“金课”理念下“单片机控制技术”实验课程教学改革研究

杨桂华，李怀晖，张烈平

（1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学商学院，广西 桂林 541004）

引言

近年来，为振兴本科教育，提高人才培养水平，教育部提出“各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课’、打造‘金课’，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度。在此背景下，为提高本科课程教学质量，“金课”理念受到教育界广大关注。课程是人才培养方案和培养学生能力的核心载体，因此，为激发学生学习积极性，提高学生强烈的工程创新意识和较强的实践创新能力，融入“金课”两性一度教学理念，教师可通过信息技术、智能技术与实验教学的深度融合推动“单片机控制技术”课程实验教学改革，破解自动化专业教学实验、实习、实训中的老大难问题，在提高自动化专业实验教学质量和实践育人水平上具有重要意义。

“单片机控制技术”课程非常吻合“金课”中理论学习和实践创新相结合的教学理念，符合“两性一度”标准，即高阶性、创新性和挑战度。（1）理论与实践紧密结合。本课程是一门实践性极强的学科，学生不仅要奠定坚实的理论基础，还必须进行科学实践，该课程实验基本都是软硬件结合的综合性实验，不仅要动手，还要动脑，既能发现实验过程中出现的问题，也能解决问题，达成培养学生解决实验中复杂问题的综合能力和思维能力的教学目标，即“高阶性”。（2）随着我国物联网产业的迅速发展，在智慧健康、智慧家居、智慧城市、智慧交通、工业监控等方面的需求不断提升，单片机技术日新月异，关于单片机技术的教学内容必须要体现前沿性与时代性，教学方式必须积极改革，引导学生进行探讨式与个性化实验教学，即“创新性”。（3）该课程具有极强的应用性与实践性，实验项目设计增加综合、设计性内容，考核要求增强实践能力考核，即“挑战度”。

1 课程教学现状

随着电子技术、计算机技术的快速发展以及工业领域的高度智能化，导致单片机技术也不断发展，充分利用了自动化控制技术的特点，使所开发的产品应用在各个不同场合，因此，时代驱使学生学习该课程需要具有较高的工程应用问题解决能力，同样，该课程教学为了达成此目标需要与时俱进，不断完善。然而，在实际的教学过程中仍然存在不少问题，主要表现在：

1.1 实验内容单一

“单片机控制技术”课程实验教学内容单一，验证性实验过多，实验项目倾向于理论知识的验证，很少开设设计性和综合性实验，几乎没有创新性实验。因为该课程的学习既涉及单片机的硬件工作原理，又要学习软件编程，课程内容各章节联系紧密，并且与电子电路等其他学科也有很大的交叉性，这导致了学生学习本课程难度增大。再加上当前“单片机控制技术”课程学时紧张，作为自动化专业的专业基础课，总学时48，包括理论34学时，实验14学时，学生很难快速融会贯通，学以致用。即使开展一些综合性、设计性实验，也仅仅是一个知识点的重点应用，远没达到工程应用解决问题能力的培养目标。课程结束后，仍然存在相当一部分学生对单片机的原理与应用缺乏系统掌握，与社会需求的差距甚远。

1.2 教学模式缺乏创新

采用传统教学模式的“单片机控制技术”实验课程教学，基本上都是先由老师讲解实验原理和步骤，然后学生参照实验指导书，在实验箱上进行实验。实验箱内的实验电路已经完全连接好，无须学生再连线操作。由于硬件电路已经固定化，则对应的软件程序也几乎按部就班照着输入指令，在实验设备上观察实验现象而已。因此，传统的“单片机控制技术”实验教学方式下，学生缺乏独立思考和设计创新的机会，缺少实践动手能力和团队协作精神的培养训练，根本无法达到工科学生强烈的工程创新意识、较强的实践动手能力和创新能力的培养目标。

1.3 考核评价机制不合理

考核方式是检验学生对该课程学习效果的重要标尺。传统教学模式下单片机实验课程不设单独考核，单片机实验课成绩评定是对每一次实验结果进行评价，主要以实验报告、学生考勤情况为依据。实验课考勤通过花名册点名或者自己签到方式进行，无法完全监督该课程缺课情况以及学生参与实验情况。并且该课程实验成绩仅占单片机课程总成绩的20%，理论课程成绩比例较高，学生只重视理论课程，忽视了实践能力培养的重要性。这种考核评价方式既不能全面反映学生的学习过程及学习效果，也不能体现出该课程实验的作用，导致部分学生容易怠慢该实验课程。

2 “金课”理念下课程教学方法改革

2.1 完善实验教学体系设计

根据自动化专业人才培养目标，以及现代自动化装备产业对自动化专业人才的需求特征，构建“单片机”课程实验教学体系，如图1所示。课程改革关注教学资源的开发和利用，以及各门课之间的课程融合。单片机课程实验安排按照先基础、综合，再创新的能力顺序关系递进，将课程实验模块结合学生课外科技立项项目和科技竞赛活动，形成三层次的实验教学内容分别培养学生的学科专业基本素质、工程实践能力和科研创新能力。

图1 单片机课程实验教学体系

2.2 实验教学内容补充和完善

为适应当前课时少的现状，则需要整合课程资源，优化教学内容，对不同课程知识进行教学融合。本课程实验项目的建设思路、内容设计等方面体现以学生为中心，以培养学生应用能力和创新能力为导向的教学理念。实验项目分三大模块逐次递进，即基础性实验模块→综合、设计性实验模块→创新性实验模块，基础性实验模块主要是芯片基本功能的验证、编程语言和开发平台的使用，是为了达到培养学生专业基本技能的教学目标；综合、设计性实验模块是在基础性实验上的拓展，由单片机芯片与外围器件以及接口电路构成一种具有实际应用功能的实验项目，需要学生具备系统分析和设计能力；创新性实验模块是一种由多个功能模块组成的应用系统实验项目，例如智能小车控制，包括了一个完整系统的控制方案的确定，环境感知模块的设计与实现，运动控制模块的设计与实现，涉及单片机控制技术、传感器技术、通信技术等多个学科知识的应用，该模块对促进学生团队协作能力、复杂工程实践能力和创新能力的培养至关重要。

同时，把握“虚实结合、相互补充”的原则，在教学中充分发挥虚拟仿真实验教学的技术特色，在综合性实验过程中引入Keil+Proteus仿真实验平台，将现实中难以开展的实验通过虚拟平台实现，也可以缓解实验室资源不足的状况，并且利用虚拟仿真技术可以开发种类繁多的实验项目，丰富实验内容，提高实验项目难度，体现虚拟仿真实验项目的高阶性、创新性和挑战度。

2.3 实验教学模式创新

实验教学包括了实验场地、实验设备和师生协同合作，因此教学方式可以不拘一格，将混合式教学方法、任务驱动式教学方法、项目教学方法、校内外实训教学方法、自主学习与网络协作教学方法等应用于实验教学中。通过以做带学、以学促做，激励自主创新学习，充分发挥自身优势特长，创造性地解决实验项目中的复杂工程问题。同时，“单片机控制技术”是一门实践性很强的学科，引入Keil+Proteus仿真实验平台，通过文字、图片、视频等多种新媒体和新技术辅助实验教学，借助计算机通过仿真软件平台选取元器件，搭建硬件电路、调试电路、软件编程等，开展“网上做实验、虚拟仿真实验”的线上线下混合式虚拟仿真实验教学模式。在实验教学环节以“基础性、综合性、开放性、创新性”为特点，形成一种以“先基础、再综合、再到研究与创新”为主线的实验教学，在教学内容的广度和深度，教学的时间和空间上充分发挥仿真实验教学的优势，不仅提高了实验教学效果，也极大地培养了学生的实践与创新能力。

2.4 考核评价方式改革

课程教学方法的改革目的就是为学生提供良好的学习环境。本文以能力始，以能力终的实验课程改革理念，为了体现“金课”的高阶性、创新性和挑战度，把课程建设要求落实到具体观测点上，以教育最终产品——学生的职业能力为标杆来设计考核评价指标，形成闭环教学，考核评价指标包括实验准备、实验过程、实验效果、实验报告等指标组成，评价知识体系主要包括：学生对实验所需基础理论的掌握；学生对系统结构、控制过程的理解能力；实验方案的设计能力；学生观察实验现象，数据分析的能力；学生应对故障的处理能力；学生对系统总体的联调能力，以及学生回答问题的能力。实验教学除大型综合设计性实验外，所有实验项目均实行1人一组独立完成，包括实验准备（包括实验前方案准备、实验预习等）、实验操作以及实验报告总结，并增加了“项目分析、项目设计、项目实现、项目汇报”等环节，指导教师全程跟踪，实现课程教学的过程考核。课程实验考核包括：过程性考核（70%）+终结性考核（30%）。过程性考核主要对学生参与度、完成度给出评估；终结性考核是对学生实验项目结果的展示，即对作品的难易程度和创意给出评价。最后老师总结性评价分析该实验教学项目对学生能力、素质要求达成的情况，将考核与评价有机结合起来，以促进后续教学的完善。

3 结语

实验教学是“单片机控制技术”课程教学的主要组成部分，是培养学生实践能力的重要环节，广大教师和学生应当给予高度重视。本文针对“单片机控制技术”实验教学中教学方法单一，教学内容缺乏综合性和创新性，考核评价不科学等问题，按照“金课”两性一度的课程建设理念，提出了一些观点和建议，并在实验教学环节提出了一系列改革措施，通过改革实践证明在本科的教学质量和学生创新实践能力提升方面具有一定效果。