基于“1-M-N”模式的單片機(jī)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

劉承橋，馬 俊，李銀輪，辛月蘭

（青海師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810016）

0 引 言

如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)飛速發(fā)展，人們的生活生產(chǎn)方式也隨之改變。為適應(yīng)社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面人才的需求，各級(jí)政府及各類高校，從師資到教育設(shè)施，硬件到軟件，均增加了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面的投入，把培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才作為一項(xiàng)核心任務(wù)[1-2]。為此，諸多高校都已進(jìn)行或正在進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革。作為物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等行業(yè)的重要技術(shù)之一[3]，單片機(jī)是電子信息類、計(jì)算機(jī)類及自動(dòng)控制類等專業(yè)的核心課程之一[4-5]。青海師范大學(xué)作為一所地處中國(guó)西部的省屬高校，為適應(yīng)我國(guó)教育發(fā)展，服務(wù)中國(guó)西部，立足青海省情，已開設(shè)電子信息工程專業(yè)二十余年，單片機(jī)課程一直是該專業(yè)的專業(yè)課程之一。近幾年，為響應(yīng)學(xué)校向工科院校轉(zhuǎn)型，培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的號(hào)召，我校電子信息工程專業(yè)做了一系列教學(xué)改革工作，單片機(jī)課程改革是電子信息工程專業(yè)教學(xué)改革工作的重要內(nèi)容之一。通過教學(xué)改革，探索一種行之有效的教學(xué)模式，是提高單片機(jī)課程教學(xué)質(zhì)量的重要途徑之一。

1 單片機(jī)課程現(xiàn)狀

1.1 單片機(jī)課程的特點(diǎn)

單片機(jī)課程是電子信息類、計(jì)算機(jī)類及自動(dòng)控制類等專業(yè)的專業(yè)課程之一。該課程立足于基本原理知識(shí)的理解與掌握、技術(shù)應(yīng)用和實(shí)際操作能力的培養(yǎng)與提高，理論與實(shí)踐相長(zhǎng)，是一門應(yīng)用性非常強(qiáng)的課程[6-7]。

就學(xué)生而言，學(xué)習(xí)單片機(jī)課程，需具備電路原理、電子技術(shù)、C語(yǔ)言等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，以及一定的計(jì)算機(jī)操作能力[8]。學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生需要將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，充分理解與掌握理論知識(shí)，培養(yǎng)和提高實(shí)踐技能。

就教師而言，教授單片機(jī)課程，需要扎實(shí)的理論知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)操作能力。另外，豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是教好單片機(jī)課程的重要素材。在教學(xué)中，教師需要將理論知識(shí)的講解與實(shí)驗(yàn)操作及工程實(shí)踐相結(jié)合[9]，并留給學(xué)生充足的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間與空間，讓學(xué)生充分掌握理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能，提高教學(xué)質(zhì)量。

1.2 單片機(jī)課程教學(xué)存在的若干問題

近年來(lái)，青海師范大學(xué)電子信息工程專業(yè)單片機(jī)課程教學(xué)質(zhì)量有了一定的提高，但依然存在若干問題。主要體現(xiàn)在課時(shí)分配、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、授課方式和考核方式四個(gè)方面。

（1）課時(shí)分配不合理

青海師范大學(xué)電子信息工程專業(yè)單片機(jī)課程課時(shí)分配見表1所列。

表1 青海師范大學(xué)電子信息工程專業(yè)單片機(jī)課程課時(shí)分配表

從表1可以看出，單片機(jī)課程總課時(shí)基本合理，但實(shí)驗(yàn)課時(shí)量太少，不利于對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)與提高。

（2）授課方式缺乏創(chuàng)新

良好的授課方式對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，目前的授課方式已不適應(yīng)單片機(jī)課程的發(fā)展要求。主要表現(xiàn)為以下幾方面：

①理論課堂與實(shí)驗(yàn)課堂分開。單片機(jī)課程應(yīng)用性較強(qiáng)，需要在實(shí)踐過程中深化對(duì)理論知識(shí)的理解。將理論課堂與實(shí)驗(yàn)課堂分開，導(dǎo)致學(xué)生不能將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，對(duì)理論知識(shí)理解不透徹，實(shí)踐能力得不到有效鍛煉[10-11]。

②以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上，學(xué)生不能看到電路原理圖，缺乏對(duì)電路功能的自主分析，只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書或老師的要求進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試，弱化了對(duì)學(xué)生實(shí)際問題分析能力的培養(yǎng)[12-13]，且實(shí)驗(yàn)箱一般體積較大且價(jià)格較高，不方便學(xué)生帶出實(shí)驗(yàn)室，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

③師生人數(shù)比較低。目前，實(shí)踐教學(xué)的師生人數(shù)比小于1∶33。在規(guī)定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生得到教師指導(dǎo)的機(jī)會(huì)較少，且深度不夠，學(xué)生的實(shí)踐技能不能得到有效提升。

（3）實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容不夠新穎

單片機(jī)的重要作用主要體現(xiàn)在與其他電子器件（如傳感器件、顯示器件、存儲(chǔ)器件等）共同組成具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)裙δ艿碾娮酉到y(tǒng)。因此學(xué)習(xí)單片機(jī)的本質(zhì)是學(xué)習(xí)如何用單片機(jī)與其他電子器件共同組成具有一定功能的電子系統(tǒng)。而當(dāng)前時(shí)期，新器件更新速度飛快，基于單片機(jī)的電子系統(tǒng)日新月異。基于傳統(tǒng)電子器件的經(jīng)典的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，如流水燈實(shí)驗(yàn)、數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)、按鍵實(shí)驗(yàn)、串行通信實(shí)驗(yàn)，I2C總線實(shí)驗(yàn)等，依然是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課堂的主要內(nèi)容。盡管這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝮w現(xiàn)單片機(jī)課程的核心內(nèi)容，但用到的電子器件較陳舊，功能簡(jiǎn)單，使得實(shí)驗(yàn)課堂與科技前沿脫節(jié)，不利于學(xué)生接觸科技前沿知識(shí)，限制了學(xué)生的眼界與思維，不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[14]。

（4）考核方式有效性較弱

目前，青海師范大學(xué)電子信息工程專業(yè)單片機(jī)課程的考核由平時(shí)表現(xiàn)、期中考試和期末考試三部分構(gòu)成。其中，期末考試是閉卷形式的理論知識(shí)考試。課程總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、期中考試成績(jī)和期末考試成績(jī)?nèi)糠纸M成。三部分成績(jī)所占比例見表2所列。

表2 青海師范大學(xué)電子信息工程專業(yè)單片機(jī)課程成績(jī)分配表

結(jié)合考試形式和表2可以看出，單片機(jī)理論課成績(jī)比例過大，即使將平時(shí)成績(jī)和期中考試成績(jī)?nèi)恳詫?shí)驗(yàn)成績(jī)給出，也只占課程總成績(jī)的40%，比理論課考試成績(jī)少得多。并且，閉卷形式的理論知識(shí)考試只能在一定程度上體現(xiàn)出學(xué)生對(duì)部分理論知識(shí)的掌握情況，并不能有效體現(xiàn)出學(xué)生的實(shí)踐操作能力，更不能有效體現(xiàn)出教學(xué)質(zhì)量[15]。

以上四方面問題制約著單片機(jī)課程教學(xué)質(zhì)量的提高，不利于培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。

2 “1-M-N”教學(xué)模式的概念

好的教學(xué)模式應(yīng)能夠反映出課程的特點(diǎn)，且有利于課程教學(xué)質(zhì)量的提高。“1-M-N”教學(xué)模式注重理論與實(shí)踐結(jié)合，以提高學(xué)生理論知識(shí)水平，培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)踐技能為目的。其中，“1”表示1位老師，“M”和“N”分別表示M名學(xué)生和N名學(xué)生?！?-M-N”教學(xué)模式的概念圖如圖1所示。

圖1 “1-M-N”教學(xué)模式概念圖

“1-M-N”教學(xué)模式將授課班級(jí)的學(xué)生分成兩部分，一部分有M名學(xué)生，另一部分有N名學(xué)生，且M

3 “1-M-N”教學(xué)模式在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

針對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)過程中存在的問題，“1-M-N”教學(xué)模式在合理選取M和N值的基礎(chǔ)上，從授課方式、授課內(nèi)容和考核方式三個(gè)方面進(jìn)行了改革和創(chuàng)新。

3.1 M和N值的選取

截至目前，“1-M-N”教學(xué)模式已經(jīng)應(yīng)用于2013級(jí)電子信息工程班（用G1表示）、2014級(jí)電子信息工程技術(shù)（大專）（用G2表示）、2014級(jí)電子信息工程班（用G3表示）的單片機(jī)課程教學(xué)中，并正應(yīng)用于2015級(jí)電子信息工程班（用G4表示）單片機(jī)課程教學(xué)中。以上各班級(jí)的學(xué)生總數(shù)、M值、N值及（M+1）∶N見表3所列。

表3 授課班級(jí)的M和N值選取表

從表3中可以看出，M=2或3。較小的M值，便于教師開展高質(zhì)量的授課工作。（M+1）∶N遠(yuǎn)大于1/20，不僅能夠讓大部分學(xué)生得到更多的指導(dǎo)，也能夠充分發(fā)揮優(yōu)秀學(xué)生在學(xué)習(xí)中的榜樣作用。

3.2 改進(jìn)授課方式

良好的授課方式是學(xué)生獲取知識(shí)、提升能力的重要途徑?！?-M-N”教學(xué)模式從以下幾方面對(duì)單片機(jī)課程授課方式進(jìn)行改進(jìn)。

（1）將理論課堂與實(shí)驗(yàn)課堂合二為一

在總課時(shí)量不變的情況下，將理論課堂與實(shí)驗(yàn)課堂合二為一，使教師能夠根據(jù)課堂實(shí)際需要靈活分配理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)。一方面，教師可結(jié)合口述、PPT演示及實(shí)驗(yàn)操作，將知識(shí)詮釋得更加清楚；另一方面，學(xué)生可及時(shí)將理論知識(shí)與實(shí)踐有效結(jié)合。同時(shí)，這種授課方式能夠極大地活躍課堂氣氛，增加師生之間的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

（2）以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板為教學(xué)平臺(tái)

與傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱相比，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板具有學(xué)習(xí)資源豐富且開放、便攜性好、價(jià)格較低等特點(diǎn)。

首先，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板具有豐富且開放的教學(xué)資源，為學(xué)生提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。一方面，開放的硬件電路，能夠讓學(xué)生知曉整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)造，學(xué)生可在認(rèn)真分析電路的基礎(chǔ)上，編寫驅(qū)動(dòng)程序，有利于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。另一方面，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板配備豐富的例程、視頻教程及相關(guān)文檔資料，便于學(xué)生查缺補(bǔ)漏和拓展學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

其次，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板便攜性好的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的可移動(dòng)性。除了正常的實(shí)驗(yàn)課之外，學(xué)生可根據(jù)自身情況，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地搬出實(shí)驗(yàn)室，在自習(xí)室、宿舍等地方繼續(xù)學(xué)習(xí)。如此，學(xué)生便有更多的實(shí)踐時(shí)間和相互交流的機(jī)會(huì)，有利于提升實(shí)踐技能。

再次，相對(duì)于傳統(tǒng)一兩千元的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板價(jià)格較低，普遍在一兩百元左右，大大降低了教學(xué)成本。

（3）以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主，鼓勵(lì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)課堂以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，啟發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。對(duì)于完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生給予加分鼓勵(lì)。

（4）預(yù)告實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

每學(xué)期的第一周將本學(xué)期單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容向?qū)W生公布，學(xué)生可根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況合理安排自己的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)進(jìn)度，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。

3.3 創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

新穎、實(shí)用的單片機(jī)課程內(nèi)容對(duì)提高單片機(jī)課程教學(xué)質(zhì)量有重要作用?！?-M-N”教學(xué)模式從以下幾方面對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新：

（1）教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合當(dāng)前生活生產(chǎn)

如在串行通信這一模塊知識(shí)中，結(jié)合單片機(jī)在ZigBee，WiFi，GPRS等無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)。與生活生產(chǎn)相結(jié)合，更能體現(xiàn)出單片機(jī)的實(shí)用性，也能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（2）實(shí)踐教學(xué)中注重新器件的使用

除傳統(tǒng)的元器件之外，實(shí)踐教學(xué)更多地選擇使用一些新型、較先進(jìn)的元器件。如選用貼片元器件、OLED顯示屏、AM2301溫濕度傳感器等。選用新型、較為先進(jìn)的元器件，能更好地讓學(xué)生接觸科技前沿，拓展學(xué)生的知識(shí)面，提升學(xué)生對(duì)新器件的應(yīng)用能力。

（3）教學(xué)過程中引入工程實(shí)踐案例

工程實(shí)踐案例對(duì)課堂知識(shí)學(xué)習(xí)有著良好的指導(dǎo)作用。教師將自身或者他人的工程實(shí)踐案例引入教學(xué)，能夠讓學(xué)生更加充分地認(rèn)識(shí)所學(xué)知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用，有助于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)深入理解和掌握，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的認(rèn)知能力。

（4）增加拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

除必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之外，增加拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，供學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)。鼓勵(lì)學(xué)生選做拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并對(duì)完成一定數(shù)量拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生給予相應(yīng)加分。學(xué)生通過自選并完成拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一方面提高了學(xué)習(xí)的自主性和積極性，另一方面也提高了實(shí)踐技能，并能自檢學(xué)習(xí)效果。

3.4 優(yōu)化考核方式

合理的考核方式能有效地反映出課程的教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)目前單片機(jī)課程考核方式有效性較弱的特點(diǎn)，“1-M-N”教學(xué)模式從考核結(jié)構(gòu)、考核形式、考核內(nèi)容、成績(jī)分配四方面，對(duì)單片機(jī)課程考核方式進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的課程考核由理論課考核和實(shí)踐課考核兩部分組成，各部分的考核形式、考核內(nèi)容及成績(jī)的分配與計(jì)算等見表4所列。

表4 單片機(jī)課程考核方式說(shuō)明表

從表4可以看到，優(yōu)化后的單片機(jī)考核方式中，理論課考核依然采用閉卷考試的形式，題目來(lái)自于課本，其成績(jī)占總成績(jī)的百分比較原來(lái)的60%降低到了40%。實(shí)驗(yàn)課成績(jī)由必做實(shí)驗(yàn)成績(jī)和拓展實(shí)驗(yàn)成績(jī)兩部分組成，其值占課程總成績(jī)的60%。其中，必做實(shí)驗(yàn)成績(jī)占課程總成績(jī)的40%，拓展實(shí)驗(yàn)成績(jī)占課程總成績(jī)的20%。

優(yōu)化后的考核方式既能讓大多數(shù)普通學(xué)生取得合理的成績(jī)，又能讓少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生取得更好的成績(jī)；既體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的考核，又注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核，能夠較客觀地反應(yīng)該課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并能激勵(lì)學(xué)生積極進(jìn)取。

3.5 應(yīng)用效果

將“1-M-N”教學(xué)模式應(yīng)用在G1，G2，G3三個(gè)班級(jí)的單片機(jī)課程教學(xué)中并取得了一定成效。其中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、本科畢業(yè)論文、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽三方面表現(xiàn)較為突出，具體情況分別見表5～7所列。

表5 “1-M-N”教學(xué)模式在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面取得的成效

由表5可知，在“1-M-N”教學(xué)模式的實(shí)施過程中，各班完成全部必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生人數(shù)占專業(yè)總?cè)藬?shù)之比及各拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成人數(shù)占專業(yè)總?cè)藬?shù)之比均呈遞增趨勢(shì)。充分體現(xiàn)了“1-M-N”教學(xué)模式能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，注重學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)與提高。

表6 “1-M-N”教學(xué)模式在本科畢業(yè)論文方面取得的成效

從表6可知，采用“1-M-N”教學(xué)模式后，本科生完成的與單片機(jī)相關(guān)的畢業(yè)論文數(shù)占完成論文總數(shù)的百分比有了較大幅度的提高，且呈遞增趨勢(shì)。正因?yàn)檎莆樟藛纹瑱C(jī)基本理論知識(shí)，并具備一定的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)生才選擇并完成與單片機(jī)相關(guān)的畢業(yè)論文。通過對(duì)比分析可知，“1-M-N”教學(xué)模式有效促進(jìn)了學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程理論知識(shí)的理解與掌握及實(shí)踐技能的培養(yǎng)與提高。

表7 “1-M-N”教學(xué)模式在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中取得的成效

單片機(jī)在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中使用廣泛。在電子大賽中取得的好成績(jī)說(shuō)明學(xué)生具有較好的單片機(jī)應(yīng)用能力，充分體現(xiàn)了“1-M-N”教學(xué)模式能夠有效地提高學(xué)生的實(shí)踐技能。

4 結(jié) 語(yǔ)

“1-M-N”教學(xué)模式在現(xiàn)有培養(yǎng)方案和課程體系下，從授課方式、教學(xué)內(nèi)容及考核方式三方面對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，使得單片機(jī)授課方式更加靈活和有效，教學(xué)內(nèi)容更加新穎并與時(shí)俱進(jìn)，考核方式更具有效性?！?-M-N”教學(xué)模式注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)“以做促學(xué)，學(xué)做統(tǒng)一”，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和優(yōu)秀學(xué)生的榜樣作用，培養(yǎng)和提高學(xué)生的理論知識(shí)水平和實(shí)踐技能。從電子信息工程專業(yè)近年來(lái)在單片機(jī)課程教學(xué)、本科生畢業(yè)論文及專業(yè)賽事三方面取得的成效可以看出，“1-M-N”教學(xué)模式能夠體現(xiàn)單片機(jī)課程應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，積極促進(jìn)學(xué)生理論知識(shí)水平、實(shí)踐操作能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高，對(duì)提高單片機(jī)課程教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)應(yīng)用型及創(chuàng)新型人才具有很好的促進(jìn)作用。