应用型本科单片机课程实验教学体系改革与实践探究

吴洪艳

关键词：单片机；实验教学；改革实践；虚实结合

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）10-0157-03

1引言

目前我国高等教育实施的“新工科”建设重要战略举措，引领了教育教学变革，为高等工程教育带来了机遇和挑战。“新工科”建设背景下，如何培养具有综合实践能力，能解决复杂问题的工程创新人才，对高等工程教育提出了新的要求。“新工科”建设的根本目标是提高人才培养的质量，其中课程质量起到至关重要的作用。教育部实施的一流本科课程建设要求树立课程建设新理念，推进课程改革创新[1]。在国家本科教育改革大背景下，岭南师范学院也积极探索课堂教学改革新思路、新途径。

单片机即微型计算机在测量、仪器仪表以及智能家电等多个领域广泛应用，也是作为应用型本科电类专业开设的一门必修课。单片机原理与接口技术课程知识量丰富，设计性原理多，并且课程内容涉及软件设计和硬件设计等多门基础课程知识。学生普遍反映课程内容学习难度大，知识点分散，很难理清逻辑脉络，因此学完理论知识之后，实践时还是无从下手[2]。为了提高教学效果，达成课程目标，提升学生创新实践应用水平，对当前单片机实验教学体系进行改革与实践有着重要意义。

2课程实验教学存在的问题

2.1理论教学与实验教学脱离

单片机原理与接口技术课程实验学时相对比较少，教学安排通常是学生在教室学完理论之后再进行实验室的实验教学环节，往往实验教学内容不能与理论教学内容进度一致，实验教学相对滞后理论教学，容易造成做实验时学生对所学知识发生遗忘的情况。除此之外，一次实验只有90分钟，时间不够充足，学生只能按照实验指导书的步骤搭接硬件，下载程序，完成验证性的实验内容。对于动手能力差的学生，难以在课堂内完成实验教学内容，导致课程结束后，学生仍然对知识体系缺乏理解，在实践设计应用中无从下手，学生的专业素养、实践能力和创新能力难以实现。

2.2硬件固化，缺乏设计感

此课程特点是实践应用性突出。现有实验教学设备是固定的实验箱，硬件电路都是封装起来，学生实验时只能参照指导书说明搭接有限的连线，不能从总体上看到全部的设计电路，学生无法感知实际的硬件设计过程，虽然完成了基础实验内容，但学生对硬件设计还是不知所以然。因此，这种情况极大限制了学生的技能训练，不能提高学生创新思维[3]。

2.3教学内容缺乏挑战性，教学手段单一

一般情况下，教师往往按照单元内容讲授知识，然后在单片机实验箱上完成几个与章节知识相对应的验证性实验。实验内容大多是基于单元知识的，期末考试时也是基于基础知识的理论考核。这样的教学缺乏挑战性的内容，不能启发学生创新思维。教师没有着眼于单元整体或者各个单元之间的联系，没有考虑学生学习的整体性和系统性，没有展开深度学习训练，没有完整的单片机应用设计。例如实验教学中由于学时少的原因，只是按实验计划安排了流水灯、中断、定时器、串行通信等验证性实验，没有开展具有一定挑战度的探究性综合实验内容。另外，教学方法手段也比较单一。通常做法是上课时先简单讲解与实验内容相关的理论知识，然后学生设计软件、敲代码以及按照指导书连接实验箱上硬件。一个实验课通常是2学时（90分钟），在有限的课堂时间内学生只能完成基础实验内容，甚至小部分学生连基础实验内容都完成不了。这种实验教学方法不能有效训练学生动手实践能力，更谈不上培养创新型人才。另一方面，容易造成学生忽视实验课，上实验课就如同走马观花一般，难以调动学习积极性。

2.4考核评价重理论轻实践，重结果轻过程

传统的考核方式往往是“一卷定乾坤”，只是课程结束后一张理论试卷考核作为学习评价。因此导致學生通常是临时抱佛脚，死记硬背理论知识应付考试，考试成绩难以反映学生的学业水平。在信息技术广泛应用的当下，要改革传统的考核评价方式，重视形成性评价的作用，调动学生上实验课的积极主动性，训练学生动手实践能力。

3课程教学改革与实践探究

在“新工科”“互联网+”改革背景下，分析单片机原理与接口技术实验教学存在的弊端，课程组进行了系列改革探索，包括优化的教学内容、信息技术支持的教学方法、虚实结合的教学手段、多元化评价方式等。

3.1优化教学内容，构建多层递进的实验教学体系

结合应用型本科单片机课程和培养创新型人才的基本特点，构建了“单片机原理与接口技术”课程多层递进的实验教学体系。实验教学分为四个层次：基础模块、拓展模块、创新模块、课程设计模块[4]。每次实验课内容从一个基础模块开始，完成一个知识点有关的验证性实验；然后在此基础上进行拓展模块，完成有一定挑战性的实验任务；再者考虑知识前后贯通性，结合前面实验知识点以及本次实验知识点，完成创新模块内容；最后在完成所有课程实验后布置课程设计模块，设计有实际应用价值的具体题目。例如在做定时计数器实验项目时，基础模块要求：①验证定时器、计数器例程（proteus、实验箱验证）。②在例程基础上，使用定时器设计一个一位的LED数字秒钟，逢十归零（proteus、实验箱验证）。拓展模块要求：① 综合外部中断实验项目知识，设计三个按键，分别实现计时的启动（用外部中断）、计时的停止（用外部中断）和清零（用查询）（proteus、实验箱验证）。创新模块：设计两位的LED数字秒钟，逢60归零（proteus验证）。在做串行通信实验项目时除了完成基础模块，可以在定时器实验中一位秒表的基础上设计PC秒表。数码管、PC同步显示秒时间以及设计PC时钟，显示时、分、秒。课程设计模块要求：当所有实验内容完成后，安排具有综合应用性的课程设计题目，学生3人分一组选择一个题目。学生经过查阅资料、硬件设计、焊接电路板、软件设计、调试等一系列实践过程完成设计任务。通过课前虚拟仿真和课上实验箱相结合，以及焊接电路板的实物制作等多层次递进的实验教学体系，紧紧围绕培养学生创新实践能力展开，充分发挥了学生学习主观能动性，学生学习投入高。另外部分实验内容可以课前仿真完成，弥补了课堂上时间少的问题。

3.2线上线下混合式探究性教学方法

单片机原理与接口技术课程实验学时少、实践性强、知识点多而杂，实验课上既有硬件设计也有软件设计。在每次仅有90分钟的实验课堂上，如果学生对实验内容相关的知识点不掌握，则整个设计过程无从下手。虽然学生基本掌握知识内容，但是在课上老师讲解演示，学生完成硬件画图和软件编程的仿真和实物操作，将耗去大部分时间，结果造成学生只完成验证性的基础模块任务，甚至少部分学生不能完成基础模块任务。所以传统的教学方法不能激发学生的学习兴趣，教学效果不理想[5]。

改革传统教学模式为线上线下混合式探究性教学方法，具体实施过程为：①课前，超星学习通线上发布实验任务和要求以及实验相关内容的知识点测试题，督促学生进行复习。超星学习通上的测试题可以帮助学生了解知识水平，查缺补漏，也可以使教师精准掌握每个学生的学业状态，给予个性化反馈支持。教师线上发布录制好的基础实验部分的演示视频，学生自主学习，并通过安装在个人电脑上的仿真软件进行实验仿真。②课中，完成基础模块实验内容并在实验箱上验证，然后完成拓展模块内容。拓展模块采用任务式教学，学生2～3人组成小组，小组成员共同探究，给出设计方案，完成任务，锻炼了学生组织能力与协作能力。③课后，继续完善拓展模块任务，总结实践过程中遇到的困难及解决办法，进行反思。布置创新模块，小组探究性协作完成，并把设计过程录成视频，上传超星学习通上供教师查阅。线上线下混合式教学模式弥补了传统教学的不足，解决了课时紧张问题，更加注重学生个性化，为学生开展探究性学习和创新实践提供了先进手段。激发了学生学习动机，有利于引导学生创造性学习，并使学习变得更加灵活自由。

3.3虚实结合的教学手段

虚拟仿真技术越来越广泛应用于高校实验教学中。虚拟仿真软件具有丰富的虚拟元器件资源以及各种虚拟仪表，可以模拟真实情景，使设计更加自由与方便。根据单片机原理与接口技术课程需要软硬件设计以及实验教学学时不足的特点，将proteus和keil仿真软件引入课程实验教学中非常有必要。虚拟仿真软件应用于单片机实验教学中，能够突破时间和空间的限制，学生可以在任何时间、任何地点在自己的电脑上自主设计电路，开展实验。这种虚实结合的实验教学手段，不仅有助于培养学生自主学习能力和实践能力，而且能够提高实验教学质量[6]。

在传统的单片机实验教学中，学生按照实验指导书中的硬件连线说明在实验箱上完成连线，然后编写代码，下载到实验箱中运行，观察结果。实验箱中硬件电路都是固化的，实验时只能进行简单的连线，这样造成硬件电路设计不直观，往往容易忽视硬件设计，教学目标难以达成。而采用虚实结合的实验教学手段，学生可以利用proteus软件中的虚拟器件与仪表，画出硬件电路图及观察结果。结果正确以后，在实验箱上对照仿真软件中的电路图来连线，下载程序，观察结果。有时仿真结果正确，但实验箱上实物操作时结果错误，学生逐步排查出错的原因（连线错误、参数选择错误等）。采用这样虚实结合的教学手段，硬件、软件设计过程清晰呈现，可以锻炼学生实践动手能力以及解决问题能力[7]。例如单片机控制液晶屏显示实验，学生利用proteus和keil仿真软件设计硬件电路和软件代码，实现功能，然后在实验箱上完成相同功能，如图1、图2所示。

3.4多元化考核评价方式

考核评价是检验教学成效和学生学习效果的重要手段，改变传统以理论考试成绩为最终考核方式，将实验成绩加入课程最终考核成绩中。完善课程实验成绩的考核方式，促进学生自主学习，增强实践能力，提高实践教学质量。考核方式从单一化、结果化向多元化、过程化转变[7-8]。实验考核成绩占课程考核成绩的20%，实验考核既包含实操考核又包含过程性评价考核。借助超星学习通平台可以获得学生的线上预习成绩和创新模块成绩等过程性评价，实操考核由基础模块、拓展模块完成情况给出成绩。这种多元化考核评价方式贯穿了线上课前预习和课后深入探索，线下课堂实践等各个环节，增加了教学内容的高阶性和创新性以及学生学习的挑战度，既可以动态掌握学生学习效果，又可以提高学生解决问题的综合实践能力。

4实践效果

在2021～2022的两年时间里，对岭南师范学院电子信息工程专业的2个年级的单片机原理与接口技术”进行实验教学改革与实践，效果显著。该课程的期末试卷考核成绩有所提升，平均分提高了5分，這从一定程度上说明了通过改革实验教学，学生加深了基础性知识的理解。实践过程中仿真——实物验证——自己动手组装单片机应用系统等，锻炼了自己动手解决问题的能力，而且在学习过程中开展小组协作、深入学习，调动了学生学习热情，达到了课程培养目标。学生也积极报名参加省级以上电子设计大赛取得好成绩。改革成效在毕业论文选题中也有体现，选单片机应用系统开发题目的学生越来越多，减少了因害怕而不敢选的人数[9]。

5结束语

在当前“新工科”及“两性一度”金课背景下，开展应用型本科单片机课程实验教学体系改革与实践探究，促进人才培养质量提高是势在必行。考虑单片机原理与接口技术课程特点以及实验教学中存在的各种难题，优化教学内容，改革教学方法与手段，实施多元化考核评价。运用信息技术与智慧学习管理系统的优势，实施线上线下与虚实结合的教学方法与手段，可以充分培养自主学习能力，而且教师也能及时发现学习消极懒惰的学生，给予督促与帮助。在教学内容安排上能够利用线下线上多个时空进行深度训练，大大提高学生独立思考和解决问题能力。改革之路还在继续，今后将在教学内容上以及线上线下教学设计中开展深入探究。