高职汽车类专业单片机原理课程改革与探索

王新艳，李艺超

高职汽车类专业单片机原理课程改革与探索

王新艳1，李艺超2

（1.天津职业大学 汽车工程学院，天津 300410；2.天津市动核心科技有限公司，天津 300240）

单片机原理是汽车类专业的一门专业基础课，文章通过对该专业的教学现状进行分析，发现在实际教学过程中存在一定的问题。结合汽车专业的典型应用场景，对传统教学内容进行逻辑重构，硬件设计由易到难，实验贴合汽车应用。针对高职学生的人才培养方案中的课程进度安排，考虑到前序课程的影响，对实际教学方式进行优化，以保障教学内容不断层。调整理实课时比例，使课程教学向实验教学倾斜，探索新型教学模式，合理使用仿真软件提高线上教学效果与质量，最后采用多元化考核方式进行评价。实践证明，通过课程教学改革，提高了学生学习的积极性，培养了工程实践能力，拓宽了就业渠道。

单片机；教学模式；课程重构；工程实践

单片机原理课程是工科类专业必修的一门课程，而汽车专业因服务其对象是机电一体化高度集中的产品，汽车拥有众多的汽车电子控制单元，冗余策略使得单片机数量成倍增加[1-3]。学习单片机原理课程，可以更好地理解汽车的控制策略，进而为汽车维修提供思路。对于新能源汽车专业的学生，单片机原理课程的重要性不言而喻，为后续驱动电机系统维修、动力电池技术、充电系统维修、新能源汽车故障诊断等专业核心课程的学习打下基础。因此，高职汽车类专业开设单片机原理课程尤为重要，学生学习效果的好坏也影响着汽车维修的专业性与维修技能的提升，也为学生顶岗实习拓宽就业范围。因此，对汽车单片机原理课程进行课程内容重构、教学方式调整、考核方式修改，具有重要意义。

1 教学现状分析

单片机原理是一门理论与实验紧密结合的课程，是我校汽车检测与维修技术、新能源汽车检测与维修技术、汽车服务工程专业的必修课。本人从事汽车单片机原理课程授课近6年的时间里，对课程教学过程中出现的问题进行总结，主要有以下几点：

1.前序课程不合理，相关前序课程学习效果不理想

传统的单片机原理课程主要面向电子、自动化专业的学生，其专业课中电学的比例较高，学生电学基础较好，对硬件部分设计较为容易，仅需要在专业课程中融入编程思维即可。而对于高职汽车类学生而言，电学课程较少，一般前序课程仅有电工电子课程，没有作为编程基础的C语言课程，以及汽车中常用的传感器课程作为前序课程，无法完全支撑课程内容，电工电子基础课程的学习效果就显得尤为重要。在单片机原理教学过程中，发现较多学生对基本的电路设计能力欠缺，无法单独完成简单的硬件设计，以至于需要在本门课程中，必须进行硬件设计的适当学习补足后，才能正常进行单片机工程设计学习。可见前序课程的重要性，学生学习效果的好坏，直接影响着单片机工程实践中的硬件设计能力。

2.理实课时比例安排不合理

传统的教学模式，理论学时占比远高于实验课，过多的理论讲解使得学生以为课程难度较大，对课程认知产生了一定的误解，会产生一定的恐惧心理。实验课程中，入门程序没有合适的课时练习，之后的程序以教师给定程序、学生抄写代码为主，大多数学生无法对错误代码进行修改，不能独立完成课程发布的工程任务，远达不到课程目标，效果大打折扣。

3.混合式教学效果达不到预期

线上线下的混合式教学模式为教学提供了一种全新的模式，受新型教学模式经验欠缺、网络状况等影响，不能全程监督学生的学习状态，无法实时与学生互动，学习效果可想而知。而在转入线下教学时，需要进行一定的学时的复习，对线上教学内容进行巩固后才能进行之后的教学，对整体进度有一定的影响，无法达到预期。

4.考核方式较为传统

传统课程的评价方式以期末试卷考核为主认定，这种方式难以全面地考察学生的知识运用能力与解决工程实际问题的能力[4]，大多数学生通过考前临时突击复习也能取得较好的成绩，难以从合理、公平的角度去全面衡量学生的课程掌握情况。

2 教学改革探索

2.1 合理选择教材并进行教学内容重构设计

传统的单片机教材，主要包括如表1所示的单片机功能性章节。开篇介绍单片机硬件系统后，紧接着是整章节的C语言程序基础，以补足或简要复习编程语言规则。然后，根据单片机的功能，依次是IO（Input/Output）口、中断、定时器/计数器、串行口、拓展技术等，部分教材会根据需要进行章节顺序调整等。传统教材不涉及汽车上的相关应用，章节内容的排序，不适合高职汽车专业学生，学生不能从教材中寻找出单片机与汽车的关联，缺乏代入性。因此，教师在选择教材时，可以选择汽车单片机原理相关教材，这种教材的实验项目会将汽车与单片机进行结合，并突出汽车单片机控制技术，更加便于该专业学生的自学与理解。

在教学中，需要根据学生专业基础，将其在汽车中的应用逐步渗透到章节中，以较为简单的入门基础开始，逐步加大硬件设计难度与编程运用难度。根据学生电学基础，合理进行教学项目与进度设计，项目设计以其在汽车中的应用为主，为后续课程做好铺垫。

表1 传统单片机主要章节内容

章节教学内容 1硬件结构与工作原理 2C语言基础与C51程序设计 3C51接口技术 3C51中断系统 4C51定时/计数器 5C51串行口技术 6C51单片机系统拓展技术

在教学内容重构过程中，根据硬件电路设计方法，由易到难进行重构。单片机的入门一般以点亮一个发光二极管（Light Emitting Diode, LED）开始，对应的硬件设计也比较简单，即将限流电阻与发光二管串联后接到单片机IO口，通过简单的IO口高低电平控制LED亮灭，使学生掌握编程入门技巧。点亮单个LED灯、点亮多个LED灯、单个LED灯闪烁、多个LED灯闪烁、花样LED灯等，现象由易到难，通过对流水灯进行各种类型控制，使学生将C语言编程入门基础打牢的同时，能对单片机IO口的控制方法灵活并熟练掌握。

共阴或者共阳数码管的内部是由LED灯通过不同的正负极连接方式构成的，将控制端连接至IO口，可由LED灯的控制机理很快过渡到数码管的控制方法学习中。从静态显示到动态显示，为秒表的实现奠定基础。

LED灯、数码管是常用的显示器件，进一步则由按键进行控制其如何显示，实现对按键的控制进行过渡，汽车的组合开关、仪表台、中控台中的应用场景极多。如图1所示，将硬件难度逐步加大，使学生逐渐适应，以减少课程接受难度。

图1 硬件难度控制

整个项目进度，硬件难度逐渐加大，控制方法逐渐升级，如表2所示，每个功能对应汽车上的某些应用，使学生能更好地理解学习这门课程的必要性，为传统汽车和新能源汽车的检测与维修打下基础。

矩阵键盘信息采集与显示、电机控制、传感器信息采集与处理、通信原理等部分，可以根据学生具体掌握情况、学时等适当增减项目数量，但是必须保障基础良好，为后续课程、汽车维修、顶岗实习、就业等保驾护航。

表2 实验项目设计

硬件效果在汽车上的应用单片机功能 点亮LED灯汽车驻车灯点亮设计控制IO口 LED灯闪烁汽车转向灯设计控制IO口 花样流水灯汽车报警灯设计控制IO口 数码管静态显示汽车里程显示控制IO口 数码管动态显示车速实时显示设计控制IO口 数码管秒表交通灯设计定时器 按键信息采集与显示汽车组合开关信息采集中断

2.2 教学方式调整

传统的单片机课程，很多是以汇编作为编程语言，C语言具有灵活方便、可移植性强等优势，逐步取代了传统复杂的汇编语言。对于汽车专业高职学生，一般在人才培养方案中没有开设C语言基础相关课程，学生没有编程基础，就需要在课程中进行讲解。结合现存教材的特点，常规的教学方式是安排合理的学时专门讲解C语言编程规则。但是，在近几年的教学过程中，发现这种教学方式并不符合青少年学生的学习特点。一般的单片机实验机房仅能对单片机程序进行编程与验证，并且实验开始时间比较靠后，基础C语言教学在前期进行介绍，学生并不能进行实时练习，空洞的理论不利于学生掌握C语言。因此，单纯章节的讲解C编程语言需要改变引入与学习方式。

本人在实际教学过程中，并未单独将C语言作为一章节进行讲解，而是将C语言融入编程中，具体到汽车单片机实验中，用到什么关键字再进行实际效果练习，并在Keil显示“WARNING”时进行纠错，以加强学生记忆。比如，在“汽车仪表灯点亮”实验项目中，可以在学生练习、实现实验效果后，对C语言的关键字、函数结构特点等依次进行介绍，提高学生学习兴趣的同时，利于学生理解与记忆，做到在练中学，在学中加深理解。

若在实际教学中，无法保证在实验课中对C代码进行讲解与练习，可以在理论教学中，介绍C语言规则的同时，实时演示操作方法与效果，向学生逐步演示Keil软件书写C代码的过程，强调关键字大小写、书写特点、代码的完整性等细节注意事项。

2.3 探索新型教学模式

随着线上教学或者线上线下混合式的新型教学模式成为常态，也为教学模式提供了新的思路。但在推行线上教育的过程中，也存在着重视不够、教师和学生不适应、教学准备不充分、教学资源不充足、网络传输不流畅以及缺少有效的心理疏导方法等诸多问题，必须认真分析解决[5]。对于一个全新的线上教学模式，需要在线上教学过程中不断探索寻找出路。

在线上教学过程中，使用学习通软件建立课程架构，建立引入视频，设计讨论主题，设置视闯关环节等，通过后台监控学生学习效果并予以反馈。尤其在闯关环节，后台数据活跃度较高。

2.4 调整理实学时比例

对于注重能力型的课程，加大实验环节比例是必然的。以天津职业大学汽车工程学院新能源汽车检测与维修专业为例，课程共72学时，其中理论24学时，实验48学时，学期中后期的课程几乎都在实验中完成，极大地提高了学生的学习效果。如果条件允许，理实一体化是最好的方式，学生可以随时进行实验练习、纠错与验证。

2.5 合理使用仿真软件

对于线上教学方式而言，Proteus完全可以脱离实物进行硬件仿真，并实现与Keil软件之间的联调，实现类似于工程项目的调试工作。Proteus是专门为单片机仿真而设计的，单片机仿真库里有51内核单片机，这也是学校会以Atmel公司的AT89C51芯片进行授课的原因。除此之外，还有HC11、PIC10/12/16/18/24/30/Ds PIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年增加了Cortex和DSP系列处理器，最近又增加了目前流行的Arduino和嵌入式单片机STM32系列[6]。在硬件库里，有探针、电压表、电流表、万用表、信号发生器、示波器等，方便对硬件电路进行设计与调试，电路参数可以根据需要进行修改。在进行硬件仿真时，对于高低电平有不同的方块进行显示，信号电平高低切换时，方块颜色也会随之切换，可以根据实际显示效果判断问题所在，仿真效果更加直观、生动，减少仿真调试时间，这是实际焊接电路板无法超越的。软件使用Keil软件，编辑成功后生成HEX文件，即可进行软硬件的联调，减少了实做失误。对于学校实验室而言，这种方式也减少了实验耗材经费开销，在硬件电路或者芯片烧坏的情况下，也不失为一种教学解决方法。在学生编程效果较好的前提下，也可以开展课程设计环节，实现从仿真到实做，实现真正意义上的工程项目设计与调试。

2.6 合理的考核评价方式

以学生学习成果为导向，注重学生实际工程解决能力，对单片机课程的考核方案需要多元化、多层次设计，线上、线下或者混合制教学需要对比例进行适当调整。以天津职业大学汽车工程学院为例，过程性考核和终结性考核两种方式进行。过程性考核占60%，占比较大；终结性考核占40%，为学生期末卷面成绩。其中，过程性考核主要包括，创新能力10%、团队精神10%、课程参与程度20%、实验工单成绩20%。

在实验课程中，需要以团队的方式进行模块化阶段性考核，以实现某个现象为工程目标，不限制实现方法，最终根据团队表现给定实验成绩，极大地提高团队协作能力、解决工程能力等。不同的方法实现同一现象，也使每个学生逐渐形成自己的编程习惯。

2.7 思政元素的融入

无论对于软硬件仿真还是硬件焊接调试，思政元素需要时刻融入教学，使学生理解编程与代码的特点。对于代码格式，需要学生提高审美观念，代码需要根据关键字特点进行逻辑对齐，方便成组、成对查找错误。比如，使用while进行循环时，其内置if指令，则while大括号应比if大括号靠外侧并分别对齐。若在编译时出现错误，可以很快进行定位并发现错误。进行硬件焊接时，需要对硬件布局美观、合理，做到跨线最少，尽量焊接成直线。绘制印制线路板（Printed Circuit Board, PCB）电路图，则应合理布局，尽量避免电磁干扰，接插件放置在靠近外围，方便插拔等，符合事物发展的一般规律。汽车技术的发展依赖于电子技术的升级，国产新能源汽车技术的崛起，也依赖于电子电路技术的迅速发展，逐渐提升学生的国家自豪感，提升自身的创新创造能力。鼓励学生多参加“互联网+”、挑战杯等创新创业大赛，真正地将知识变成科技，培养大国工匠精神。

3 结束语

经过几轮的教学改革，教学形式、架构、内容等不断优化合理，不同的教学手段提升了学生的学习积极性，并取得了一定的效果，学生成绩较之前有一定的提升。单片机课程学习较好的学生，也可以在专升本的C语言专业课考试中有极大的优势，提升了学生专升本的学历深造积极性。学生进入教具设计企业、汽车仿真相关企业进行顶岗实习，拓宽了就业渠道。

[1] 柴彬.思政育人在汽车发动机电控系统检修课程中的探索[J].汽车实用技术,2023,48(1):168-172.

[2] 高学勤.基于“1+X”证书制度的“一平台、三融合”信息安全技术应用专业教学改革研究[J].教育观察, 2023,12(4):88-91.

[3] 宋利.基于“互联网+”的职业教育教师培训思路与策略研究[J].教育信息化论坛,2022,131(12):21-23.

[4] 王佳,赵耕云.基于OBE理念的单片机课程项目化教学改革探索[J].汽车实用技术,2022,47(23):211-214.

[5] 孙百鸣,杜丽萍,陈志平.高职院校疫情防控期间线上教学的思考与实践[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2021(3):23-26.

[6] 丁莉,何波,丁有军,等.Proteus仿真软件在单片机教学中的应用[J].教育教学论坛,2019(45):256-257.

Exploration of SCM Principle Course Reform in Automotive Major in Higher Vocational Colleges

WANG Xinyan1, LI Yichao2

( 1.College of Automotive Engineering, Tianjin Vocational University, Tianjin 300410, China; 2.Tianjin Dynamic Core Technology Company Limited, Tianjin 300240, China )

Single-chip microcomputer principle course is a basic course of automobile specialty. Through the analysis of the teaching status of this article, it is found that there are some problems in the actual teaching process.Combined with the typical application scenarios of automobile, the traditional teaching content is reconstructed logically, the hardware design is from easy to difficult, and the experiment is suitable for automobile application.In view of the curriculum schedule arrangement in the talent training program of higher vocational college students, taking into account the influence of the previous course, the actual teaching method is optimized to ensure the continuous level of teaching content.Adjust the proportion of time management hours, make the course teaching inclined to experimental teaching, explore new teaching mode, reasonable use of simulation software to improve the effect and quality of online teaching, and finally adopt diversified assessment methods for evaluation.Practice has proved that the curriculum reform has improved students' learning enthusiasm, cultivated engineering practice ability and broadened employment channels.

Single chip microcomputer;Teaching mode;Course reconstruction;Engineering practice

G642

A

1671-7988(2023)20-155-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.031

王新艳（1987－），女，硕士，讲师，研究方向为汽车电子技术，E-mail:337683449@qq.com。

天津职业大学教育教学改革专项课题（JGZX2023010）：岗课赛证融通新形态教材的探索与实践。