“置身其中”谈单片机教学方式改革

邵海龙

（武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山354300）

0 引言

单片机作为一种微型处理器芯片，在我们日常生活设备中无处不在。单片机的应用对于我们的生活起着重要的意义。“单片机原理与应用”则自然成为大多数工科专业的必修专业基础课程。对于这门课程，不同的专业其讲解的侧重点会有不同［1］。但是无论授课对象是谁，其教学思想与终极目标都是高度统一的，那就是应用。应用即意味着动手，实战。但是作为当下的很多高校教育，由于教育理念和教育经费等诸多问题，而出现重理论，轻实践的问题。针对当下这门课程教学中出现的种种现象，本文进行了一一讨论，并给出相应的改革建议与意见［2］。

1 “单片机原理与应用”教学中存在的问题

1.1 “单片机原理与应用”课堂教学存在的问题

1）传统教学模式

多少年来，我们的单片机教学主要围绕“三尺讲台，一根粉笔，一本教科书”的教学模式展开。课程从始至终几乎都是理论阐述，虽然也有例程讲解、多媒体动态演示。但是由于缺乏知识点的针对性和实际性，学生也只是明白理论知识，理解推演过程，或者知道了所看例程的解决方法。这些对于本课程的教学终极目标应用就如同隔靴搔痒。学生对于实际现场的设计、运行情况却无从知晓。

2）课堂案例的陈旧，学生只是远而观之

伴随课堂教学的改进也出现了工程案例，但是因为教师职业的限制，很少走进工厂，走到一线。因此其授课案例相对陈旧。又因为无法将现场控制整体搬进教室，所以也就只能是阐述原理，讲解过程。学生更不可能参与其中，只能是隔岸观望。

3）知识的传输方向单向性

课堂教学都是教师教，学生听的单向模式。在这种填鸭式的教学情境下，学生始终处于被动的接收中。学生一堂课完全按照教师的思维和节奏前进。教师变成了主角，这样违背了教学的本质，我们的对象是学生，产品是知识。而应用知识的恰恰是学生［3］。但是以往的教学模式学生却成了配角。知识的产出和应用者都成了教师。

1.2 “单片机原理与应用”实验教学存在的问题

1）实验只是知识点的验证

实验作为对理论教学的另外一种进行方式起着很大的辅助作用。既然“单片机原理与应用”课程的终极目标是实际应用［3］。实验将是学生第一次正真意义上的动手操作。但是，当下由于实验资源、经费、制度等等的原因，实验教学大部分还是停留在以验证性实验为主的教学方式。所谓验证性实验，就是学生将上课的一个或者几个理论知识点上升到实际应用中来。表面看似乎这种方式是正确的。但是，这样将大大限制学生的创造性和动手能力的培养。尤其对于单片机这门注重实际应用的课程，那将是致命伤。

2）实验项目的单一性

“单片机原理与应用”实验项目大部分都是针对本门理论课程的知识点设计，并未将其延展。所有实验只是停留在单片机，而并没有将相关知识进行融合。这种环境的实验造就学生面对实际工程设计时，也只会就单片机设计，对于辅助电路无从下手。

1.3 “单片机原理与应用”实训教学存在的问题

1）课程设计题目过大过虚

课程实训做为单片机这门课程的终极实际操作，对于单片机学习起着从理论到实际的重要作用。但是很多学生并未准确对待，其利用网络平台搜索确定设计题目和设计方案。由于种种原因，题目大多数并未进行可行性分析。题目往往过大并不切实际，当其实际动手时，却是一脸的茫然［4］。

2）单兵作战，势单力薄

“单片机原理与应用”实训是一个系统工程，并非简单的电路堆积。工程需要团队的力量，并非一人的单打独斗。

2 从工程案例出发，让课程接近实际

2.1 三位一体式授课新方式。

改变以往一堂灌，教师讲学生听的单向授课方式，将其变为以传统理论教学为主线，实际工程案例为主导，现场软件仿真为辅助的“理论+案列+仿真”的多媒体授课的三位一体式新形式；课堂不再只是讲与听，还有知识的回顾、应用的设计、执行的参与。使得学生伴随实际案例的建设，感受知识的实际应用魅力。通过现场理论知识在实际工程中的展示和应用设计，加深学生对于理论知识点的理解。

例如在学习定时/计数器知识点时，虽然学生似乎明白其工作原理，但是在实际工程编程中却莫名发现，只要打开定时计数器后其将自行运行，将不再受制单片机。也即就是定时计数器与CPU为并行工作方式。带着这些疑问，借助现场仿真技术，让学生通过单步调试程序，让其看到定时计数器的运行过程。从而让抽象、模糊理论变得真实，透彻。作为定时计数器核心的简易方波发生器设计如图1所示。

图1 简易方波发生器

通过现场的定时计数器初值的重新装载编程，启停控制的设置，完成整个定时器的工作，通过现场的仿真让学生从后台的软件到实际硬件运行彻底理解单片机内的定时器工作的独立性及循环定时过程。

2.2 课堂不再是独角戏台而是万人堂

变独角戏台为万人堂，单片机课堂教学，教师只是引导和知识要点的阐述。他应该充分调动学生的积极性，让其发挥想象和设计能力，创造出单片机应用的办法和思路。

例如我们在讲解单片机源程序编写时，过去学生只会按照教师的思维方式进行工程任务的分析编程，这样将出现所有人的程序都千篇一律，设计思想都是标准模式。我们希望学生能有自己的编程习惯，最好能有自己独特的编程思想。但是如何培养和激发学生独有的编程思想呢？我们利用同一个任务不同编程思维，然后对比几种源程序的优缺点，让学生发现自己所写源程序的好坏。利用现场工程任务编程，让学生参与其中，让其直接感受多种编程思想对于同一个任务的不同。图2所示的是同一工程的不同主函数编程。

图2 同一工程的不同主函数编程

同一个任务，但是不同学生出发的角度不同，设计思想各异，从而产生多种程序调度方式。工程案例的引入课堂，让学生参与进来，课堂现场进行设计，现场编写源程序，现场进行仿真。由于个体的思维的差异，必然产生各式各样的设计方案、设计电路和设计程序。通过现场的一一仿真演示，让学生们自己发现问题，解决问题。最终完成最优的终极设计。让课堂变成百家争鸣，全员参与的场景。置身事外，不如参与其中。只有亲自的参与才能有精彩的绽放［5］。

2.3 减少验证性实验加大创新设计性实验

作为专业基础课程的“单片机原理与应用”，其重点在于如何在实际产品中应用，加强创造性，设计性实验，将会大大激发学生的创造力和动手能力的培养，为以后走向工作岗位打下坚实的基础。因此我们的实验项目应该紧跟时代的发展，每个实验的题目应该来源于实际工程任务。例如在实验项目无线通信中，我们实验内容来自身边，让学生自我设计，自由发挥。例如作为工程任务的无线智能插座项目示于图3。

图3 无线智能插座

学生利用实验室现有模块，快速完成电路搭建，应用所学知识点完成现场编程。实验不再只是简单的知识点验证，而是一次现场的实操，一个全新的设计。实验完成了理论和实际的完美搭接，实验不再枯燥，而是充满挑战和激情。让学生活跃的思维和单片机进行第二次的再次碰撞［6］。

2.4 项目+团队的课程实训操作新模式

“单片机原理与应用”课程的学习，很多学生讲理论头头是道，做项目却一头雾水。很多学生理论知识的确扎实，但是由于缺乏亲力亲为的过程，因此一旦进入实际工程设计应用，将会出现举步维艰。更有甚者，利用计算机仿真可以做得完美无缺，但是改为实际产品，却一窍不通［7］。

现在的“单片机原理与应用”课程实训，改变以往单人单题，只是本门课程理论知识点的应用的局限，给予学生更大空间，让学生信马由缰，自由组队，自由选题。设计题目来源身边。出现百花齐放的峥嵘场面。以下为某个班级的部分课程设计题目的示表（表1）：

表1 “单片机原理与应用”课程设计题目

通过学生的自由选题，更加让其明白单片机的使用的普遍性，同时由于题目来自身边，给予学生最大的发挥空间。

例如课程设计题目智能家居控制系统。任务的主体为单片机控制，题目来自实际的平常生活。因为就在我们的身边，所以非常的熟悉，系统电路如图4智能家居控制系统。

图4 智能家居控制系统

智能家居题目来自我们的生活，所有的控制都是我们身边的家用设备。利用所学，围绕主体单片还有传感器，电源，电机等多学科知识的融合。课程设计不再有局限，不再只是单片机，应该是相关多学科知识的贯通。

团队的出现，使得大家分工明确。尺有所短寸有所长，通过大家的通力合作完成整个项目的任务。通过合作过程的磨合，让每一位参与者都收获满满，使得每一位参与者发现自己的残缺，同时又展现自己的光亮。

短短一周或者两周的课程实训让学生懂得如何能成为一名合格的工程技术人员。为以后走出校门，走向社会提前进行了实训。虽然设计过程没有工作后的任务复杂，没有工作后的工程艰巨。但是至少他们已经有一名合格工程技术人员的体会。

3 教学成效比对

3.1 改革前后习惯状态对比

通过新的教学模式的运行，将产生巨大的变化。相对改革前后学生的学习习惯和学习状况对比如下表2所示。

表2 改革前后各个教学环节的对比

相对改革前后，从教学看，以往沉默的课堂变得活跃生动，抽象难懂的理论变得真实可触；验证数据的无聊实验，具有了挑战性。实训也成为综合知识应用的用武之地。

3.2 同一专业同一课程的两学期成绩对比

通过新的教学模式的运行，对同一专业同一课程的两学期成绩进行对比。从改革前后考试成绩看（表3和表4），改革前后学生的成绩在优秀档有了明显的提升，优秀成绩比例的增多说明新的教学模式使得学生对于单片机的抽象基础知识理解更加透彻，对于单片机的相关知识整体的认知度提高了很多。改革前后“单片机原理与应用”课程成绩分布统计如图5图6所示。

表3 改革前考试成绩

表4 改革后考试成绩

图5 改革前单片机原理与应用成绩分布统计（期末卷面成绩）

图6 改革后“单片机原理与应用”成绩分布统计（期末卷面成绩）

3.3 两学期试卷不同题型的准确率对比

通过新的教学模式的运行，对同一专业同一课程的两学期试卷不同题型的准确率进行对比。两个学期期末试卷考试题型得分准确率分布示于图7和图8。

图7 改革前试卷不同题型准确率

图8 改革后试卷不同题型准确率

通过以上两幅图分析可以看出，改革前学生对于纯记忆类的题目的准确率较高，但是对于实际动手和抽象理论类的题目却是失分很多。相对改革后，学生的不同题型的成绩明显更加平均，基本的卷面成绩都在良好以上。尤其对于实际设计类题目那更是得心应手，答题准确率明显提高，这也恰恰符合本门课程的培养目标——工程开发能力。

4 结语

理论课堂的讲解以“实际工程案例+实际演示+现场仿真”的三位一体式新教学模式；实验教学引入工程任务，根据学生对于知识的掌握情况进行现场调整；实践教学部分，从学生开始命题，教师引导其从实际角度出发，完成相关命题并完成系统设计任务。三个教学环节使“教”与“学”融合互动，学生的潜能得到充分发挥，取得很好的教学示范效果。置身事外，不如一探究竟。“单片机原理与应用”课程教学模式的改革，将使得本门课程回到初衷。学生在不同教学环节的积极参与将使得单片机原理与应用技术深入学生的体内，使得学生能够在走出校门后应对基本的单片机控制工程设计。真正做到学以致用，学为所用。