高校單片機(jī)系列實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)新改革

黃 玥 劉 通 秦貴和 黃 威

（1.吉林大學(xué)公共計(jì)算機(jī)教學(xué)與研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；3.長(zhǎng)春一汽通信科技有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

1 研究背景

我國(guó)單片機(jī)發(fā)展從1986年算起至今已近35年。最初國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)和研究所開(kāi)展了8080/85、680 等8 位微處理器的研究和應(yīng)用。 到20 世紀(jì)80年代末，單片機(jī)課程被搬上了大學(xué)的講堂。 從復(fù)雜的匯編程序控制單片機(jī)到用C 語(yǔ)言、Python 語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)多任務(wù)平臺(tái)上的開(kāi)發(fā)， 從單板機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)到口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備， 單片機(jī)課程的理論與實(shí)驗(yàn)在不斷的發(fā)展進(jìn)步。隨著學(xué)生創(chuàng)新能力的提高，各種計(jì)算機(jī)創(chuàng)新大賽的舉辦， 學(xué)生對(duì)單片機(jī)知識(shí)的需求愈發(fā)旺盛。 因此， 不少大學(xué)為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)了單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程。 但非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生與計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的需求有所不同，他們更注重知識(shí)的實(shí)用性，需要用單片機(jī)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。 這就需要單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程更具實(shí)踐性、交叉性，課程要項(xiàng)目化、實(shí)用化。 這不僅是對(duì)課程本身的考驗(yàn)， 更是對(duì)教師的考驗(yàn)。教師不僅要有扎實(shí)的理論知識(shí)，更要有豐富的工程實(shí)踐能力；不僅要熟悉各種單片機(jī)系統(tǒng)，更要時(shí)刻掌握層出不窮的新體系、新設(shè)備，才能夠?qū)W(xué)生的創(chuàng)新思路及遇到的問(wèn)題加以指導(dǎo)，給予幫助。

2 課程改革的探索

單片機(jī)課程的改革從大綱結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、教師能力三個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 大綱結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的單片機(jī)課程一般從一個(gè)經(jīng)典的MCU，如51 進(jìn)行介紹。 一般會(huì)介紹單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、經(jīng)典接口（并口、串口及計(jì)數(shù)器等）、中斷調(diào)用、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換等知識(shí)。 即便是專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)，在傳統(tǒng)教學(xué)中也會(huì)存在學(xué)生指令系統(tǒng)跟不上、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論課程不貼切等問(wèn)題。 而對(duì)于學(xué)時(shí)緊張的單片機(jī)系列實(shí)驗(yàn)課程，非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生更是無(wú)法掌握這些繁多的理論知識(shí)。

非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)相關(guān)課程后，普遍反映課程難懂、枯燥、沒(méi)有多少用、學(xué)習(xí)課程后對(duì)自己基本沒(méi)有多少幫助等負(fù)面問(wèn)題。 因此，單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程相比專業(yè)的單片機(jī)大綱結(jié)構(gòu)，剔除掉與實(shí)踐沒(méi)有直接關(guān)系的理論知識(shí)，把與實(shí)踐相關(guān)的理論知識(shí)穿插在實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)。 調(diào)整后的優(yōu)勢(shì)如下：

一是理論與實(shí)踐緊密融合， 節(jié)約了授課時(shí)間；二是學(xué)生不再死記硬背理論知識(shí)， 直接通過(guò)實(shí)踐過(guò)程，將理論轉(zhuǎn)化為技能； 三是學(xué)生邊學(xué)邊做邊解決問(wèn)題，提高了學(xué)習(xí)的積極性；四是降低了學(xué)生解決問(wèn)題的門(mén)檻，讓學(xué)生可以學(xué)以致用。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菍W(xué)生需要在規(guī)定時(shí)間、指定儀器或?qū)嶒?yàn)箱上進(jìn)行限定性實(shí)驗(yàn)， 以驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)。 這種學(xué)習(xí)方式具有一定時(shí)滯性。 當(dāng)學(xué)生產(chǎn)生了某種創(chuàng)新想法而又無(wú)法及時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，該創(chuàng)新想法可能就會(huì)擱置。 等到下一次進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，又會(huì)因其他的操作任務(wù)而無(wú)暇實(shí)現(xiàn)之前的想法，或者之前的想法早已遺忘。

傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)大多借助電路實(shí)驗(yàn)箱在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，缺乏系統(tǒng)性、啟發(fā)性、設(shè)計(jì)性，使學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理的理解不深入，系統(tǒng)分析與應(yīng)用能力不高。 單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)要突出實(shí)用性、靈活性、開(kāi)放性。 學(xué)生在完成學(xué)時(shí)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)后，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容舉一反三；在教師的允許下可以進(jìn)行新的嘗試。 如學(xué)生在進(jìn)行PWM 控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度實(shí)驗(yàn)時(shí)， 還可以嘗試用PWM 控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。 在寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生的主動(dòng)性與積極性得到了提高，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性有很好的效果。 另外，實(shí)驗(yàn)箱的價(jià)格相對(duì)較高、體積較大，攜帶也極不方便。

許多院校的單片機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了專業(yè)化、學(xué)科化的改革。 這些改革主要對(duì)陳舊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。 一方面，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，各個(gè)院校根據(jù)學(xué)生的相關(guān)專業(yè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生可以進(jìn)行機(jī)電控制的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)；生物專業(yè)的學(xué)生可以進(jìn)行濕度、 溫度和光照傳感器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)；物流專業(yè)的學(xué)生可以進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)類的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。 另一方面，配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也需要自行設(shè)計(jì)組織，以滿足實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的專業(yè)化、學(xué)科化。

單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，受到教學(xué)條件限制，無(wú)法大量購(gòu)置價(jià)格較貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作需要具有專業(yè)知識(shí)與相應(yīng)能力， 而單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生在不具備相應(yīng)能力的情況下進(jìn)行操作， 實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往經(jīng)過(guò)一次或多次實(shí)驗(yàn)課之后會(huì)產(chǎn)生大量的問(wèn)題，需要調(diào)試及維修。從而給課程的正常教學(xué)帶來(lái)了不利因素。例如，有兩門(mén)課程在教學(xué)中使用同一套設(shè)備。 這兩種課程的實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境的配置不一樣，因此在兩個(gè)課程穿插進(jìn)行時(shí)，學(xué)生會(huì)因?yàn)榍按螌?shí)驗(yàn)的環(huán)境配置與自己實(shí)驗(yàn)的環(huán)境配置不一致而無(wú)法正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)課程在同一階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)期中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的故障率要遠(yuǎn)高于正常水平。

單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)在經(jīng)費(fèi)有限、支持有限的環(huán)境中想要發(fā)展，一定要進(jìn)行模塊化、精煉化、包容化的改革。 如今單片機(jī)系統(tǒng)類型不斷地豐富，價(jià)格不斷地降低，不僅實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者可以像組裝計(jì)算機(jī)一樣進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合，來(lái)滿足實(shí)驗(yàn)的硬件需求，學(xué)生也能自行滿足競(jìng)賽及學(xué)習(xí)需求的單片機(jī)及其配件（接口模塊、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）。

學(xué)生能夠在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)中完成并掌握的實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限。 如果有針對(duì)性地將實(shí)驗(yàn)設(shè)備化整為零， 將集成的實(shí)驗(yàn)機(jī)箱換成零件由學(xué)生進(jìn)行組裝，可以令實(shí)驗(yàn)成本大幅下降。 表1 是一個(gè)學(xué)生在公共選修課程中計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)課（部分）所需的實(shí)驗(yàn)材料。

表1 實(shí)驗(yàn)材料（部分）

若按照上表組織實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成本將降低到實(shí)驗(yàn)機(jī)箱的10%以內(nèi)。 這樣的效果不僅體現(xiàn)在有限的經(jīng)費(fèi)投入下豐富了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程需要學(xué)生自己動(dòng)手組裝， 極大地提高了學(xué)生的參與性與積極性，而學(xué)生可以將個(gè)人的單片機(jī)系統(tǒng)與課程提供的模塊組合調(diào)試，幫助學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性，提高了課程在學(xué)生中的口碑，令課程更具有活力。

2.3 教師能力

單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程教師應(yīng)該比專業(yè)教師更具有活力，更能適應(yīng)計(jì)算機(jī)的新知識(shí)、新體系和新概念。 由于單片機(jī)系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要以“實(shí)驗(yàn)主機(jī)+仿真系統(tǒng)+實(shí)驗(yàn)配套模塊”的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，市面上涌現(xiàn)出大量的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)及學(xué)習(xí)系統(tǒng)，而學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的選擇有趨新潮性，有一定的隨機(jī)性，因而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程教師不僅要有充足的知識(shí)儲(chǔ)備，更要不斷地補(bǔ)充新的知識(shí)，強(qiáng)化指導(dǎo)學(xué)生的能力。 相應(yīng)的，在教授單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的過(guò)程中，每一輪課程都要補(bǔ)充新類型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)新設(shè)備的調(diào)試、掌握并引入教學(xué)環(huán)節(jié)中的過(guò)程也在不斷地強(qiáng)化教師的個(gè)人能力。

單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的改革要滿足學(xué)生的需求，提高教師能力，激發(fā)課程活力，為高校培養(yǎng)創(chuàng)新性人才注入催化劑，為高等院校在科技創(chuàng)新時(shí)代不斷地深化改革進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的踐行。

3 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程是實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程。 在單片機(jī)發(fā)展迅猛的今天，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該更加輕量化、靈活、多樣。 在升級(jí)設(shè)備購(gòu)置方案的同時(shí)，也需進(jìn)一步加強(qiáng)教師技能，以便應(yīng)對(duì)市場(chǎng)花樣繁多的單片機(jī)產(chǎn)品。 讓學(xué)生不再拘泥于實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，可以更快、更靈活的從事個(gè)人興趣研究，提高創(chuàng)新能力。