基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的單片機課程改革探討

郭宏 胡威

摘要：本文結(jié)合高等學(xué)校電類專業(yè)“單片機技術(shù)”課程的教學(xué)改革與實踐，提出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的新型單片機課程教學(xué)系統(tǒng)，有效地把課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計以及創(chuàng)新大賽有機結(jié)合，突出教學(xué)環(huán)節(jié)的反饋功能，實現(xiàn)授課、實驗和競賽的一體化教學(xué)模式。這不僅可以提高單片機課程的教學(xué)質(zhì)量，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：單片機技術(shù)課程；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）06-0119-03

一、開展單片機課程教學(xué)改革的必要性

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是學(xué)生綜合素質(zhì)的重要體現(xiàn)，也是新時期衡量人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。高等學(xué)校積極開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)業(yè)能力的新一代復(fù)合型創(chuàng)業(yè)人才，鼓勵學(xué)生創(chuàng)業(yè)和積極建設(shè)創(chuàng)新型國家，是時代的需要，也是人才培養(yǎng)的需要。

在教學(xué)活動中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，課程是重要的載體[2]。目前，單片機控制技術(shù)已經(jīng)日益融入人類社會。單片機具有成本低、體積小、功能強的特點，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能電表、工業(yè)機器人、信號處理和家用電器等領(lǐng)域。單片機的應(yīng)用和實踐，是促進學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的良好平臺[3]。基于此，本文提出旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的單片機課程教學(xué)模式改革，探索將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)內(nèi)容融入單片機課程教學(xué)，將課程教學(xué)活動與提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力結(jié)合起來。

二、單片機課程教學(xué)的特點

單片機課程是高等學(xué)校電類專業(yè)的必修課程，其教學(xué)強調(diào)應(yīng)用性和實用性[4]。而從應(yīng)用的角度來看，要使學(xué)生學(xué)完該課程后能進行單片機系統(tǒng)開發(fā)，僅僅學(xué)習(xí)單片機這一門課是不夠的。由于單片機只是電子系統(tǒng)的控制器，而單片機外設(shè)芯片擴展、電路板設(shè)計、傳感器、信號采集調(diào)節(jié)、控制對象和控制策略等，都是單片機應(yīng)用的必備知識。針對上述特點，可將單片機課程的知識結(jié)構(gòu)劃分為三個模塊：前導(dǎo)模塊、核心模塊和擴展模塊，這三個模塊是漸進式的，如圖1所示。前導(dǎo)模塊是電路設(shè)計的基礎(chǔ)，核心模塊是單片機應(yīng)用的基礎(chǔ)，擴展模塊是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。其中，核心模塊中，單片機原理是最重要的課程，是簡單電子電路設(shè)計邁向復(fù)雜電子系統(tǒng)和完整系統(tǒng)設(shè)計的途徑。三個模塊的融會貫通。是畢業(yè)設(shè)計順利進行、學(xué)科競賽取得成績的保證，是后續(xù)進行技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)。

單片機課程體系強調(diào)的是系統(tǒng)性，不能與整個單片機應(yīng)用系統(tǒng)分離。教師在教學(xué)過程中應(yīng)從系統(tǒng)角度講授知識點和實踐技能，使學(xué)生掌握知識的內(nèi)在聯(lián)系，明白單片機的用途和使用方法，而不是單純地應(yīng)付考試和被動地接受它。為了實現(xiàn)上述目的，在課程教學(xué)中，必須把握其作為實踐類課程的一些特點。

1.綜合性強。其主要課程包括“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“計算機編程語言”和“電路仿真技術(shù)”。如果前期課程的基礎(chǔ)沒有打好，就會對單片機課程的學(xué)習(xí)造成障礙。因此，講授單片機課程的教師，應(yīng)該在講課過程中加強對以前課程的回顧和聯(lián)系。

2.應(yīng)用范圍廣。單片機技術(shù)的綜合和靈活運用，對于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和實現(xiàn)，具有深遠的意義。目前，單片機控制技術(shù)已越來越融入人類生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。一個好的智能產(chǎn)品的誕生或新的生活理念的實現(xiàn)，都離不開單片機控制技術(shù)。

3.理論可接受性差。單片機課程涉及的硬件知識多，教學(xué)過程中，學(xué)生對理論知識的理解存在一定的困難，使學(xué)生主觀地認(rèn)為課程與專業(yè)的關(guān)聯(lián)性不強。因此，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時缺乏主動性，在遇到問題時不想深入研究。

4.實用性強。由于單片機課程如果脫離實驗和實踐環(huán)節(jié)，課程便失去原有的意義；脫離了應(yīng)用，單片機課程的教學(xué)將是紙上談兵，毫無意義。

5.技術(shù)更新快。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片機的性能不斷提高，在理論教學(xué)中，要不斷更新教材，講授新型號，才能使學(xué)生掌握單片機的最新理論和技術(shù)。

如何更好地在高等學(xué)校電類專業(yè)中開設(shè)好單片機課程，如何與單片機教學(xué)相結(jié)合，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，這是目前單片機教學(xué)中亟待解決的問題。

三、當(dāng)前單片機教學(xué)中存在的弊端

目前，單片機課程使用的教材過分強調(diào)知識體系的完整性，理論教學(xué)和實驗教學(xué)是在不同地點、不同時間進行的，授課教師也不相同，導(dǎo)致教學(xué)與實驗相互脫節(jié)。實驗室的實驗主要是理論知識的驗證性測試，學(xué)生在實驗箱上按步驟進行，實驗內(nèi)容簡單，功能有限，而項目設(shè)計類的實驗無法實現(xiàn)，創(chuàng)新性的設(shè)計也無法進行[5]。

單片機課程具有較強的綜合實用性，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的良好平臺。傳統(tǒng)的單片機課程教學(xué)往往忽略了單片機應(yīng)用的特點，沒有把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入課程教學(xué)的全過程，忽視了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)[6]。

如何消除這些不利因素，營造一個良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育生態(tài)，使單片機課程成為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的良好土壤、平臺和工具，是改革單片機課程教學(xué)模式的關(guān)鍵。

四、改革單片機教學(xué)模式，提高學(xué)生創(chuàng)新能力

單片機的教學(xué)改革，應(yīng)從單片機課程的教學(xué)系統(tǒng)入手[7]。我校以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，重建了單片機課程教學(xué)體系，如圖2所示。這一課程體系包括必修模塊和選修模塊。必修模塊包括理論教學(xué)、實驗教學(xué)、自主學(xué)習(xí)和課程設(shè)計。按照教學(xué)計劃，三年級上學(xué)期時，學(xué)生完成單片機的理論教學(xué)、實驗教學(xué)和自主學(xué)習(xí)；下學(xué)期開學(xué)后兩周進行課程設(shè)計。選修模塊由學(xué)生科研、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計、參與教師科研項目組成，由學(xué)生自主選擇。從第五學(xué)期開始，學(xué)生參加各級學(xué)生的科研項目，通過舉辦和參加學(xué)校、省、國家級本科生電子設(shè)計競賽，選擇供應(yīng)鏈管理應(yīng)用專業(yè)畢業(yè)設(shè)計課題，進一步鞏固學(xué)習(xí)成果，并有一定程度的單片機開發(fā)經(jīng)歷。同時，學(xué)生也可以參與教師的科研項目，提升他們的工程實踐能力。

為實現(xiàn)上述單片機課程教學(xué)系統(tǒng)，有必要加強單片機課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。首先，改革現(xiàn)有單片機課程的教學(xué)方法，將理論知識、實踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新能力有機地結(jié)合起來。教學(xué)改革實踐的具體思路，可以概括為：

1.課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。首先，對于專業(yè)性較強的單片機課程，教師必須在課堂上發(fā)揮主導(dǎo)作用，成為課堂教學(xué)的組織者和指導(dǎo)者[8]。其次，重視理論教學(xué)，對涉及的知識點講通講透。例如單片機的硬件組成，由于單片機的集成度很高、體積小，所以對其硬件的直觀認(rèn)識只能通過模塊、電路和連線來講解。最后，將學(xué)生的單片機創(chuàng)新項目和參加競賽的成果作為課堂教學(xué)實例，通過成功實例的講解和分享，調(diào)動學(xué)生在課堂上的積極性和參與性。

2.課程實驗環(huán)節(jié)。建立開放的單片機實驗室，實現(xiàn)單片機實驗硬件資源的校內(nèi)共享。為了進行有效實驗，實驗指導(dǎo)教師與授課教師須密切合作，做到實驗內(nèi)容與課堂教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，實現(xiàn)實驗與創(chuàng)新的良性互動。在實驗開始之前，布置好實驗題目以及需要查閱的相關(guān)參考資料，使學(xué)生清楚地了解他們在實驗中將學(xué)到什么，并且在實驗課程中展示和分享往屆學(xué)生的優(yōu)秀實驗作品及其實驗原理和實驗過程，實現(xiàn)目標(biāo)性實驗設(shè)計和互動式的實驗教學(xué)。

3.課程設(shè)計環(huán)節(jié)。課程設(shè)計的課題，應(yīng)考慮學(xué)生單片機功能的發(fā)展和特定專業(yè)科目的整合[9]。例如，電子信息專業(yè)的學(xué)生可以將“單片時鐘定時系統(tǒng)”和“多功能點陣顯示系統(tǒng)”等課題作為課程設(shè)計課題；計算機專業(yè)學(xué)生可以將“單片機溫度檢測與控制系統(tǒng)”、“單片機多功能時鐘系統(tǒng)”作為課程設(shè)計課題。單片機的課程設(shè)計應(yīng)與其他專業(yè)課程相結(jié)合。例如，在單片機課程設(shè)計期間，課題項目中的電路圖設(shè)計，已通過其他課程設(shè)計完成。通過單片機課程設(shè)計，完成智能控制部分的實現(xiàn)。采用這種設(shè)置方式，既實現(xiàn)了與學(xué)生所學(xué)專業(yè)相結(jié)合，又使學(xué)生在課設(shè)過程中充分運用所學(xué)過的知識，避免使單片機課程成為學(xué)生頭腦中課程與專業(yè)相分離的困難課程。

4.創(chuàng)新、競賽環(huán)節(jié)。完備的理論基礎(chǔ)，良好的編程能力，課程實驗、課程設(shè)計的實際操作和實踐培訓(xùn)，造就了學(xué)生扎實的理論基礎(chǔ)和實踐能力[10]。當(dāng)學(xué)生進入三年級時，他們可以利用自己積累的知識積極參與各級各類的項目申報和電子大賽，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力至關(guān)重要。教師應(yīng)積極鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生參與項目或競賽，實現(xiàn)自身價值的體現(xiàn)和自主創(chuàng)新能力的鍛煉。通過對具體產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計、優(yōu)化改進，對設(shè)計的反復(fù)修改和改進，以及對軟件的不斷修改和調(diào)試，使學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維得到進一步提升。

五、結(jié)論

近年來，我校通過“單片機技術(shù)”課程的教學(xué)與實踐改革，教學(xué)質(zhì)量得到很大提高，拓寬了學(xué)生的知識面，提高了學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生不僅在工程實踐能力方面得到鍛煉和提高，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了自身創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力的提升，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和實踐打下良好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。新型單片機課程教學(xué)體系的課程教學(xué)模式，經(jīng)過近幾年的教學(xué)實踐檢驗，取得了良好的實踐效果。依托基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的單片機教學(xué)實踐改革，促進了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對其他專業(yè)課程的教學(xué)改革也具有較大的借鑒作用。

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