高職汽車類專業(yè)單片機原理課程改革與探索

王新艷，李藝超

高職汽車類專業(yè)單片機原理課程改革與探索

王新艷1，李藝超2

（1.天津職業(yè)大學 汽車工程學院，天津 300410；2.天津市動核心科技有限公司，天津 300240）

單片機原理是汽車類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，文章通過對該專業(yè)的教學現(xiàn)狀進行分析，發(fā)現(xiàn)在實際教學過程中存在一定的問題。結合汽車專業(yè)的典型應用場景，對傳統(tǒng)教學內容進行邏輯重構，硬件設計由易到難，實驗貼合汽車應用。針對高職學生的人才培養(yǎng)方案中的課程進度安排，考慮到前序課程的影響，對實際教學方式進行優(yōu)化，以保障教學內容不斷層。調整理實課時比例，使課程教學向實驗教學傾斜，探索新型教學模式，合理使用仿真軟件提高線上教學效果與質量，最后采用多元化考核方式進行評價。實踐證明，通過課程教學改革，提高了學生學習的積極性，培養(yǎng)了工程實踐能力，拓寬了就業(yè)渠道。

單片機；教學模式；課程重構；工程實踐

單片機原理課程是工科類專業(yè)必修的一門課程，而汽車專業(yè)因服務其對象是機電一體化高度集中的產品，汽車擁有眾多的汽車電子控制單元，冗余策略使得單片機數(shù)量成倍增加[1-3]。學習單片機原理課程，可以更好地理解汽車的控制策略，進而為汽車維修提供思路。對于新能源汽車專業(yè)的學生，單片機原理課程的重要性不言而喻，為后續(xù)驅動電機系統(tǒng)維修、動力電池技術、充電系統(tǒng)維修、新能源汽車故障診斷等專業(yè)核心課程的學習打下基礎。因此，高職汽車類專業(yè)開設單片機原理課程尤為重要，學生學習效果的好壞也影響著汽車維修的專業(yè)性與維修技能的提升，也為學生頂崗實習拓寬就業(yè)范圍。因此，對汽車單片機原理課程進行課程內容重構、教學方式調整、考核方式修改，具有重要意義。

1 教學現(xiàn)狀分析

單片機原理是一門理論與實驗緊密結合的課程，是我校汽車檢測與維修技術、新能源汽車檢測與維修技術、汽車服務工程專業(yè)的必修課。本人從事汽車單片機原理課程授課近6年的時間里，對課程教學過程中出現(xiàn)的問題進行總結，主要有以下幾點：

1.前序課程不合理，相關前序課程學習效果不理想

傳統(tǒng)的單片機原理課程主要面向電子、自動化專業(yè)的學生，其專業(yè)課中電學的比例較高，學生電學基礎較好，對硬件部分設計較為容易，僅需要在專業(yè)課程中融入編程思維即可。而對于高職汽車類學生而言，電學課程較少，一般前序課程僅有電工電子課程，沒有作為編程基礎的C語言課程，以及汽車中常用的傳感器課程作為前序課程，無法完全支撐課程內容，電工電子基礎課程的學習效果就顯得尤為重要。在單片機原理教學過程中，發(fā)現(xiàn)較多學生對基本的電路設計能力欠缺，無法單獨完成簡單的硬件設計，以至于需要在本門課程中，必須進行硬件設計的適當學習補足后，才能正常進行單片機工程設計學習?？梢娗靶蛘n程的重要性，學生學習效果的好壞，直接影響著單片機工程實踐中的硬件設計能力。

2.理實課時比例安排不合理

傳統(tǒng)的教學模式，理論學時占比遠高于實驗課，過多的理論講解使得學生以為課程難度較大，對課程認知產生了一定的誤解，會產生一定的恐懼心理。實驗課程中，入門程序沒有合適的課時練習，之后的程序以教師給定程序、學生抄寫代碼為主，大多數(shù)學生無法對錯誤代碼進行修改，不能獨立完成課程發(fā)布的工程任務，遠達不到課程目標，效果大打折扣。

3.混合式教學效果達不到預期

線上線下的混合式教學模式為教學提供了一種全新的模式，受新型教學模式經驗欠缺、網(wǎng)絡狀況等影響，不能全程監(jiān)督學生的學習狀態(tài)，無法實時與學生互動，學習效果可想而知。而在轉入線下教學時，需要進行一定的學時的復習，對線上教學內容進行鞏固后才能進行之后的教學，對整體進度有一定的影響，無法達到預期。

4.考核方式較為傳統(tǒng)

傳統(tǒng)課程的評價方式以期末試卷考核為主認定，這種方式難以全面地考察學生的知識運用能力與解決工程實際問題的能力[4]，大多數(shù)學生通過考前臨時突擊復習也能取得較好的成績，難以從合理、公平的角度去全面衡量學生的課程掌握情況。

2 教學改革探索

2.1 合理選擇教材并進行教學內容重構設計

傳統(tǒng)的單片機教材，主要包括如表1所示的單片機功能性章節(jié)。開篇介紹單片機硬件系統(tǒng)后，緊接著是整章節(jié)的C語言程序基礎，以補足或簡要復習編程語言規(guī)則。然后，根據(jù)單片機的功能，依次是IO（Input/Output）口、中斷、定時器/計數(shù)器、串行口、拓展技術等，部分教材會根據(jù)需要進行章節(jié)順序調整等。傳統(tǒng)教材不涉及汽車上的相關應用，章節(jié)內容的排序，不適合高職汽車專業(yè)學生，學生不能從教材中尋找出單片機與汽車的關聯(lián)，缺乏代入性。因此，教師在選擇教材時，可以選擇汽車單片機原理相關教材，這種教材的實驗項目會將汽車與單片機進行結合，并突出汽車單片機控制技術，更加便于該專業(yè)學生的自學與理解。

在教學中，需要根據(jù)學生專業(yè)基礎，將其在汽車中的應用逐步滲透到章節(jié)中，以較為簡單的入門基礎開始，逐步加大硬件設計難度與編程運用難度。根據(jù)學生電學基礎，合理進行教學項目與進度設計，項目設計以其在汽車中的應用為主，為后續(xù)課程做好鋪墊。

表1 傳統(tǒng)單片機主要章節(jié)內容

章節(jié)教學內容 1硬件結構與工作原理 2C語言基礎與C51程序設計 3C51接口技術 3C51中斷系統(tǒng) 4C51定時/計數(shù)器 5C51串行口技術 6C51單片機系統(tǒng)拓展技術

在教學內容重構過程中，根據(jù)硬件電路設計方法，由易到難進行重構。單片機的入門一般以點亮一個發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）開始，對應的硬件設計也比較簡單，即將限流電阻與發(fā)光二管串聯(lián)后接到單片機IO口，通過簡單的IO口高低電平控制LED亮滅，使學生掌握編程入門技巧。點亮單個LED燈、點亮多個LED燈、單個LED燈閃爍、多個LED燈閃爍、花樣LED燈等，現(xiàn)象由易到難，通過對流水燈進行各種類型控制，使學生將C語言編程入門基礎打牢的同時，能對單片機IO口的控制方法靈活并熟練掌握。

共陰或者共陽數(shù)碼管的內部是由LED燈通過不同的正負極連接方式構成的，將控制端連接至IO口，可由LED燈的控制機理很快過渡到數(shù)碼管的控制方法學習中。從靜態(tài)顯示到動態(tài)顯示，為秒表的實現(xiàn)奠定基礎。

LED燈、數(shù)碼管是常用的顯示器件，進一步則由按鍵進行控制其如何顯示，實現(xiàn)對按鍵的控制進行過渡，汽車的組合開關、儀表臺、中控臺中的應用場景極多。如圖1所示，將硬件難度逐步加大，使學生逐漸適應，以減少課程接受難度。

圖1 硬件難度控制

整個項目進度，硬件難度逐漸加大，控制方法逐漸升級，如表2所示，每個功能對應汽車上的某些應用，使學生能更好地理解學習這門課程的必要性，為傳統(tǒng)汽車和新能源汽車的檢測與維修打下基礎。

矩陣鍵盤信息采集與顯示、電機控制、傳感器信息采集與處理、通信原理等部分，可以根據(jù)學生具體掌握情況、學時等適當增減項目數(shù)量，但是必須保障基礎良好，為后續(xù)課程、汽車維修、頂崗實習、就業(yè)等保駕護航。

表2 實驗項目設計

硬件效果在汽車上的應用單片機功能 點亮LED燈汽車駐車燈點亮設計控制IO口 LED燈閃爍汽車轉向燈設計控制IO口 花樣流水燈汽車報警燈設計控制IO口 數(shù)碼管靜態(tài)顯示汽車里程顯示控制IO口 數(shù)碼管動態(tài)顯示車速實時顯示設計控制IO口 數(shù)碼管秒表交通燈設計定時器 按鍵信息采集與顯示汽車組合開關信息采集中斷

2.2 教學方式調整

傳統(tǒng)的單片機課程，很多是以匯編作為編程語言，C語言具有靈活方便、可移植性強等優(yōu)勢，逐步取代了傳統(tǒng)復雜的匯編語言。對于汽車專業(yè)高職學生，一般在人才培養(yǎng)方案中沒有開設C語言基礎相關課程，學生沒有編程基礎，就需要在課程中進行講解。結合現(xiàn)存教材的特點，常規(guī)的教學方式是安排合理的學時專門講解C語言編程規(guī)則。但是，在近幾年的教學過程中，發(fā)現(xiàn)這種教學方式并不符合青少年學生的學習特點。一般的單片機實驗機房僅能對單片機程序進行編程與驗證，并且實驗開始時間比較靠后，基礎C語言教學在前期進行介紹，學生并不能進行實時練習，空洞的理論不利于學生掌握C語言。因此，單純章節(jié)的講解C編程語言需要改變引入與學習方式。

本人在實際教學過程中，并未單獨將C語言作為一章節(jié)進行講解，而是將C語言融入編程中，具體到汽車單片機實驗中，用到什么關鍵字再進行實際效果練習，并在Keil顯示“WARNING”時進行糾錯，以加強學生記憶。比如，在“汽車儀表燈點亮”實驗項目中，可以在學生練習、實現(xiàn)實驗效果后，對C語言的關鍵字、函數(shù)結構特點等依次進行介紹，提高學生學習興趣的同時，利于學生理解與記憶，做到在練中學，在學中加深理解。

若在實際教學中，無法保證在實驗課中對C代碼進行講解與練習，可以在理論教學中，介紹C語言規(guī)則的同時，實時演示操作方法與效果，向學生逐步演示Keil軟件書寫C代碼的過程，強調關鍵字大小寫、書寫特點、代碼的完整性等細節(jié)注意事項。

2.3 探索新型教學模式

隨著線上教學或者線上線下混合式的新型教學模式成為常態(tài)，也為教學模式提供了新的思路。但在推行線上教育的過程中，也存在著重視不夠、教師和學生不適應、教學準備不充分、教學資源不充足、網(wǎng)絡傳輸不流暢以及缺少有效的心理疏導方法等諸多問題，必須認真分析解決[5]。對于一個全新的線上教學模式，需要在線上教學過程中不斷探索尋找出路。

在線上教學過程中，使用學習通軟件建立課程架構，建立引入視頻，設計討論主題，設置視闖關環(huán)節(jié)等，通過后臺監(jiān)控學生學習效果并予以反饋。尤其在闖關環(huán)節(jié)，后臺數(shù)據(jù)活躍度較高。

2.4 調整理實學時比例

對于注重能力型的課程，加大實驗環(huán)節(jié)比例是必然的。以天津職業(yè)大學汽車工程學院新能源汽車檢測與維修專業(yè)為例，課程共72學時，其中理論24學時，實驗48學時，學期中后期的課程幾乎都在實驗中完成，極大地提高了學生的學習效果。如果條件允許，理實一體化是最好的方式，學生可以隨時進行實驗練習、糾錯與驗證。

2.5 合理使用仿真軟件

對于線上教學方式而言，Proteus完全可以脫離實物進行硬件仿真，并實現(xiàn)與Keil軟件之間的聯(lián)調，實現(xiàn)類似于工程項目的調試工作。Proteus是專門為單片機仿真而設計的，單片機仿真庫里有51內核單片機，這也是學校會以Atmel公司的AT89C51芯片進行授課的原因。除此之外，還有HC11、PIC10/12/16/18/24/30/Ds PIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年增加了Cortex和DSP系列處理器，最近又增加了目前流行的Arduino和嵌入式單片機STM32系列[6]。在硬件庫里，有探針、電壓表、電流表、萬用表、信號發(fā)生器、示波器等，方便對硬件電路進行設計與調試，電路參數(shù)可以根據(jù)需要進行修改。在進行硬件仿真時，對于高低電平有不同的方塊進行顯示，信號電平高低切換時，方塊顏色也會隨之切換，可以根據(jù)實際顯示效果判斷問題所在，仿真效果更加直觀、生動，減少仿真調試時間，這是實際焊接電路板無法超越的。軟件使用Keil軟件，編輯成功后生成HEX文件，即可進行軟硬件的聯(lián)調，減少了實做失誤。對于學校實驗室而言，這種方式也減少了實驗耗材經費開銷，在硬件電路或者芯片燒壞的情況下，也不失為一種教學解決方法。在學生編程效果較好的前提下，也可以開展課程設計環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從仿真到實做，實現(xiàn)真正意義上的工程項目設計與調試。

2.6 合理的考核評價方式

以學生學習成果為導向，注重學生實際工程解決能力，對單片機課程的考核方案需要多元化、多層次設計，線上、線下或者混合制教學需要對比例進行適當調整。以天津職業(yè)大學汽車工程學院為例，過程性考核和終結性考核兩種方式進行。過程性考核占60%，占比較大；終結性考核占40%，為學生期末卷面成績。其中，過程性考核主要包括，創(chuàng)新能力10%、團隊精神10%、課程參與程度20%、實驗工單成績20%。

在實驗課程中，需要以團隊的方式進行模塊化階段性考核，以實現(xiàn)某個現(xiàn)象為工程目標，不限制實現(xiàn)方法，最終根據(jù)團隊表現(xiàn)給定實驗成績，極大地提高團隊協(xié)作能力、解決工程能力等。不同的方法實現(xiàn)同一現(xiàn)象，也使每個學生逐漸形成自己的編程習慣。

2.7 思政元素的融入

無論對于軟硬件仿真還是硬件焊接調試，思政元素需要時刻融入教學，使學生理解編程與代碼的特點。對于代碼格式，需要學生提高審美觀念，代碼需要根據(jù)關鍵字特點進行邏輯對齊，方便成組、成對查找錯誤。比如，使用while進行循環(huán)時，其內置if指令，則while大括號應比if大括號靠外側并分別對齊。若在編譯時出現(xiàn)錯誤，可以很快進行定位并發(fā)現(xiàn)錯誤。進行硬件焊接時，需要對硬件布局美觀、合理，做到跨線最少，盡量焊接成直線。繪制印制線路板（Printed Circuit Board, PCB）電路圖，則應合理布局，盡量避免電磁干擾，接插件放置在靠近外圍，方便插拔等，符合事物發(fā)展的一般規(guī)律。汽車技術的發(fā)展依賴于電子技術的升級，國產新能源汽車技術的崛起，也依賴于電子電路技術的迅速發(fā)展，逐漸提升學生的國家自豪感，提升自身的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。鼓勵學生多參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，真正地將知識變成科技，培養(yǎng)大國工匠精神。

3 結束語

經過幾輪的教學改革，教學形式、架構、內容等不斷優(yōu)化合理，不同的教學手段提升了學生的學習積極性，并取得了一定的效果，學生成績較之前有一定的提升。單片機課程學習較好的學生，也可以在專升本的C語言專業(yè)課考試中有極大的優(yōu)勢，提升了學生專升本的學歷深造積極性。學生進入教具設計企業(yè)、汽車仿真相關企業(yè)進行頂崗實習，拓寬了就業(yè)渠道。

[1] 柴彬.思政育人在汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)檢修課程中的探索[J].汽車實用技術,2023,48(1):168-172.

[2] 高學勤.基于“1+X”證書制度的“一平臺、三融合”信息安全技術應用專業(yè)教學改革研究[J].教育觀察, 2023,12(4):88-91.

[3] 宋利.基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的職業(yè)教育教師培訓思路與策略研究[J].教育信息化論壇,2022,131(12):21-23.

[4] 王佳,趙耕云.基于OBE理念的單片機課程項目化教學改革探索[J].汽車實用技術,2022,47(23):211-214.

[5] 孫百鳴,杜麗萍,陳志平.高職院校疫情防控期間線上教學的思考與實踐[J].黑龍江教育(高教研究與評估),2021(3):23-26.

[6] 丁莉,何波,丁有軍,等.Proteus仿真軟件在單片機教學中的應用[J].教育教學論壇,2019(45):256-257.

Exploration of SCM Principle Course Reform in Automotive Major in Higher Vocational Colleges

WANG Xinyan1, LI Yichao2

( 1.College of Automotive Engineering, Tianjin Vocational University, Tianjin 300410, China; 2.Tianjin Dynamic Core Technology Company Limited, Tianjin 300240, China )

Single-chip microcomputer principle course is a basic course of automobile specialty. Through the analysis of the teaching status of this article, it is found that there are some problems in the actual teaching process.Combined with the typical application scenarios of automobile, the traditional teaching content is reconstructed logically, the hardware design is from easy to difficult, and the experiment is suitable for automobile application.In view of the curriculum schedule arrangement in the talent training program of higher vocational college students, taking into account the influence of the previous course, the actual teaching method is optimized to ensure the continuous level of teaching content.Adjust the proportion of time management hours, make the course teaching inclined to experimental teaching, explore new teaching mode, reasonable use of simulation software to improve the effect and quality of online teaching, and finally adopt diversified assessment methods for evaluation.Practice has proved that the curriculum reform has improved students' learning enthusiasm, cultivated engineering practice ability and broadened employment channels.

Single chip microcomputer;Teaching mode;Course reconstruction;Engineering practice

G642

A

1671-7988(2023)20-155-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.031

王新艷（1987－），女，碩士，講師，研究方向為汽車電子技術，E-mail:337683449@qq.com。

天津職業(yè)大學教育教學改革專項課題（JGZX2023010）：崗課賽證融通新形態(tài)教材的探索與實踐。