面向應(yīng)用能力培養(yǎng)的單片機課程教學(xué)探討與改革實踐

潘 輝 常新華 候典立 邱相艷

魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 山東煙臺 264025

單片機技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、家用電器等的智能化控制，更是物聯(lián)網(wǎng)時代構(gòu)建感知層不可或缺的技術(shù)之一。因而具備單片機開發(fā)能力的人才，社會需求度高，就業(yè)前景良好。鑒于單片機技術(shù)對于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要性，我院在電氣、電子、計算機方向的多個專業(yè)均開設(shè)了相關(guān)課程，并在2012年啟動的山東省名校工程專業(yè)建設(shè)中將單片機系統(tǒng)與應(yīng)用課程列為重點建設(shè)課程。

單片機課程作為典型的工程技術(shù)類課程，具有技術(shù)更新快、實踐要求高、綜合性強的特點[1]，因此盡管理論難度不高，對于初次接觸該領(lǐng)域的學(xué)生也有一定的困難。針對單片機的授課特點，我院單片機課程組通過長期不懈的努力，圍繞工程教育的理念，以學(xué)生為中心，以面向應(yīng)用的能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，對課程內(nèi)容的組織、傳遞、實踐、考核等多方面進行了改革和建設(shè)，在傳授專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，更著眼于提高學(xué)生的技術(shù)能力和工程素養(yǎng)。

1 單片機課程教學(xué)問題探討

單片機課程位于課程體系的上層，與組成原理一類的專業(yè)基礎(chǔ)課程存在明顯的不同，這些課程講授的原理性知識具有抽象、穩(wěn)定的特點，作用于知識平臺的底層，而單片機課程則是一門活學(xué)活用、與工程應(yīng)用緊密結(jié)合的系統(tǒng)性課程。課程授課目標(biāo)不僅僅局限于課本上原理性知識的傳授，更多的意義在于對學(xué)生能力的培養(yǎng)，包括對硬件設(shè)計相關(guān)知識的綜合、對系統(tǒng)分析和設(shè)計思路的訓(xùn)練以及對應(yīng)用技能和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)[2]。對于一門課程而言，要達到這樣的授課目標(biāo)，顯然是較為艱巨的，以下對存在的主要問題進行分析。

1.1 授課內(nèi)容的組織方式

多年來，單片機課程形成了較為完整的課程內(nèi)容體系。該體系一般依托8位的51內(nèi)核單片機，從內(nèi)向外，由處理器內(nèi)核、集成器件到外圍擴展，依次介紹以單片機為核心的微型計算機的工作原理、構(gòu)建原理、設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，即按照計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)組織授課教學(xué)。這種內(nèi)容組織方式不能體現(xiàn)課程的工程應(yīng)用特點，存在理論性強、實踐性弱的問題。首先，前期課程難以開展實驗教學(xué)活動，理論內(nèi)容抽象、枯燥，不利于學(xué)生快速入門系統(tǒng)開發(fā)的各種工具和流程；其次，脫離應(yīng)用，造成的弊端是學(xué)生不清楚知識用到哪兒、怎么用，等到要用的時候已經(jīng)忘掉了前面所學(xué)的內(nèi)容，所以學(xué)習(xí)效果往往不好。因此，應(yīng)考慮改變原有的授課組織方式，以應(yīng)用為中心重新組織授課內(nèi)容。

1.2 核心單片機的選擇

單片機技術(shù)已有超過四十年的發(fā)展歷史，與通用處理器不同，為適應(yīng)不同的應(yīng)用，單片機具有種類繁多、多性能并存的特點，而單片機課程大多選擇講授8位的51兼容單片機，這是因為51內(nèi)核應(yīng)用廣泛，資源豐富，且8位機相對簡單，容易上手。但在集成制造技術(shù)高度發(fā)展的今天，32位嵌入式控制器的性價比已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于51兼容單片機，因此在實際工程應(yīng)用中，已逐步摒棄了傳統(tǒng)的51單片機，更傾向于采用在性能、可靠性、可編程性等多方面更具優(yōu)勢的32位嵌入式控制器。那么，單片機課程的教學(xué)，是否應(yīng)該做出相應(yīng)的調(diào)整呢？這就需要根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)體系的設(shè)置，針對不同專業(yè)，綜合考慮，合理地改革課程的教學(xué)內(nèi)容，以期在有限的學(xué)時內(nèi)，既能為學(xué)生奠定牢固的知識基礎(chǔ)，又能改進課程的先進性，并為學(xué)生以后的就業(yè)創(chuàng)造一定的優(yōu)勢。

1.3 學(xué)時對授課效果的限制

我院單片機課程根據(jù)專業(yè)的不同，分別設(shè)置為課堂教學(xué)32學(xué)時或48學(xué)時，實驗教學(xué)16學(xué)時，而單片機課程知識點多，對工程實踐能力的培養(yǎng)要求高，通過合理地組織教學(xué)內(nèi)容，能夠在一定程度上提高授課效率，但是能力的培養(yǎng)非一朝一夕之事，僅僅依靠上課時間恐怕很難達到預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)。這就需要想方設(shè)法，通過建立激勵考核機制，建設(shè)豐富的網(wǎng)絡(luò)課程資源，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，使學(xué)生能夠有效利用課外時間，有步驟、持續(xù)性地進行課外學(xué)習(xí)，為提升授課質(zhì)量提供一定的保障。

2 我院單片機課程實施的教學(xué)改革情況

2.1 打破傳統(tǒng)授課體系 圍繞應(yīng)用案例組織教學(xué)

鑒于按照計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織的授課體系存在入門難、理解難、應(yīng)用難的問題，我們對單片機課程進行了改革，采取 “問題驅(qū)動，實例貫穿”的案例驅(qū)動方式，重新組織了課程的授課內(nèi)容。如圖1所示，在遵循認(rèn)識規(guī)律的前提下，由簡單到復(fù)雜選取多個案例，每個典型案例在運用前期知識的基礎(chǔ)上，再涵蓋2～3個新的理論知識點。采用這種教學(xué)組織形式，改變了原有授課內(nèi)容的抽象性，使原理性知識具備了應(yīng)用背景。授課過程中，通過應(yīng)用需求提出問題，導(dǎo)入新的知識，讓學(xué)生明白“為什么要學(xué)”“學(xué)了可以用來做什么”；講解過程中結(jié)合案例，隨堂演示，讓學(xué)生學(xué)習(xí)“怎樣用”；同時，注重問題的關(guān)聯(lián)，引申案例，讓學(xué)生了解“還可以用在哪兒”；課后，通過模仿、實現(xiàn)案例開展有效的課外實踐，讓學(xué)生真正“學(xué)會用”。由此，既可加深學(xué)生對知識的理解和融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計思維，又可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生動手能力，符合授課目標(biāo)的預(yù)期要求。

圖1 采用案例驅(qū)動的授課內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)

2.2 合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容 順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢

我院開設(shè)的單片機課程名稱為單片機系統(tǒng)與應(yīng)用，表明課程的授課內(nèi)容既包含單片機系統(tǒng)構(gòu)建的一般原理性知識，又要體現(xiàn)課程的特點，與應(yīng)用緊密結(jié)合，講授主流技術(shù)，避免與社會需求相脫節(jié)。近年來，傳統(tǒng)51單片機已逐漸退出主流應(yīng)用，但考慮到其易學(xué)易用，對于初學(xué)者而言仍是最好入門的，因此傳統(tǒng)的授課內(nèi)容仍圍繞51內(nèi)核單片機展開。另外，考慮后期學(xué)生科技創(chuàng)新和企業(yè)對學(xué)生能力的要求，課程則應(yīng)選擇當(dāng)前更為常用的控制器，例如Cortex M系列的32位控制器，但這類控制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且編程過程中采用了封裝良好的固件庫，屏蔽了底層硬件特性，因此不適合作為學(xué)生的入門單片機開展教學(xué)。那么如何解決這一矛盾呢？通過分析授課內(nèi)容，不難看出，課程內(nèi)容可分為單片機內(nèi)核的架構(gòu)、集成外設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)接口知識、通用外設(shè)的應(yīng)用方法幾大部分，其中，如圖1中的“51單片機特性部分”與具體的單片機類型相關(guān)，其余內(nèi)容則具有通用性，與單片機類型關(guān)聯(lián)小，可應(yīng)用于任何單片機及嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建。綜合考慮入門的難易程度、學(xué)生能力、學(xué)時、專業(yè)課程設(shè)置等多方面的因素，對于后續(xù)未開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”相關(guān)課程的電子和自動化專業(yè)，將單片機課程劃分為兩部分，基礎(chǔ)部分的32學(xué)時以51內(nèi)核作為典型單片機，擴展部分的16學(xué)時引入采用Cortex-M3內(nèi)核的32位控制-STM32，就內(nèi)核和集成外設(shè)進行升級講解，使這些專業(yè)的學(xué)生能具備基本的STM32控制器的設(shè)計和開發(fā)能力，以應(yīng)對未來就業(yè)需求。

2.3 重視實踐教學(xué)地位 豐富實踐教學(xué)層次

在改革授課體系和授課內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為避免“紙上談兵”，更好地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和工程素養(yǎng)，就要發(fā)揮實踐教學(xué)的重要作用。作為工程技術(shù)類課程，實踐教學(xué)對單片機課程而言尤其重要，為此，我院針對單片機課程開展了多種形式、多個層次、內(nèi)容豐富的實踐教學(xué)。第一層次為課內(nèi)實驗，即與授課內(nèi)容緊密結(jié)合的單元性實驗，包括實驗課和作業(yè)兩種形式，驗證型、設(shè)計型和綜合型多種類型。課內(nèi)實驗采用Proteus虛擬實驗和硬件實驗臺相結(jié)合的方式，設(shè)計難度遞進的多個實驗題目，突破實驗條件和實驗學(xué)時的限制，方便學(xué)生開展與實踐結(jié)合的課外延續(xù)性學(xué)習(xí)。通過課內(nèi)實驗的良好開展，能夠有效地幫助學(xué)生理解課堂知識，熟悉硬件模塊的開發(fā)方法，鍛煉工具的使用技能，逐步培養(yǎng)硬件系統(tǒng)設(shè)計思路，為進行完整的單片機系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)打下牢固的基礎(chǔ)。第二層次為單獨設(shè)課的單片機課程設(shè)計，作為綜合性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠體現(xiàn)學(xué)生對本門課程所學(xué)內(nèi)容的運用和提升。課程設(shè)計以2～3人的小組為單位開展，采用核心板+擴展面包板的形式，由學(xué)生自行設(shè)計題目、選擇元器件、設(shè)計原理圖、焊接電路并完成控制程序的編程、調(diào)試。通過課程設(shè)計，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)能力，還在很大的程度上鍛煉了包括學(xué)習(xí)能力、溝通和團隊合作能力、克服困難的能力以及認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度等各方面的工程素養(yǎng)。第三層次為參與競賽創(chuàng)新，通過在單片機課程中積累的在工具、硬件設(shè)計和編程能力等方面的技術(shù)，綜合多門學(xué)科的知識，很多學(xué)生在后期參加了“電子設(shè)計大賽”“互聯(lián)網(wǎng)+大賽”“大學(xué)生科技創(chuàng)新大賽”等各種競賽，使自己得到進一步的鍛煉。

2.4 改革課程考核機制 促進課外延續(xù)性學(xué)習(xí)

如前所述，單片機課程工程實踐性強，想要學(xué)好這門課，僅靠課內(nèi)學(xué)時是不夠的，為此，課程組建設(shè)并完善了課程網(wǎng)站，提供了與課程配套的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源和在線互動輔導(dǎo)，為學(xué)生的課外延續(xù)性學(xué)習(xí)提供了條件支持。但要促進課外延續(xù)性學(xué)習(xí)的順利開展，更多的要靠學(xué)生自身的主觀努力意愿，而考核機制則恰恰在此發(fā)揮著重要的作用。合理的考核方式不僅應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生對課程的掌握情況，也應(yīng)起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力、指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)方向的作用。因此，我院的單片機課程采用持續(xù)的過程考查與課程設(shè)計成績相結(jié)合，給出最終評價的考核方法。首先，過程考查作為形成性評價，其作用在于督促學(xué)生注重日常學(xué)習(xí)的過程，始終保持良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)。評價內(nèi)容包括日常教學(xué)過程中的課堂表現(xiàn)、實驗表現(xiàn)和作業(yè)完成情況，這些項目均以一定的權(quán)重記入成績。其中，采取“逐次計分，單次否決”的作業(yè)計分方式，可有效促進學(xué)生自覺開展課外延續(xù)性學(xué)習(xí)，作業(yè)的內(nèi)容則以實踐為主，包括電路圖設(shè)計、分析、控制程序編程、手冊閱讀報告等等，從而保證學(xué)生能夠利用課余時間得到充分的應(yīng)用能力訓(xùn)練，達到開展課外延續(xù)性學(xué)習(xí)的目的[3]。其次，將課程設(shè)計成績作為課程的終結(jié)性評價，能夠綜合體現(xiàn)課程的學(xué)習(xí)成果。單片機課程的最終學(xué)習(xí)目標(biāo)是能夠掌握并綜合運用單片機系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計技術(shù)進行實際應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，而課程設(shè)計中完整系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程則恰恰能夠反映出學(xué)生的相關(guān)能力。根據(jù)設(shè)計的難易程度、完成情況、創(chuàng)新性、答辯表現(xiàn)、報告書寫等多方面給出課程設(shè)計的成績與日常形成性評價成績相結(jié)合的考核方式，能夠以考促學(xué)，促進學(xué)生知識和能力的全面發(fā)展，起到提高課程教學(xué)質(zhì)量的作用。

3 結(jié)語

通過分析課程性質(zhì)，合理定位課程的培養(yǎng)目標(biāo)—培養(yǎng)社會及企業(yè)需要的工程應(yīng)用型人才，針對如何改善教學(xué)效果，研究了教學(xué)中存在的問題，在我院的課程教學(xué)中實施了多種改革措施。通過案例重組的教學(xué)內(nèi)容，強化了技術(shù)知識的應(yīng)用背景和應(yīng)用方法；通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改善了課堂教學(xué)與實際應(yīng)用脫節(jié)的問題；通過采取多級實踐教學(xué)，提高了學(xué)生的工程技術(shù)技能；通過合理的激勵機制，促進了學(xué)習(xí)的積極性，保證了上述改革措施的實施效果。在今后的教學(xué)中，還應(yīng)密切關(guān)注相關(guān)行業(yè)發(fā)展的需求，不斷總結(jié)、調(diào)整課程教學(xué)的內(nèi)容和方法，才能進一步提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。