面向创新型应用人才培养的单片机课程教学改革探索

冯琤，郭丽红，包永强，宋宇飞，徐伟业

（南京工程学院，江苏南京 211167）

单片机原理及应用课程是电子信息类专业的一门重要基础课程，在课程体系中起着承上启下的重要作用[1-2]。课程以实际工程应用为基础，以MCS-51系列单片机为模型，由浅入深、循序渐进地设置了单片机的基础、结构与功能应用等理论知识，用来培养动手能力强、符合实际需求的单片机专业人才。单片机原理及应用课程的学习难度较大，例如课程中硬件电路设计、逻辑程序设计与编写等，对于应用型本科高校的学生而言，是非常重要的内容，也是比较难掌握的知识。

在传统的单片机课程教学过程中，大多是教师讲，学生听，教师占主导地位，学生处于被动学习状态，这种教学模式容易导致学生失去学习兴趣，难以培养学生独立思考问题的能力[3-4]。同时，学生对基础知识的掌握往往相对薄弱，且大多数学生并不喜欢理论性强的课程。传统PPT+板书的教学手段显得枯燥无味，难以吸引学生对课堂的注意力，降低了学生的学习兴趣。另外，在学生学习效果评价上，目前主要依据理论试卷的分数，虽然实现了知识点在教学和考查过程中的统一化与标准化，但是对于单片机这类课程，对学生理论知识掌握情况的考查只是一方面，更需要考查学生发现问题、分析问题和解决问题的能力[5]。为了实现创新型应用人才的培养目标，面向应用型人才培养的单片机课程教学的创新与实践是十分必要的。

1 教学目标设计

根据成果导向教育理念[6-7]，课程教学目标围绕学生职业能力发展提升进行重构，培养学生利用单片机系统解决设计问题的能力[8-9]。最新版的单片机课程大纲以应用型人才的需求特点和毕业要求为出发点，确定了包含知识目标、能力目标和素质目标三部分的教学目标。

知识目标：旨在要求学生掌握MCS-51 的基本结构和工作原理，熟悉MCS-51 的寻址方式、指令系统，掌握汇编语言和C51 程序设计方法、MCS-51 内部中断系统、并行I/O 口、定时器/计数器、串行通信口等资源的使用方法；掌握常见外部设备和接口。该部分要注重工程实例的适当引入，使学生更加清晰地认识到重点内容在行业的应用，能够正确使用单片机系统资源分析和解决问题。

能力目标：旨在要求学生具备基于MCS-51 单片机的小型电子应用系统设计、调试以及开发能力。以培养学生工程实践能力为切入点，着重培养学生的单片机基础知识，工程实践能力、发现问题和解决问题能力。在此过程中学生自主发挥，注重个人创新能力的提升。

素质目标：旨在培养学生的工匠精神、精益求精、社会责任感等，帮助学生建立正确的人生观、价值观，使现自我认同，激发学习的内动力，并在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

2 教学内容设计

单片机课程以MCS-51 系列单片机为基础，系统介绍单片机硬件结构、资源、接口、工作原理等，使学生掌握相关的汇编指令、编程语言和开发环境，熟悉小型单片机应用系统的设计、调试与开发过程。

在理论教学部分，课题组在讲解基础知识及各模块工作原理的基础上，注重与项目案例相结合，引入项目驱动式教学方法，让学生能够在实际案例的基础上构建知识体系。

在课程实验部分，基础操作内容在单片机实验箱上完成[10]，由学生独自完成实验项目，并在此基础上，结合简单的实际案例项目，进行硬件电路设计和程序编写，尝试简单项目的设计、实现与改进，激发学习兴趣[11]。

值得一提的是，在实践设计环节，除了典型实验的仿真外，融入科技创新项目是非常有必要的，包括大学生创新创业计划训练项目、各类相关的学科竞赛，从方案的选取、单片机开发板的设计，到系统的调试，学生都可以全程参与，有效提高了学生学习的主动性，进而提高了教学质量。

3 教学模式改进

传统的教学模式以教师讲授理论知识为主，在这种教学模式下，学生对理论和程序代码难以产生兴趣和学习动力，在实验室内，学生通常也只是被动地根据教师编写的实验指导书完成硬件连接和代码输入，这种授课方式很难达到创新应用型人才培养的教学目标，因此，课题组对教学模式进行了改进。

课题组立足学生工程能力的培养，同时配合学院做好专业教育，在新生入学时，为其发放科研“大礼包”，其中就有单片机开发板和相关工具包，单片机开发板集成了单片机CPU 核心模块、独立按键、继电器、译码器、红外接收等独立模块，工具包也备有点焊枪、烙铁架、松香、替换焊头等基本工具，学生可以利用它们，结合软件编程，探索设计交通灯、遥控电机、红外报警器等实用小系统。通过这款“大礼包”的发放，学生在单片机课程开课之前即对单片机到底学什么、未来可以用它做什么有一个初步的了解，并激发了学习兴趣，后续开展单片机课程时，这份单片机开发板和工具包也有助于学生自己动手实践，巩固理论知识。

开课后，课题组主要采用线上线下混合教学模式，通过学习通等平台进行课堂内外的师生互动，起到辅助教学的作用。教师在授课前将相关学习资料推送到线上平台，包括发布课程公告、授课课件、与知识模块相对应的实际项目案例介绍以及课后作业等，学生课前可以接收到大量指导性资源，提前熟悉主要授课内容，进行相应理论知识的预习，对项目案例的设计与实现进行思考，为线下学习做好充足的准备。这种方式使得教学可以顺利开展，提高学生学习的目标性和积极性，同时，线上平台开放留言和与教师交流的功能，方便为学生答疑解惑，也使得教师能够更好地掌握学生的预习情况，在授课过程中能更有针对性地对知识内容进行讲解。

线下课堂授课时，注意将教材内容与线上资源结合，进行模块化讲解，理论概念要与实际项目案例相结合，注重引导学生将理论知识应用于实践，让学生自主进行案例设计，让学生在掌握理论知识的同时，更加注重知识的应用，提升学生的开发能力。课后作业除了考查和巩固理论知识外，针对知识模块，教师给出相应项目设计题，学生3～5 人一组进行分组设计，在单片机开发板上完成项目设计，并在下次授课的知识回顾环节进行讨论和讲解，教师在课后也会上传设计题目的解题思路和实现过程，并进行实物演示。另外，线上平台还有投票、抢答等功能，可以将其作为教学的互动环节。

4 多维评价体系设计

单片机课程不仅需要学生掌握基础理论知识，更需要培养学生应用理论知识解决实际问题的能力[12-13]。单纯依靠作业和卷面考试成绩无法全面有效地评价教学目标达成情况，根据评价需要，课程组教师探索出一套合理的多维教学评价考核体系。

在成绩考核方面，提高实践动手能力的考核占比，且考核内容更加多元化。

课堂表现部分。由于课内增加了项目案例的设计与讨论环节，所以课堂表现成绩不再以简单的点名考勤、回答理论知识为主，而是更加侧重学生在项目案例设计环节的表现，包括独立思考能力和团队协作能力。教师会根据设计题目明确学生的设计目标和考核得分点，以对学生进行考核。

课内实验环节。由于优化了课程实验内容，除了对学生实验中理论知识的掌握程度进行评价外，更加重视学生的动手设计能力和创新能力。基于此，课题组制定了相应的考核标准，对实验设计方案的可行性、先进性、操作性以及实际结果的展示等方面体现的学生理论知识掌握度、实际动手能力和创新性思维进行客观、全面的考核。

理论试卷考核。各知识点考查的分值比重依据课程大纲执行，注重基本知识掌握情况考查的同时，根据应用型本科院校的办学特色与内涵，适当增加设计类型的试题，让学生以实际工程应用为题干，运用所学知识，学会在理论及代码编程的基础上解决实际问题，考查学生独立分析和解决问题的能力。

其他考核渠道。由于掌握单片机方面的知识有助于学生参加诸如电子设计竞赛、物联网设计竞赛等学科竞赛项目和各类大学生科技创新创业训练计划项目，为鼓励学生积极参与、将所学知识应用于学科竞赛和项目中，课题组将竞赛成绩和项目获批/完成情况作为平时成绩的加分项。

5 结语

高等院校创新应用型人才的培养，需要专业课授课教师在课程教学的研究与实施中做大量工作。面向创新应用型人才培养的单片机课程，应将培养学生利用单片机系统解决问题能力放在首位，在重视学生掌握理论知识的同时，更要注重鼓励和引导学生向工程实践转化，因此，要在教学目标、教学内容、教学模式以及评价体系等方面进行改革和创新，增强学生学习单片机的兴趣和积极性，提高学生的实践动手能力，提高单片机课程的教学质量。