單片機(jī)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

肖 軍 欒江峰 袁劍鋒 林兆花

北京師范大學(xué)珠海分校 廣東珠海 519087

單片機(jī)原理與應(yīng)用是北京師范大學(xué)珠海分校工程技術(shù)學(xué)院(以下簡稱“我院”)電氣工程及自動(dòng)化、測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)的專業(yè)核心課程，單片機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、家用電器、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽由工業(yè)與信息化部人才交流中心舉辦，教育部全國高等學(xué)校學(xué)生信息咨詢與就業(yè)指導(dǎo)中心為支持單位，大賽旨在提高學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力，促進(jìn)高校計(jì)算機(jī)、軟件及電子專業(yè)就業(yè)指導(dǎo)工作。“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽下設(shè)電子類單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)競賽項(xiàng)目，賽題涉及數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、C語言程序設(shè)計(jì)和單片機(jī)原理與應(yīng)用等專業(yè)核心課程的知識(shí)，比賽形式側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)于電子產(chǎn)品的實(shí)際開發(fā)能力[1]。

單片機(jī)課程因其具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性[2]，適合開展教賽結(jié)合模式的教學(xué)改革。我院鼓勵(lì)學(xué)生參加單片機(jī)技能競賽，競賽成績是對(duì)學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的檢驗(yàn)，課程建設(shè)教師團(tuán)隊(duì)可根據(jù)競賽結(jié)果反饋，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法和手段，不斷提升業(yè)務(wù)素質(zhì)，反過來促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，真正實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長、以賽促學(xué)的目標(biāo)。

1 教改措施

改變傳統(tǒng)教賽分離的情況，將競賽項(xiàng)目普及融入日常教學(xué)體系中。根據(jù)單片機(jī)競賽大綱的要求，重新調(diào)整課程的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，有針對(duì)性地選擇單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)單片機(jī)教具，并編寫實(shí)驗(yàn)講義，探索“教賽結(jié)合、以賽促教”的課程改革模式。

1.1 針對(duì)競賽要求修訂教學(xué)大綱

以往單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)以傳統(tǒng)的8051單片機(jī)為平臺(tái)，單片機(jī)開發(fā)語言選用匯編語言。教學(xué)過程中，教師詳細(xì)介紹單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和匯編語言，真正講授單片機(jī)結(jié)合外圍電路的應(yīng)用案例課時(shí)量有限。實(shí)驗(yàn)課上，采用匯編語言編寫單片機(jī)實(shí)驗(yàn)程序，開發(fā)效率低，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長，一學(xué)期下來，完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少。教學(xué)效果并不理想。

為了符合課程對(duì)于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，修訂了教學(xué)大綱。為與“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)競賽項(xiàng)目的要求保持一致，教學(xué)中的單片機(jī)型號(hào)改為升級(jí)版的51內(nèi)核單片機(jī)IAP15F2K61S2，相對(duì)于傳統(tǒng)8051芯片，性能成倍提高，集成外設(shè)更多，在市場上有較高的普及率[3]。

單片機(jī)競賽要求參賽選手在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成具有多個(gè)子功能的電子設(shè)備的程序開發(fā)，對(duì)單片機(jī)程序開發(fā)速度提出了更高要求。為此，選用開發(fā)效率更高的C語言作為單片機(jī)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中的主要編程語言[4]，力求實(shí)驗(yàn)過程和方式與競賽大綱的要求保持一致。

1.2 組建全工程師教師團(tuán)隊(duì)

單片機(jī)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,課程教學(xué)內(nèi)容除涵蓋單片機(jī)技術(shù)本身之外，還涉及電子技術(shù)、程序設(shè)計(jì)等實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)單片機(jī)教學(xué)中具有至關(guān)重要的作用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到整體教學(xué)的質(zhì)量和課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)水平，組建了工程師教師團(tuán)隊(duì)。教師團(tuán)隊(duì)成員全部具備高級(jí)工程師、工程師職稱，兼職教師為珠海檢驗(yàn)檢疫局和珠海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的一線工程師，教師團(tuán)隊(duì)成員具有較豐富的工程技術(shù)實(shí)踐經(jīng)歷和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

1.3 根據(jù)競賽大綱編寫實(shí)驗(yàn)講義

根據(jù)單片機(jī)技能競賽大綱的內(nèi)容，結(jié)合指導(dǎo)競賽的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一批符合競賽大綱要求的單片機(jī)教具，編寫適合學(xué)生日常教學(xué)使用的實(shí)驗(yàn)講義，將競賽項(xiàng)目簡單化、項(xiàng)目化[5]，簡單易學(xué)，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)講義中的項(xiàng)目清單見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目清單

1.4 舉辦院級(jí)電子技能基本功大賽 完成競賽培訓(xùn)電路板的制作

為了增加學(xué)生對(duì)競賽電路板的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，在單片機(jī)課程開設(shè)的前一學(xué)期舉辦院級(jí)單片機(jī)開發(fā)板焊接基本功大賽，焊接的電路板為我院單片機(jī)教學(xué)團(tuán)隊(duì)參照“藍(lán)橋杯”單片機(jī)項(xiàng)目競賽大綱重新修改設(shè)計(jì)的競賽電路板，在不影響單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和后續(xù)競賽培訓(xùn)的前提下，刪除了“藍(lán)橋杯”官方競賽電路中的AVR單片機(jī)接口，霍爾元件等不常用元件，以降低成本。根據(jù)競賽大綱重新設(shè)計(jì)的競賽電路板原理圖如圖1所示。

圖1 根據(jù)競賽大綱重新設(shè)計(jì)的競賽電路板原理圖

我院學(xué)生積極參加焊接基本功大賽，在大賽上完成競賽電路板的制作。焊接基本功大賽一方面使學(xué)生掌握了基本焊接技能，另一方面制作出來的開發(fā)板也應(yīng)用于課程教學(xué)和競賽培訓(xùn)之中。焊接基本功大賽上學(xué)生焊接的競賽培訓(xùn)用單片機(jī)電路板如圖2所示。

圖2 焊接基本功大賽上學(xué)生焊接的單片機(jī)開發(fā)板

1.5 建立師生聯(lián)合競賽培訓(xùn)和答疑模式

通過課堂講授結(jié)合課外集中培訓(xùn)和答疑的形式，開展單片機(jī)競賽賽前培訓(xùn)。輔導(dǎo)和賽前培訓(xùn)需占用教師的大量時(shí)間，對(duì)教師其他工作，如科研任務(wù)的開展造成一定影響。以“教賽結(jié)合”模式建設(shè)和改革課程的過程中，逐步探索出適合我院實(shí)際情況的師生聯(lián)合備賽和答疑模式。將高年級(jí)獲獎(jiǎng)學(xué)生納入競賽培訓(xùn)和課后答疑的工作中來，一方面減輕了教師在競賽培訓(xùn)和課后答疑的工作量；另一方面，多名高年級(jí)獲獎(jiǎng)學(xué)生以參加大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的形式進(jìn)駐實(shí)驗(yàn)室，開展答疑活動(dòng)，延長了答疑活動(dòng)的開放時(shí)間，使學(xué)生的疑問能夠更加及時(shí)地獲得當(dāng)面解答，一定程度上提升了答疑效果。

2 教改實(shí)施成效

教改和課程建設(shè)實(shí)施以前，由于在教學(xué)內(nèi)容上偏向于理論講解，而實(shí)驗(yàn)中采用匯編語言，過程煩瑣，學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的積極性不高，鮮有學(xué)生參加單片機(jī)技能競賽及相關(guān)領(lǐng)域的機(jī)器人競賽的獲獎(jiǎng)紀(jì)錄，只有個(gè)別學(xué)生申報(bào)單片機(jī)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。自2016年實(shí)施教賽結(jié)合的模式改革單片機(jī)課程以來，我院測控技術(shù)與儀器專業(yè)和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生參加“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)競賽項(xiàng)目，累計(jì)32人次獲獎(jiǎng)，其中全國二等獎(jiǎng)4人，省一等獎(jiǎng)8人。課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)成員教師全部被評(píng)為大賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師，并且獲得有工信部頒發(fā)的單片機(jī)工程師證書，由于競賽成績優(yōu)異，我校也被評(píng)為“藍(lán)橋杯”大賽優(yōu)勝單位。此外，我院學(xué)生參加2017年“創(chuàng)造信息杯”中國機(jī)器人大賽獲一等獎(jiǎng)，參加2017中國服務(wù)機(jī)器人大賽獲一等獎(jiǎng)。

自采用“教賽結(jié)合”建設(shè)課程以來，課后主動(dòng)鉆研單片機(jī)技術(shù)，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)參加大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的學(xué)生逐年增加，我院已形成了良好的單片機(jī)技術(shù)學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)積極申報(bào)“便攜式USB混合信號(hào)示波器設(shè)計(jì)”“貝斯演奏機(jī)械手及控制系統(tǒng)研制”等大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練和廣東攀登計(jì)劃項(xiàng)目7項(xiàng)，申報(bào)專利2項(xiàng)。

3 結(jié)語

兩年來的教改實(shí)踐表明，將單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容與單片機(jī)競賽接軌，建立工程師教學(xué)團(tuán)隊(duì)，訂制符合競賽大綱要求的實(shí)驗(yàn)講義，開展單片機(jī)焊接基本功競賽，建立師生聯(lián)合指導(dǎo)競賽和課外輔導(dǎo)的機(jī)制，一系列的教改措施的實(shí)施，使單片機(jī)課程教學(xué)改革取得了豐碩的成果。學(xué)生通過參加競賽，提高了應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的開發(fā)產(chǎn)品和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力[6]。教師通過指導(dǎo)學(xué)生參加競賽，教學(xué)相長，積累了教書育人經(jīng)驗(yàn)，提升了業(yè)務(wù)素質(zhì)?；诮藤惤Y(jié)合的單片機(jī)課程教學(xué)改革為我院探索應(yīng)用型、創(chuàng)新型工科人才的培養(yǎng)模式，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。