的共识。近年来，我院根据行业需求，整合现有资源，教师再深造，打造了一支科研能力强的工程师教学团队;同时为学生提供了设备资源丰富、开放的实验环境;在教师的规划下，学生技能梯队构建合理，发展稳定，动手实践能力和创新能力不断提高，在电子设计大赛、“互联网+”等各类竞赛中，取得的名次在提升，奖项在增多。依据竞赛中总结的经验，教师调整教学理论内容，修订了实验讲义，改进教学方式，提 升了人才培养质量，形成了良性循环。

参考文献：

[1] 林虹.突出双创能力培养的应用型特色课程教学改革探索——以“单片机原理及应用”课程为例[J].工业和信息化教育，2019（10）：33-38

[2] 王海舰，袁嘉惠，吴立韬，温家宝.新工科建设背景下的学科交叉融合机制研究与探讨[J].课程教育研究，2019（12）：7-8.

[3] 王莉，苏波，崔立志，赵运基，杨凌霄，高如新.新工科建设背景下“单片机”课程教学改革[J].教育现代化，2019，9（77）：61-63.

[4] 席文平，蓝和慧. 单片机原理及接口技术实验教学改革研究[J].中国教育技术装备， 2018（6）：111-117.

[5] 姜来为，杨宏宇，熊育婷，付宇，张良，李晓文.“新工科”背景下计算机类专业课程教学改革探究——以“信号与系统”课程为例[J].高教学刊，2020（4）：129-130.

[6] 肖顺根，袁秋风，赖联锋，郑海超，谢智恩，严伟涛.机械专业学科竞赛的单片机课程教学改革[J].宁德师范学院学报（自然科学版），2020， 32（l）：94-98.

[7] 熊旻燕 .应用型人才培养视域下的单片机教学改革研究以学生工程实践能力培养为导向的单片机技术课程改革[J].科技资讯，2018（09）：197-198.

[8] 孫长伟，王艳春，黄迎辉.以学生工程实践能力培养为导向的单片机技术课程改革[J].白城师范学院学报，2018，32（6）：27-31.

【通联编辑：王力】