單片機原理及應用的立體教學模式探討

馬繼偉，馬玉泉，倫翠芬，藺志鵬

(河北科技師范學院機電工程學院，河北秦皇島，066600)

“單片機原理及應用”是一門理論性和實踐性很強的課程，是計算機、自動化、通訊工程、機電一體化等多個專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。作為嵌入式系統(tǒng)的入門課程，高校教學均采用MSC-51單片機作為教學機型，利用匯編語言編程組織教學［1］。在教學過程中學生普遍反映單片機難學難懂，教學效果和教學質(zhì)量難以達到預期目標。經(jīng)過實踐教學環(huán)節(jié)的訓練，仍有很大一部分同學感覺對單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)無從下手。如何利用有限的課堂學習，充分激發(fā)、調(diào)動同學的學習熱情和興趣，在較短的時間內(nèi)對系統(tǒng)有一個完整認識，為嵌入式系統(tǒng)的學習和開發(fā)打下堅實基礎(chǔ)，是單片機原理及應用教學亟待解決的問題。

1 單片機原理及應用在教學中存在的問題

單片機原理課程及應用在教學中存在許多問題:(1)安排設(shè)置欠合理，各個教學環(huán)節(jié)太分散，相當一部分院校將單片機理論教學安排在第5學期，課程設(shè)計安排在第5或第6學期，實習安排在第7學期。課程開設(shè)時間太滯后，教學環(huán)節(jié)太分散，不利于學生深入應用實踐，沒有足夠時間進行單片機應用系統(tǒng)開發(fā)的深入學習。(2)前續(xù)課程實驗教學環(huán)節(jié)薄弱，學生基礎(chǔ)電路應用設(shè)計，典型器件使用不熟練，增加了單片機理論教學的難度。(3)單片機實驗課學時相對較少，且僅僅開設(shè)一些驗證性實驗。驗證性實驗不能提高學生對單片機課的學習興趣，不利于學生綜合應用能力的培養(yǎng)和啟迪學生的創(chuàng)新思維。(4)實驗設(shè)備和手段的更新太緩慢，缺乏對新器件、新電路應用的認識，密切聯(lián)系工程實際應用的教學實訓難以開展。(5)實驗設(shè)備的開發(fā)能力較弱，關(guān)于硬件設(shè)計和軟件開發(fā)的訓練環(huán)節(jié)難以組織，學生僅能做一些簡單的硬件連線和軟件編程，對單片機在工程中的應用一知半解。(6)單片機課程設(shè)計上網(wǎng)查閱資料抄襲現(xiàn)象嚴重，進行課程實習時，好多同學已經(jīng)忘記了前面的理論知識，且忙于考研和就業(yè)，難以全身心地投入。針對諸多實際問題，如何扭轉(zhuǎn)單片機原理及應用教學效果不佳、學生學習興趣不大、工程實訓投入不足、學生創(chuàng)新能力不足的現(xiàn)狀，培養(yǎng)市場急需的專業(yè)技術(shù)人才，成為亟待解決的問題。

2 單片機原理及應用教學改革思路和對策

單片機原理及應用課程組緊跟微控制器的市場發(fā)展趨勢，依據(jù)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、重能力、求創(chuàng)新”的教育思想，樹立先進的現(xiàn)代教育理念，積極改進教學內(nèi)容和教學手段，整合單片機原理及應用最小課程體系，積極改革傳統(tǒng)教學的諸多弊端。自行研發(fā)新型實踐教學開發(fā)系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)代化的教學方法和手段，結(jié)合工程實際，在強調(diào)培養(yǎng)學生的“就業(yè)競爭能力”的同時，也強調(diào)“發(fā)展后勁”，逐步形成了理論教學、實驗教學、課程設(shè)計、專業(yè)實習、畢業(yè)設(shè)計“五位一體”的立體教學模式［2］。

2．1 明確培養(yǎng)目標，優(yōu)化課程設(shè)置

為實現(xiàn)應用型工科專業(yè)培養(yǎng)“應用型”高級工程技術(shù)人才和管理人才目標，以單片機課程教學為核心，整合單片機最小系統(tǒng)課程，合理安排各門課程的計劃學時、開設(shè)時間及順序。針對單片機理論實踐并重的課程特點，對相關(guān)課程教學的最小系統(tǒng)課程及開設(shè)時間做出調(diào)整，《C語言程序設(shè)計》作為軟件編程基礎(chǔ)課程在第1學期開設(shè)，在學習了《電路》、《模擬電子技術(shù)》的基礎(chǔ)上，爭取在第3學期開設(shè)《數(shù)字電路基礎(chǔ)》作為單片機課程開設(shè)的硬件基礎(chǔ)，《單片機原理及應用》在第3學期開課，為增加學習應用高端單片機的后續(xù)熱情，在第4學期開設(shè)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《操作系統(tǒng)》。其中，《單片機原理及應用》在理論教學環(huán)節(jié)安排不少于20%學時的實驗課程，其課程設(shè)計與課程實習教學環(huán)節(jié)要在第5學期前完成。按照“知行合一”的教育理念，注重學生的基本工程素質(zhì)、專業(yè)基礎(chǔ)實驗技能和科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［3］，各個教學環(huán)節(jié)必須緊緊圍繞實踐項目，緊跟電子市場發(fā)展，結(jié)合工程實際，形成以提高實踐能力為核心、工程訓練為基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為重點的分層次、系統(tǒng)化、開放式的實踐教學體系，調(diào)動學生的自主學習熱情，提高教學效果。

2．2 理論教學扎實，實現(xiàn)理論與實踐的對接

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機技術(shù)發(fā)展很快，但是其基本原理、基礎(chǔ)知識是相對穩(wěn)定的，只要把基礎(chǔ)知識學好，就可以為今后的發(fā)展奠定良好的專業(yè)基礎(chǔ)。理論教學充分利用項目教學法，現(xiàn)代教學手段，采用匯編語言和C51相結(jié)合的模式，使學生對單片機的硬件組成及工作原理和應用系統(tǒng)有一個完整清晰的認識和掌握。利用流行的調(diào)試和仿真軟件進行課堂現(xiàn)場教學，提高教與學的形象性和直觀性［4］。整個教學過程中既要發(fā)揮教師的主導作用又要體現(xiàn)學生的主體作用，使課堂教學的質(zhì)量和效率得到大幅度的提高。在教學過程適時引入一些新器件的發(fā)展和應用介紹，激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望，通過解決學生身邊的一些實際問題，激發(fā)他們的求知欲、學習的積極性和主動性，提高動手能力、解決實際問題能力，實現(xiàn)理論與實踐的對接。

2．3 更新實驗設(shè)備，實現(xiàn)實驗項目與工程實際的對接

目前8位機產(chǎn)品極其豐富，速度越來越快，功能越來越強大，價格越來越低。遵循實驗設(shè)備更利于模塊化學習、使用費用最低、配套設(shè)備最少、緊跟器件市場發(fā)展幾大原則，課程組教師自行研制開發(fā)功能全面、軟硬件具備高度靈活性的實踐教學系統(tǒng)，及時更新實驗開發(fā)系統(tǒng)，改善實踐教學條件。河北科技師范學院最新版的教學系統(tǒng)以具有硬件仿真功能的STC15F2K60S2為核心，各功能模塊電路獨立制版，引出關(guān)鍵引腳，使不同學習層次的學生能夠針對自己的實際情況有目的地選擇相關(guān)實驗項目，靈活地實現(xiàn)硬件和軟件設(shè)計。遵循以應用為導向的教學指導思想，以工程應用實例和系統(tǒng)開發(fā)實例為導向，倡導實驗教學為主，課堂教學為輔的教學指導思想［5］。實驗教學內(nèi)容充分包含了基礎(chǔ)驗證性試驗和足夠數(shù)量的設(shè)計創(chuàng)新性項目，構(gòu)建全方位的立體實驗結(jié)構(gòu)，使學生受到更為實際、全面的科學訓練。引導學生從已熟知的內(nèi)容入手，設(shè)計一系列由淺入深，由易到難的實驗項目，使學生能夠獨立完成一個工程項目。實現(xiàn)實驗項目與工程實際的對接［6］。

2．4 注重課程設(shè)計環(huán)節(jié)，為后續(xù)的實習環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)

單片機原理及應用課程設(shè)計是理論教學后的一個重要實踐教學環(huán)節(jié)。在理論課堂教學的同時布置課程設(shè)計任務，學生主動針對感興趣的課題或項目搜集資料，加強各個學習環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)，提高整體教學效果［7］。課程設(shè)計不僅僅檢查學生前期相關(guān)課程的學習掌握情況，也為后續(xù)的專業(yè)實習和畢業(yè)設(shè)計做一次綜合訓練和準備。在電路設(shè)計、電路圖的繪制、軟件的編程設(shè)計諸方面進行一次全面的綜合訓練，提高學生的開發(fā)創(chuàng)新能力。為了實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)的教學目標，筆者遵循“因材施教”的原則，根據(jù)學生興趣和前期專業(yè)基礎(chǔ)不同，有選擇的進行題目篩選，對于專業(yè)基礎(chǔ)突出的學生，要求他們焊接電路板或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)硬件仿真;對于基礎(chǔ)不太好的學生，要求他們必須繪制出完整的系統(tǒng)原理圖，完成軟件程序框圖的繪制并編寫部分典型程序。答辯環(huán)節(jié)要求學生詳細講解系統(tǒng)組成及基本工作原理，教師對一些關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)質(zhì)疑，在文案撰寫、口頭表述這些方面做一次正規(guī)訓練，為專業(yè)實習和畢業(yè)設(shè)計奠定一個堅實的基礎(chǔ)。

2．5 注重實習教學，促進專業(yè)知識體系的形成

基于新型實踐教學系統(tǒng)調(diào)整實習內(nèi)容，修訂實習大綱和實習指導書。培養(yǎng)學生面向任務的設(shè)計思想，根據(jù)系統(tǒng)功能需要選擇合適的芯片實現(xiàn)相應的功能。在熟練電路原理圖PCB板圖的設(shè)計、電路的焊接、單片機軟硬件的綜合調(diào)試等技術(shù)方面，進一步激發(fā)對單片機智能性的探索精神，提高學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生應用單片機實現(xiàn)測控系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)與調(diào)試的能力及團隊協(xié)作精神，達到最大限度地掌握單片機的應用技術(shù)，培養(yǎng)專業(yè)綜合實踐能力。

2．6 加大實驗室開放力度，激發(fā)學生的科研熱情

充分利用第二課堂，培養(yǎng)學生的責任感、團結(jié)協(xié)作精神、競爭意識等創(chuàng)新品質(zhì)，提高其創(chuàng)新實踐能力。按照“學科競賽與學術(shù)活動相結(jié)合、科技創(chuàng)新和科研實踐相結(jié)合、成果轉(zhuǎn)化與育人成才相結(jié)合”的原則，營造有利于學生創(chuàng)新的教育環(huán)境，依托實驗室、大學生科協(xié)等社團組織吸引學習興趣濃厚的低年級優(yōu)秀學生參加各級各類電子大賽，選拔一批對單片機已產(chǎn)生濃厚興趣的同學加以培訓，吸納在此方面表現(xiàn)突出的學生參加實際科研課題的研制工作，實現(xiàn)以點帶面，最終實現(xiàn)整體教學效果的提高。通過參加比賽開拓學生視野的同時，檢驗教學效果，及時對日常教學內(nèi)容和教學方法做出調(diào)整和改革［8］。使得整個教學體系更加完整和科學。

3 結(jié) 論

實踐證明，將仿真軟件引入課堂和實驗室，不斷自制教學實踐開發(fā)系統(tǒng)，調(diào)整教學內(nèi)容，積極參與電子大賽等教改措施，能使各個教學環(huán)節(jié)緊密銜接，逐步形成了符合單片機原理及應用課程特點的“五位一體”立體教學體系。該教學體系的部分環(huán)節(jié)在河北科技師范學院進行了試點教學，取得了較好的效果。在教學教改過程中，課程組全體老師都已經(jīng)充分認識到只有針對電子技術(shù)的新發(fā)展、學生學習的新動態(tài)不斷優(yōu)化改進教學模式，才能培養(yǎng)出得到用人單位和社會認可的優(yōu)秀畢業(yè)生。

［1］陳小崗．關(guān)于改進“單片機原理與應用”課程教學方法的探討［J］．科技信息，2013(11):178-179．

［2］朱建光，鄭浩，劉本偉．單片機原理與接口技術(shù)教學改革與實踐［J］．武漢大學學報:理學版，2012，58(S2):188-189．

［3］張震宇，周克寧，鄭玉珍，等．借鑒德國課程教學模式，提升學生專業(yè)能力——以單片機原理及應用課程為例［J］．浙江科技學院學報，2013，25(1):67-71．

［4］趙念強，鮑可進．單片機原理及應用教學改革實踐［J］．教改縱橫，2008(24):23-24．

［5］何致遠，鄭玉珍．卓越“現(xiàn)場電氣工程師”培養(yǎng)的思考與探索［J］．中國大學教育，2011(3):23-25．

［6］史英侃．單片機實驗教學三部曲［J］．實驗室研究與探索，2009，28(5):57-59，89．

［7］葛浩，林其斌．單片機課程設(shè)計教學［J］．改革與實踐實驗室技術(shù)與管理，2011，28(10):138-140．

［8］吳鳴，熊光晶．以工程能力培養(yǎng)為導向的工程教育改革研究［J］．理工高教研究，2010，29(3):54-59．