面向工程教育认证的单片机课程教学改革与实践

汪石农，刘世林，王冠凌，陈其工

(安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)

《国民经济和社会发展第十四个五年规划纲要》明确提出要建设高质量的本科教育，推进一部分普通本科高校向应用型高校转型。在当前我国高等教育实现跨越式发展的新时期，省级本科院校已成为建设高等教育强国的中流砥柱[1]。因此，省级本科院校在为国家特别是地方经济建设培养高质量的应用型人才方面，具有很重要的现实意义。自2014年来，安徽省大力推进高等教育综合改革，构建了地方应用性高等教育发展新模式，要求推动一批地方院校向应用型深度转型[2]。

单片机是工科院校各种电类专业学生的一门专业基础课或专业课。通过本课程的学习，学生可以掌握微控制器和嵌入式计算机系统的基本理论、单片机应用系统的软硬件开发和单片机系统的接口电路设计。随着无人驾驶、物联网、机器人和5G网络等新兴技术的发展，单片机必将会得到更多的发挥空间。目前，在我国高校当中广泛进行的工程教育认证的核心理念是对学生进行工程能力的培养，以适应社会经济发展的需要[3]。而单片机课程最显著的特点就是实践性强，因此本课程对学生工程应用能力和实践创新能力的培养具有非常重要的意义。

1 四位一体课程教学体系的构建

在以往的单片机课程教学中，都是基于“教师上面讲，学生下面听”的单向授课模式。这种场景都是以教师为教学活动主体，学生被动接受课程知识，导致学生课堂参与感不强，学习因此缺乏主动性。这种教学模式下，教师始终是课堂的主角，作为知识接收对象的学生完全按照教师的思维和节奏前进，这违背了教学的本质[4]。同时，在以往的课程实验中，验证性实验使得学生按照给定的要求，根据既定的程序，实现预定的功能。学生的动手能力得不到锻炼，创新能力得不到发挥，实验教学效果很差。而在课程考核中，试卷考核占比过高，造成实践环节被轻视或忽视，使得学生过于注重理论知识而忽略动手能力的培养[5]。对于单片机这种实践性很强的课程，学生不实际动手操作是不能深入地理解理论知识的，工程实践能力的提高和自主创新能力的培养也就无从谈起。

工程教育认证是当前国际通行的工程教育质量保证制度，顺利通过认证是高校办学水平和综合实力的重要象征。因此，我国高校的工科专业进行工程教育认证已经成为一种势在必行的趋势[6]。针对以前单片机课程教学中存在的问题，以工程教育认证的三大理念为指导，本文构建了由课堂教学、课外作业、课内实验和课程设计组成的四位一体课程教学体系，如图1所示。本体系以工程能力培养为导向，根据毕业要求整合课程教学内容，优化课外作业、课内实验和课程设计，聚焦学生解决实际问题能力的培养，注重学生创新能力的启发，并建立教学质量持续改进机制，实现了各个教学环节“以教师为中心”转变为“以学生为中心”。

图1 四位一体课程教学体系

2 课堂教学改革

改变传统的多媒体课件加板书的教学方式，注重微课和慕课等电子资源建设，构建资源共享平台，为学生自主学习提供渠道。充分利用学习通和雨课堂等网络教学平台将课前建课、备课和学生预习、课中课堂教学和实验教学、课后复习考核和教学质量评估等整个教学环节融为一体，构建“线上+线下”全新的信息化教学方式。注重提问和研讨式的教学方式，利用网络教学平台课前发布问题，学生在课堂上阐述和论证自己的观点，充分调动学生的主观能动性，实现了从灌输课堂向对话课堂转变。

目前安徽工程大学单片机课程的理论学时为30学时左右，教师面临内容多、课时少的局面。因此，在新的课程教学体系中，对课程内容进行优化和整合，采用了课堂教学和课后自学相结合的教学模式。课堂上教师重点讲授单片机CPU硬件知识、汇编指令、三大片内外设、人机接口和外部存储器扩展等内容。在整个课堂教学环节中，重点要给学生树立知识系统化的概念，建立单片机系统整体设计的理念，为后续的课程设计、科技竞赛和毕业设计等打下良好的基础。对于I/O口扩展、A/D转换、D/A转换和接口设计等内容，教师通过网络教学平台上传微课或慕课等电子资源，让学生在课后自主学习完成相应的教学内容，并通过在线签到和完成课外作业等考核机制监督学生学习情况。

以下通过几个知识点来说明相关教学内容是如何整合的：

第一，51单片机的汇编指令是111条，以前教学需要5—6个学时来完成。整合后只需要3个学时，课堂重点讲述指令格式和指令功能。比如和MOV有关的指令一共有18条，授课中不再对每条指令进行应用举例说明，只突出这些指令完成的数据传送功能，如图2所示，并强调源操作数和目的操作数不能同时为寄存器寻址或寄存器间接寻址即可。汇编指令的应用和举例融合到汇编程序设计、中断、定时器和串行口等章节中介绍。即针对具体的算法或应用，引导学生或让学生思考可以通过哪些指令来完成，从而突出“实际的工程应用如何来实现”。

图2 MOV指令数据传送示意图

第二，对于51单片机定时器的方式1，根据公式计算的计数器初值不能实现精确定时，它的精确定时问题一直是这门课程的难点。教师授课的时候，可以融合前面章节的中断内容来讲，让学生深入理解定时器中断产生时的工作机制，即从中断工作原理的角度让学生理解如何在定时器的计算初值基础上修改计数器初值把不精确定时修改为精确定时。通过这种方式，把貌似相互独立的定时器和中断两个功能模块结合在一起来讲解，既方便学生理解定时器又巩固了前面的中断知识，同时也让学生明白单片机内部各个功能模块并行工作的机制，可以进一步加深学生对计算机系统的理解。

第三，51单片机的人机接口主要讨论单片机应用系统中键盘和显示等内容。在讲述这章内容之前，CPU硬件、汇编指令和三大片内外设等单片机核心内容已经讲授完毕。因此，这章的教学方式主要是以前面章节理论内容为指导，实际工程案例实现为目标，Proteus软件仿真为辅助的“理论+案例+仿真”的三位一体形式。通过实际工程应用功能的实现，让学生感受单片机在实际工程中应用的魅力。同时，通过前面章节理论知识在实际工程中应用，便于学生对抽象理论知识的直观理解，也加深了学生对单片机系统概念的认知。

第四，51单片机片内数据存储器的容量普遍较小，在很多单片机应用系统中需要外扩存储器，因此外部存储器扩展这一章也是这门课程的一个重点内容。这章的主要内容是介绍51单片机的三总线结构、外扩存储器的地址空间分配方法以及单片机和外部存储器之间的接口设计。教师在讲授这些硬件内容之外，还同时讲授不同存储器之间数据相互传送的软件编程方法，如图3所示。通过这些内容的讲授让学生明白外扩存储器可以做什么，既巩固了前面相关的汇编指令，同时也对51单片机不同存储器之间的数据传送进行了总结。

图3 不同存储器之间的数据传送

3 课外作业改革

图4 基于51单片机的电机测速系统原理图

课外作业是课堂理论教学的有效补充，也是巩固课堂理论知识最有效的方法[7]。在以前的教学中，课外作业由教师在课堂布置，学生在业余时间完成，教师批改后再在课堂上进行评讲。这种方式使得课堂成为师生之间交流的唯一场所，同时课堂上的作业评讲也占用了理论知识教学的时间。随着人工智能、大数据和区块链等新技术的出现，运用信息技术来处理作业已是大势所趋。教师在网络教学平台上布置作业，学生在课下利用业余时间完成作业，然后教师直接在线上完成作业的批改和评讲。对于作业中的疑问，师生直接在线上交流。对于作业中的难点，教师通过上传视频、文档、图书或音频等多种类型资源进行解释和答疑。因此，通过在课外作业环节上使用网络教学平台，实现了课程从封闭式课堂向开放式课堂的转变。同时，还通过网络教学平台促进试题库建设，这也是单片机课程改革的一个重要构成部分。试题库用于检测学生运用知识、理论和技能解决实际问题的能力，也是实现教考分离和标准化考试的重要手段[8]。

4 课内实验改革

单片机课程的实践性和应用性很强，因此在新的教学体系中更加注重学生动手能力的教学，适当地减少了理论教学学时而增加实验学时，并对实验教学方式进行了改革。

首先，减少验证性实验的数目。并且在实验指导书上，验证性实验只提供基本代码，学生根据实验步骤和基本代码完成基本功能。然后，教师根据思考题提新的实验要求，学生必须当堂编写代码以完成相应的功能，并由教师当场验收。同时对学生强调功能实现的快慢决定了实验分数的高低，以此来督促学生在做实验之前完成预习并做好充分的准备工作。

然而，验证性实验平台的硬件是相对固定的，实验内容很难有较大幅度的改动，不能适应单片机实验的多样化应用需求，不利于培养学生的工程实践能力和设计创新意识，因此需要适当地增加设计性和综合性实验。在设计性实验中，教师给学生提供51单片机核心板的PCB和对应的元器件，学生在课下完成核心板的焊接和调试，并自主完成外围电路的设计和焊接以实现实验要求。学生完成的核心实验板可以在大学生创新、科技竞赛、科研项目和毕业设计等课外实践活动中再次使用。在综合性实验中，教师提供相应的题目、功能要求和元器件，要求学生首先完成Altium Designer环境下的原理图和PCB绘制，电路板的大小控制在10cm×10cm以内，并指导学生通过嘉立创和捷配等官网在线申请免费打板。同时要求学生完成Keil环境下的软件编程、Proteus环境下的仿真以及最终的实物制作和调试。以基于51单片机的电机测速系统为例，图4是学生完成的Altium Designer环境下的原理图，图5是学生用Altium Designer绘制的双面PCB，图6是Proteus环境下的仿真结果，图7是学生完成的相应的实物制作。

另外，在设计性和综合性实验完成的过程中，要求学生3～4人为一组，原理图绘制、软件编程、Proteus仿真和实物制作都是以小组为单位，每个人的分数由小组分和个人分两部分组成。通过这种方式让学生明白团队协作的必要性以及个人如何在团队中获得自己的价值。通过设计性和综合性实验的环节，实现了从知识课堂向能力课堂的转变。

图5 基于51单片机的电机测速系统PCB

图6 基于51单片机的电机测速系统仿真图

5 课程设计改革

课程设计要求学生应用单片机课程知识完成一个实际应用系统设计的整个过程，此环节既能检验学生单片机知识掌握的程度，也能锻炼学生的工程实践能力[9]。在课程设计任务书中，每个教学班10个题目，学生要完成和自己学号尾数相同的题目，表1是本学院电子信息科学与技术专业1个班级的课程设计题目。每个题目都是由一块单片机、一块外围芯片和其他简单元器件等构成的一个应用系统，要求学生必须完成此系统的硬件电路设计、软件程序设计和Proteus仿真，实物制作为选做内容。

图7 基于51单片机的电机测速系统实物

表1 单片机课程设计题目

在以前的教学中，课程设计任务书是在课程内容全部结束后分配给学生，然后要求学生在一周内完成课程设计并提交给教师批改，这种方式取得的教学效果很差。在现在的教学体系中，课程设计任务书是在课程的CPU硬件知识讲授完成后就分配给学生。通过这种方式，学生一边学习单片机知识，一边着手进行课程设计。同时，这种方式拉长了课程设计各个环节的考核时间，比如在第4周进行硬件电路设计考核，第6周进行软件程序设计考核，第8周进行Proteus仿真考核，第10周进行答辩并完成课程设计报告。这样在课程设计的每个环节，学生都可以和教师进行充分的沟通，有足够的时间进行设计的修改和完善，并通过每个环节的严格考核提高了课程设计的整体质量。

另外，不同于课内实验，课程设计强调学生必须个人独立完成整个设计的全过程，要求学生具备独立设计单片机应用系统的能力。课程设计考核成绩由20分平时成绩、60分设计成果和20分答辩等三部分组成。答辩环节一方面通过教师提问让学生提高对自己课题的认知，另一方面可以杜绝购买成品或代做课程设计的现象。

6 结语

我们以培养应用型人才为目标，以工程教育认证的理念为指导，对单片机课程的课堂教学、课外作业、课内实验和课程设计等环节进行了全方位的改革。经过近几年的实践，实现了从重学轻思向学思结合转变、从重教轻学向教主于学转变，巩固了学生的理论水平，提高了学生的工程实践能力，培养了学生的团队合作精神，增强了学生的创新思维能力。本教学团队在2021年全国大学生电子设计竞赛、飞思卡尔智能车大赛和中国智能制造挑战赛等学科竞赛中指导学生获得A类国家特等奖1项，一等奖3项、二等奖8项的佳绩。并且在近四届TI杯全国大学生电子设计竞赛中，本学院学生荣获国家一等奖8项、国家二等奖8项，总成绩位于安徽省第一名，并两次获得安徽省TI杯。