单片机课程设计教学改革探究

崔凤英　樊春玲　周春丽

［摘 要］单片机课程设计教学目前仍存在不足，文章提出一种新型的开放式教学模式，并从课程设计形式（时间、地点）、设计内容和考核方式等方面对开放式教学模式进行了阐述，同时详细分析了开放式教学模式落地所需要注意的事项。实践结果表明，开放式教学能够大大激发学生的学习兴趣，提升学生实际动手能力，培养学生自主创新精神，满足新工科建设的要求。

［关键词］单片机课程；开放式教学模式；课程设计；考核方式

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）04-0056-03

引言

随着科学技术的发展，单片机在智能仪器仪表、工业过程控制、计算机集成控制、人工智能、通信设备等智能化方面的应用越来越广泛，以单片机和各种微处理器为核心的技术成为实现智能化技术开发应用的主流方向[1]。单片机原理与应用课程（以下简称单片机课程）是青岛科技大学在测控、自动化及其他相近专业开设的课程，是继电子类课程（如电路、模电和数电等课程）后开设的必修专业课。该课程是否学好在学生将来就业时起着举足轻重的作用， 因为目前很多工科类的职位要求大都与电子类以及单片机的知识相关。因此，对于自动化专业的学生来说，学好单片机课程不仅是为了拿学分，更是为了培养自己的专业能力，以适应未来工作的需要。单片机课程设计正是对所学专业课程知识的综合运用，是理论联系实际的产物，是培养学生实践创新能力的有效载体[2]。

目前，在单片机课程设计中普遍存在两方面的问题：一方面，多数学生对该课程有一定的兴趣， 但存在畏难情绪。学生已经学习了有关的基础知识，渴望有机会去尝试和验证学习效果，但单片机课程设计的特点是综合性强、实践性强，同时还具有工程性的特点， 设计过程中经常会涉及电工电路和电子方面的知识，内容涉及范围广， 尤其是课程基础未打牢的学生学起来很费劲，因此很多学生存在畏难情绪。另一方面，部分学生缺乏思考习惯，习惯指令性学习，如果教师不给出具体说明就不会学习；或者是教师直接给出设计方案，学生生搬硬套，缺乏主动思考，难以提出自己的见解，也不能发现问题。这种培养方式还是以教师为中心，培养出的学生在社会上缺乏竞争力，不符合新工科建设对人才培养的要求。因此，探索一种新的教学方式来缓解和消除学生的畏难情绪，培养和训练学生的思考习惯非常必要[3]。基于此，本研究尝试把开放式教学模式应用于单片机课程设计教学，取得了较好的教学效果。

一、单片机课程设计开展开放式教学的必要性和意义

传统的单片机课程设计存在以下几个问题：一是时间安排有待完善。課程设计时间一般安排在学期末，和单片机理论课程的教学安排在同一个学期，是在理论课教学结束后进行的，这样的安排导致课程设计时间滞后，而且时间集中在一周内，很多学生感觉课程完成度较差。二是设备固定。课程设计的进行主要依托于实验室的仪器和设备，而期末实践类课程相对集中，导致实验室仪器设备不好安排。三是考核模式单一。由于题目相对固定，实验结果趋于雷同，考核主要侧重于学生课程设计报告，因此难以真实地衡量和考核学生设计水平[4]。总之，诸多限制因素使课程设计教学仍是以教师为中心而不是以学生为中心，学生的学习积极性受到限制，也无法满足学生的求知欲，制约了学生综合素质和综合能力的发展。因此，单片机课程设计通过开放式教学改革，可以增强教学的灵活性，激发学生的创新潜能，提升学生的动手实践能力，培养出满足社会需要的高素质人才。

二、采取开放式教学模式开展单片机课程设计教学的探索

开放式教学模式是指教学处于一种全开放的状态，包括教学的时间、地点、设备、内容、指导方式和考核方式，所有都是灵活的，无固定模式，学生可以尽情发挥想象力与潜力。开放式教学模式给学生安上了飞翔的翅膀，有助于充分激发其想象力和创新思维[5]。因此，单片机课程设计的开放式教学是对课程设计教学的改革。

（一）注重教学时间的灵活性

以往的课程设计通常安排在学期末，实践类课程较集中，而且这也是很多课程的考试时间，学生们忙于各科考试，此时如果需要做课程设计，极易导致学生重视理论课考试而忽视课程设计，这就违背了开设课程设计的初衷。教学时间开放的模式就是在学期开始时安排课程设计任务，把课程设计的过程贯穿于整个学期，相当于是采用项目式的教学方式完成对理论课程和课程设计的教学。在理论课授课的同时安排设计任务，这样学生在学习理论的同时便能结合所学知识构思设计内容，平时多观察多思考，不断积累相关知识素材与能力。正是这种长时间的思考和思维方式，训练和培养了学生的思考习惯，也提高了其创新思维能力。时间的开放性使学生可以自由支配时间，灵活性强。在实施过程中交叉进行理论知识学习和实践探索，有助于培养学生的思考习惯与知识应用能力，达到以理论指导实践和通过实践验证理论的教学目的。

（二）注重教学地点的开放性

教学地点的开放性是指学生开展课程设计的地点不再局限于实验室。高校实验室设备使用一般是周期性的，每个学期的实验周数较少，实验室很多时候都是闲置的，比如很多专业实验室只是在后半学期集中开设2至8周时间。课程设计因为内容具有开放性，各种类型的课题都有，学生可根据自己的需要选择某些实验仪器，体积小的仪器甚至可以借出，让学生带回宿舍进行实验。只要是有利于学生有效开展实验的资源和条件都可以利用起来。比如电子实验室、智能仪器实验室、检测仪表实验室、仿真实验室等，学生如果需要都可以申请使用。注重教学地点的开放性不仅改善了仪器使用率低的状况，更重要的是整合了实验资源，为学生创造了良好的学习环境，有助于学生更好地完成课程设计。

（三）注重教学内容、方式、过程的开放性

兴趣是最好的老师，兴趣使学生可以全身心投入。学生根据自己的兴趣进行选题，这就大大提高了学习的积极性与效率。而且从确定选题到查阅资料、制订设计方案，再到阅读仪器说明书、准备实验器材、组装实验装置、开展实验编程，一直到最后的实验调试和结果分析等， 在这一系列的过程中， 学生始终处于自主状态[6]。这种新的教学模式正是按照工程教育专业认证的要求做到以学生为中心。课程设计最开始是单一的题目，全班一个类型，后来改为每班三个或五个题目，学生可以任选。但是教师个人的想法毕竟还是有限的，思维方式是个人化的，不能全面照顾到所有学生的兴趣爱好，因而效果不理想。

开放式教学真正体现了以学生为主体的教学理念，具体实施内容包括六个方面。（1）选题：学生根据自己的兴趣进行选择。（2）制订设计方案：学生通过图书馆、网络等平台查找相关资料，同时还可借鉴师哥师姐的经验，独立地去完成。查找资料筛选资料的过程本身就是一种学习过程、一种锻炼，这个过程对很多学生来讲是一个挑战，但受兴趣的驱使，学生们跃跃欲试、乐此不疲。（3）仪器设备：学生可以去实验室申请，或自己购买元器件。（4）画电路图和PCB制版：根据方案，学生用Altium Designer画各部分硬件电路图，自己焊接器件，进行调试。（5）软件设计：根据任务要求，运用课程所学的理论知识进行编程，通过程序的上傳下载，不断调试，实现相关功能。（6）系统搭建和测试：学生搭建各器件，对软硬件进行连接调试，直到最后输出结果。

在实施这种新的教学模式过程中我们发现，学生具有巨大的学习潜力，其选题内容多样化，即便是题目类似其方案也是多种多样。比如有工业应用方面的智能温度测试仪、液位控制系统、空调机控制系统，有医学应用方面的心率检测仪、脉搏检测仪、血压检测仪等，有生活应用方面的激光电子密码锁、多功能电子时钟、自动浇花系统设计，有娱乐应用方面的光立方设计、电子琴设计、智能避障小车等。教学内容、方式与过程的开放性，让学生充分发挥其想象力和创造力，学会从生活中发现问题、分析问题和解决问题，在尝试、挑战、失败与成功中培养专业能力。

（四）注重考核方式的开放性

不再局限于一种考核方式，而是采取多种方式进行综合考查、全面考查。单片机课程设计成绩分配包括四个部分：一是考勤，占10%；二是设计成果展示，这部分是重点考核内容，占60%；三是答辩环节，占10%；四是设计报告，占20%。考勤主要是看平时签到次数以及平时学生提问的情况，对于所提问题有深度、思考能力强的学生可适当加分。设计成果展示，既要看运行情况，也要看课题内容的难易程度和宽泛程度，由导师掌握。答辩环节主要是展示PPT，查看学生PPT的制作能力，现场讲解的表达能力。设计报告重点看学生撰写能力，是否结构合理、重点突出、层次分明、叙述清楚等。通过这几个方面的考核，基本可以全面考查学生基础知识掌握情况及知识应用的能力，学生发现问题、解决问题的能力以及综合素质情况。

三、单片机课程设计开放式教学实施需要注意的问题

如何管理学生学习过程是一个重要的环节，必须有合理的管理措施保证开放式教学的有效实施。

其一，开放式教学要建立考勤制度，要增强学生的组织纪律性。考勤不能按照常规做法进行，本研究采取的方式是把每个班级作为小组，安排一个负责人，每个星期学生要向负责人汇报这一周的学习进展，说明时间地点，同时有数据或截图记录。每个班有一个考勤报表，每周提交一次，学生之间互相监督。

其二，开放式教学要有完善的任务书和考核要求，保证课题内容的质量，比如对选题的正确性、与课程的关联性以及难度适中等进行规定。这方面指导老师要在设计伊始就提出明确要求，学生在选题时也只有一定程度的自由，学生选好题后，设计方案必须经过指导老师审核，合格后再开始具体实施，这样有助于保证选题合理和内容达到质量要求。

其三，指导要及时有效和多样化。指导可以通过QQ、邮件、电话或者在办公室、实验室面对面进行，时间的灵活性较强，最大限度保证学生的问题得到及时解决。课程设计的每个阶段都有指导老师参与。指导老师清楚每个学生的设计进展情况，随时督促学生，保证设计有效进行。

单片机课程设计的开放式教学，从始至终都强调发挥学生的主体作用，体现以学生为中心的理念。开放式教学也对教师提出了更高的要求， 其涉及的知识面更广，教师必须不断加强自身的专业学习，不断更新知识储备，提高自身综合素质，积累实践经验，才能够全方位地指导学生开展课程设计。

四、结语

单片机课程设计开放式教学的改革和实践，是在工程教育专业认证以学生为中心理念的指导下，对原教学模式进行探索与创新。文章从教学的时间、地点、内容和考核方式等方面给出了改革思路或具体实施过程。实践结果表明，该模式能够充分激发学生设计的兴趣，锻炼学生思考能力，培养学生创新意识，增强学生发现问题、解决问题的能力，深度挖掘学生的潜力，提升学生工程实践应用能力，所培养的学生在将来毕业时具备较强的竞争力，是一种有效的值得推广的教学模式。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 祖一康，徐妙婧，徐纯辉.基于 CDIO 理念的单片机课程设计教学模式研究[J].计算机教育，2019（9）：34-37.

[2] 刘献君.论大学课程设计[J].高等教育研究，2018，39（3）：51-57.

[3] 于海龙.工程教育专业认证背景下的课程教学改革研究[J].教育教学论坛，2018（42）：119-120.

[4] 葛浩，林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理，2011，28（10）：138-140.

[5] 元泽怀. 开放式设计性综合实验课程教学的改革与实践[J]. 实验室研究与探索，2009，28（11）：120-122.

[6] 王晶，胡立夫.嵌入式课程设计开放式教学的研究与实践[J].教育现代化，2016，3（38）：257-258.

［责任编辑：庞丹丹］