基于能力培養(yǎng)的《單片機原理及應用》教學改革研究

朱永強 張平霞 潘福全 王小凡

摘要：針對當前《單片機原理及應用》課程教學效果不理想，學生理解存在困難等現(xiàn)象，提出了一種基于能力培養(yǎng)的《單片機原理及應用》教學手段與方法改革研究，從教學手段、實驗平臺、考核模式等方面入手，采用能力培養(yǎng)導向式學習，該項目可以提高學生上課積極性和主動性，并激發(fā)學生的學習興趣，可以在該項目的基礎上進行我校及國內(nèi)同類高校其他應用類課程的應用研究，將進一步推進各高校新工科專業(yè)人才培養(yǎng)模式、教學管理模式的改革與創(chuàng)新，促進人才培養(yǎng)質(zhì)量的進一步提高，具有較好的推廣價值。

關鍵詞：單片機原理及應用;教學改革;能力培養(yǎng)

中圖分類號：G645? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0222-02

0? 引言

單片機課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，是交通運輸、車輛工程、計算機、自動控制、應用電子、通信工程、機電一體化等多個專業(yè)的專業(yè)必修課。“單片機原理與應用”在工科院校各專業(yè)中已作為一門重要的專業(yè)基礎課而普遍開設[1-3]。

在多年的教學中，學生普遍反映單片機太抽象、概念多、入門難、指令不易記等等。學生感到枯燥乏味，學習難度很大，傳統(tǒng)實驗教學是以教師為中心的，著重強調(diào)教師的“教”，學生的“學”限定在教師的“教”之內(nèi)。雖然也強調(diào)實驗能力的培養(yǎng)，但這種實驗能力是被當作技能并以“知識”的形式來加以傳授的，學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的發(fā)展無疑是非常有限的。

目前的實踐教學主要以課內(nèi)實驗為主，通常教師預先設計相應的實驗項目，如清零拆字、I/O口使用、中斷與定時器使用、A/D轉(zhuǎn)換、D/A顯示、鍵盤顯示、小直流電機調(diào)速等，然后學生根據(jù)各實驗的教學要求完成相應的操作[4-5]。該方法一定程度上可以讓學生盡快熟悉和進入單片機這個領域，但不能激發(fā)學生的學習興趣和發(fā)揮他們的主觀能動性，更不利于培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力及綜合運用知識的能力。

從以上現(xiàn)狀及存在問題可看出，該課程教學的主要矛盾點在于理論和實踐教學相脫節(jié)，理論教學單純學理論知識;不利于學生實踐技能的培養(yǎng)，因此最有效的方法是改革現(xiàn)有的課程教學體系，在實踐教學中學習理論知識，加深對理論知識的理解和運用，使得理論教學有的放矢。

1? 基于能力培養(yǎng)的《單片機原理及應用》教學手段與方法改革

《單片機原理及應用》是交通運輸專業(yè)電子控制方向非常重要的專業(yè)課，因此如果采用基于能力培養(yǎng)為目標，對《單片機原理及應用》的教學手段與考核方法進行改革研究，會獲得以下效果：

①注重工程應用能力培養(yǎng)，提高學生解決實際問題的能力，變被動學習為主動學習。

在授課時由老師結(jié)合專業(yè)需求，結(jié)合學生興趣愛好，由教師提出單片機小型控制應用研究題目，結(jié)合課程授課，實現(xiàn)邊授課學習，邊推進題目進展，讓同學參與到實際的單片機應用研究中來，注重解決問題的科研流程與素質(zhì)的訓練，在此過程中讓學生變被動學習為主動學習。

②鼓勵學生參加各種競賽，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)，增強就業(yè)競爭力。

在前期基本技能培養(yǎng)+解決實際問題能力培養(yǎng)的基礎上，鼓勵學生參加各種比賽，對問題的分析不設標準答案，注重解決問題方法的多樣性、創(chuàng)新性虛實結(jié)合實驗，改善實際操作環(huán)節(jié)的效果。同時在此基礎上，指導學生參加國家大學生科技創(chuàng)新大賽等各種比賽，則必將激發(fā)學生的自信心，產(chǎn)生強烈的成就感，大大提高學生的學習興趣，而各種比賽成績的取得也必將大大增強學生的就業(yè)競爭力。

③避免重理論輕實踐，注重理論與實踐相結(jié)合，注重實際動手能力的培養(yǎng)。

利用虛擬仿真實驗技術(shù)，結(jié)合單片機實物項目，以及學生感興趣的實際應用題目，實現(xiàn)邊授課邊進行實際項目操作，使學生可以隨時進行實驗，而不會受制于實驗室條件所限，大大增加了學生實際操作的機會，進而解決了知識的應用問題。

最終實現(xiàn)，通過該課程的學習，可以學以致用，提高就業(yè)競爭力，并為培養(yǎng)新工科學生的創(chuàng)新能力提供相應的實踐教學平臺，并為我校在基于能力培養(yǎng)的課程教學手段與方法改革研究方面的應用研究奠定基礎。

2? 具體措施

2.1 改革方案設計

教師首先進行單片機基本課程知識的講授，然后確定實物項目的題目，在此過程中，通過課程的深入學習和項目的不斷完善，指導學生利用虛擬試驗平臺，進行初步分析研究，然后進行實物項目的實際研究，最終完成項目研究報告，并給出課程綜合成績。在此基礎上，指導學生進行企業(yè)考察和市場調(diào)研，確定創(chuàng)新性的研究題目，指導學生參與相關的比賽。

2.2 解決方法

①有價值的、符合課程需要的、難易適中的研究題目的方案篩選與課程內(nèi)容的對應銜接。

通過組織學生參與企業(yè)調(diào)研、市場調(diào)研，結(jié)合老師及相關技術(shù)專家的技術(shù)指導，確定有價值的研究題目。通過項目進展的方式，結(jié)合階段檢查、階段匯報，及時掌握學生的學習和研究進展情況，避免學生突擊式學習以及抄襲;在課時不變的情況下，通過將部分研究內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課下，來提高和保證學生的學習質(zhì)量。

在具體實施時，指導教師首先結(jié)合課題背景和知識掌握的需要，制定出課題任務書，對項目的開展過程及最終成果形式，進行規(guī)范，避免學生工作量不足。然后讓同學組成興趣小組，每個同學都必須參與，并且為防止抄襲，有明確的不同分工。在項目進行過程中，讓同學定期匯報，避免最后突擊應付，達不到應有的能力培養(yǎng)效果。最后每個同學根據(jù)各自的分工，開展實物項目試驗，撰寫對應的研究報告。從而達到能力培養(yǎng)的要求。在該過程中，教師要通過各種手段，定期檢查和指導學生的項目進展，提高學生的學習效率。例如在以往授課時，為講授傳感器的單片機編程，以及程序在智能控制中的具體應用，我們指導同學開展了電動小車的PWM調(diào)速控制、基于超聲波傳感器的自動避障控制。這些項目在同學自己設計算法并編程完畢后，試驗結(jié)果立即就會有不同的反應，學生立即會切身體會到程序控制的奧妙，因此就會激發(fā)出同學們濃厚的學習興趣，此時教師再抓住時機，講解相關理論，就會收到非常好的效果。

②Virtual Breadboard虛擬仿真平臺+Arduino實物項目的搭建。

常規(guī)單片機編程平臺為KeilC，仿真平臺為Proteus，但這兩個軟件用于Arduino，仿真直觀性較差，不便于調(diào)試。Virtual Breadboard是專門針對Arduino的，同時內(nèi)置了大量的仿真元器件，虛擬面板的可視性和模擬交互效果非常直觀，可以實時看到LED、LCD的變化，同時因為不是實物操作，所以不會引起觸電或者燒毀芯片等問題。

這樣同學根據(jù)項目的需要將相應的元器件擺放在面板上，并進行連線，然后編制單片機程序，仿真運行，即可看到具體的控制效果，如果有問題還可以再修改調(diào)試。在此基礎上驗證技術(shù)方案的初步可行性，減少后期的器件損耗。

如果仿真沒問題，就利用Arduino編譯平臺，進行程序編譯、下載，然后就可以看到實物控制的效果。選擇Arduino實物項目，開展相應的研究項目，最大的好處是：該款平臺在線調(diào)試集成度高，容易操作，而且資料豐富，學生在有限的時間內(nèi)比較容易集中精力進行算法的設計，而這也是本門課能力培養(yǎng)的核心。

③基于能力培養(yǎng)的考核模式的探索。

提出和設計本課程的教學環(huán)節(jié)與能力目標體系，在企業(yè)工程師、專業(yè)教師、教學管理人員和已畢業(yè)學生調(diào)研的基礎上，設計教學環(huán)節(jié)與能力目標體系，貫穿整個教學環(huán)節(jié)，最終以實物項目的成果形式體現(xiàn)出來，提高了同學動手解決實際問題的能力，在今后工作中遇到實際問題能夠與課本知識結(jié)合起來，知道如何下手解決問題。最終真正達到能力培養(yǎng)的要求。同時基于小組合作的培養(yǎng)模式，讓學生逐步具備分工合作的團隊素質(zhì)。

3? 基于能力培養(yǎng)的教學改革創(chuàng)新點

①采用能力培養(yǎng)導向式學習，使同學從被動的學習，變成主動學習。

在課程授課中結(jié)合知識的具體應用，同時學生結(jié)合所研究的題目，進行知識的應用，一方面促進知識的鞏固，另一方面，具體問題的解決，顯著提升學生學習信心和興趣，促使學生主動學習。

②考核方式由以往的“一考定成績”，改為注重學生實際全面能力的提升。

在新的考核過程中，成績考核伴隨整個教學環(huán)節(jié)：提出項目的題目、分析問題、提出解決方案、搭建電路平臺、組裝機械系統(tǒng)、撰寫研究報告、制作PPT進行答辯，體現(xiàn)出注重過程，注重全方面的能力，注重學以致用，注重學生綜合能力的提高，要求學生不僅學習好、研究好、還要文筆好、口才好，最終全方位提高學生的就業(yè)競爭力，滿足新工科培養(yǎng)的要求。

4? 結(jié)論

通過本項目研究，實現(xiàn)基于能力培養(yǎng)的教學模式的改革，激發(fā)學生的學習積極性，真正掌握單片機的控制理念。建立基于“產(chǎn)出導向育人、產(chǎn)教融合育人、競賽平臺育人”和注重“知識維度、能力維度、素質(zhì)維度”培養(yǎng)的高素質(zhì)應用創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，解決當前單片機課程理論知識與實際應用環(huán)節(jié)不能有效融合、實踐動手與創(chuàng)新能力不強的實際難題，提高學生的就業(yè)和考研的競爭力提升學校的聲譽，在培養(yǎng)服務山東省新舊動能轉(zhuǎn)換重大工程的高素質(zhì)人才方面做出一定的貢獻。

參考文獻：

[1]王艷春，秦月，張勁松，等.基于應用型人才培養(yǎng)的“單片機原理及應用”教學改革研究與實踐[J].信息通信，2017（11）：265-266.

[2]楊金泉，郝志華，張國旭，等.單片機原理及應用實驗教學改革研究與實踐[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2011（23）：178.

[3]楊林波.《單片機原理及應用》項目式教學改革研究與實踐[J].機械管理開發(fā)，2013（2）：147-148.

[4]喬延華，趙琳，李建娜.《單片機原理及應用》課程教學改革探索[J].當代教育實踐與教學研究，2017（10）：148-149.

[5]張鑫，張巖，隨金雪，等.單片機原理及應用課程的教學改革與實踐[C]//第四屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業(yè)教學改革研討會論文集（上冊）.2007.