新工科專業(yè)建設(shè)中的單片機(jī)課程教學(xué)改革與實(shí)踐探索

陶彬彬 胡徐勝

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)課程作為電類專業(yè)的本科專業(yè)基礎(chǔ)課程，它為以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心的新工科專業(yè)建設(shè)提供了必不可少的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐平臺(tái)。通過(guò)分析傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了一種“理論教學(xué)+隨堂實(shí)驗(yàn)+課后實(shí)踐”的教學(xué)模式。該模式是以人才培養(yǎng)為中心，以理論與實(shí)踐的穿插式教學(xué)為手段，以綜合能力培養(yǎng)為目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐、課內(nèi)與課外的融合，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課程和專業(yè)的理解，提升了學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。最后，通過(guò)實(shí)踐證明，新的教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果，為新工科專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)提供了參考。

關(guān)鍵詞：新工科;單片機(jī)課程;穿插式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）35-0243-03

1 背景

新工科專業(yè)是指針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，如云計(jì)算、人工智能、智能制造、機(jī)器人等，也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造。與“老工科”相比，“新工科”更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。教育部正積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，“新工科”是工程教育改革的新方向[1-2]，“復(fù)旦共識(shí)”[3]“天大行動(dòng)”[4]“北京指南”[5]的發(fā)布 ，指明了我國(guó)新工科發(fā)展的方向，開(kāi)拓了工程教育改革新路徑。

單片機(jī)課程作為高等院校電類專業(yè)的本科專業(yè)的傳統(tǒng)性基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性。為適應(yīng)新工科專業(yè)建設(shè)，教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻注意理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高教學(xué)趣味性，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。該課程的學(xué)習(xí)有益于提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合創(chuàng)新能力，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面起到積極作用，并且能夠?yàn)樾鹿た茖I(yè)建設(shè)提供實(shí)施平臺(tái)和軟件基礎(chǔ)，有著承上啟下，不可或缺的作用。

2 單片機(jī)教學(xué)中存在的問(wèn)題和困難

單片機(jī)是一門(mén)理論性、實(shí)踐性和工程性都很強(qiáng)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，以知識(shí)點(diǎn)眾多、課程難度系數(shù)大、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)著稱，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)困難。首先，理論性方面，單片機(jī)課程涉及專業(yè)課范圍較廣，需要學(xué)生具有一定的知識(shí)面和理論基礎(chǔ)。其次，實(shí)踐性方面，單片機(jī)課程需要學(xué)生掌握軟、硬件的使用方法，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力。最后，工程性方面，學(xué)生沒(méi)有任何工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，需要培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐的思維方式。全國(guó)各大院校的電類專業(yè)雖然基本都開(kāi)設(shè)了此課程， 但是單片機(jī)課程普遍存在教學(xué)效果不佳、學(xué)生學(xué)不懂、用不了等情況[6]，嚴(yán)重阻礙新工科專業(yè)建設(shè)的效果。造成這一切的原因可以歸納為以下幾點(diǎn)。

2.1 教學(xué)內(nèi)容缺乏銜接[7]

單片機(jī)課程是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的課程。在教學(xué)的過(guò)程中需要使用到諸如“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“數(shù)字電路基礎(chǔ)”“模擬電路基礎(chǔ)”等前置基礎(chǔ)課程的相關(guān)知識(shí)，對(duì)前置課程起到鞏固與加深理解的作用。也能夠?yàn)楹罄m(xù)的 “計(jì)算機(jī)控制”“運(yùn)動(dòng)控制”“計(jì)算機(jī)控制”等專業(yè)核心課程課提供具體的實(shí)施載體。因此，單片機(jī)在新工科專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中起到承上啟下的關(guān)鍵作用。但是即便有前置理論課為基礎(chǔ)，在單片機(jī)的教學(xué)過(guò)程中需要使用到極為廣泛的知識(shí)點(diǎn)，其中普遍存在理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用存在較大差距的情況。單片機(jī)老師需要在教學(xué)過(guò)程中針對(duì)這些差距進(jìn)行額外講解，完成課程知識(shí)點(diǎn)之間的過(guò)渡，否則就會(huì)造成學(xué)生對(duì)課程理解不深，學(xué)習(xí)效果差等情況，進(jìn)而影響教學(xué)效果。

2.2 理論教學(xué)方式單一

大多數(shù)院校對(duì)于這門(mén)理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程通常僅安排32學(xué)時(shí)理論教學(xué)時(shí)間。由于教學(xué)內(nèi)容較多，知識(shí)點(diǎn)廣泛，任課教師多采用“課堂PPT”的教學(xué)模式。該模式下，教師以PPT形式為學(xué)生講授知識(shí)點(diǎn)，而這種教學(xué)方式過(guò)于抽象，不利于學(xué)生理解和掌握。學(xué)生通常都是靠死記硬背的方式完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，這很容易讓學(xué)生產(chǎn)生內(nèi)容枯燥、空洞、課堂乏味的情緒，從而對(duì)課程失去興趣，課堂學(xué)習(xí)效果大打折扣。為了改變此種狀況，部分任課老師會(huì)搭配Proteus仿真或者現(xiàn)場(chǎng)演示等方式。此類教學(xué)方法可以在一定程度上提高學(xué)生興趣，加深對(duì)課程的理解，但是由于僅僅是老師演示，學(xué)生在課堂上無(wú)法進(jìn)一步深入接觸，最終的教學(xué)效果依然不夠理想[8]。

2.3 實(shí)踐教學(xué)方式方法固定

大部分高校為了提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的理解，通常都會(huì)在理論課結(jié)束后開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)。但是，由于學(xué)生在前期理論教學(xué)過(guò)程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握就存在不足，再經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的遺忘，實(shí)際已經(jīng)錯(cuò)過(guò)實(shí)踐課的最佳時(shí)機(jī)，在這種對(duì)理論與實(shí)踐存在脫節(jié)的情況下安排實(shí)踐課的效果較差[9]。并且，實(shí)驗(yàn)課通常在已有的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上完成，學(xué)生只有在上實(shí)踐課時(shí)才能接觸和操作，學(xué)習(xí)和操作時(shí)間嚴(yán)重不足。為了盡快完成課程，學(xué)生普遍存在只會(huì)按照實(shí)驗(yàn)手冊(cè)按部就班地下載程序，看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的情況[10]。而課程設(shè)計(jì)，通常也是任課老師下達(dá)任務(wù)書(shū)方式，學(xué)生按照任務(wù)書(shū)去完成既定設(shè)計(jì)。由于課程沒(méi)學(xué)懂，學(xué)生制作的課程設(shè)計(jì)版本單一，存在大量雷同現(xiàn)象。因此實(shí)踐課效果并不理想，不利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新及綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

2.4 考查方式單一

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程通常采用考試的方式來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。但該本課程教學(xué)的目的并不是讓學(xué)生死記硬背概念，而是要讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)單片機(jī)課程應(yīng)掌握單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法。具體來(lái)說(shuō)，包括以下幾方面：

1）硬件電路設(shè)計(jì)方面要求學(xué)生對(duì)數(shù)字電路、模擬電路、電力電子技術(shù)等電路知識(shí)有基本認(rèn)知能力，能夠熟悉常規(guī)電子元器件并掌握使用方法，能夠熟練閱讀電路原理圖和PCB電路板圖和元器件說(shuō)明書(shū)。

2）編譯環(huán)境方面能夠熟悉編譯環(huán)境的安裝、配置和相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的安裝。能夠熟練使用編譯軟件建立工程，完成程序編譯、下載和調(diào)試仿真。

3）軟件方面需要學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊踢壿嫞炀氄莆誄語(yǔ)言語(yǔ)法，能讀懂范例程序，并根據(jù)需要進(jìn)行程序的移植和修改，更進(jìn)一步地需要學(xué)生獨(dú)立完成程序整體設(shè)計(jì)和代碼的編寫(xiě)與調(diào)試。

4）軟硬件聯(lián)調(diào)方面需要掌握電烙鐵、萬(wàn)用表、示波器等常規(guī)工具的使用方法，具有基本的調(diào)試思路與技巧。

因此，單純通過(guò)考試成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)學(xué)生本門(mén)課的學(xué)習(xí)效果是極其不合理的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的全面評(píng)價(jià)，也不利于綜合能力培養(yǎng)。

3 單片機(jī)教學(xué)改革措施

3.1 教學(xué)改革思路

教學(xué)改革的目的是實(shí)現(xiàn)教學(xué)創(chuàng)新，其內(nèi)容主要包括課程體系、教學(xué)模式、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方式等方面的改革，其實(shí)質(zhì)應(yīng)是教學(xué)理念的改革。在教學(xué)改革過(guò)程中應(yīng)充分以學(xué)生為中心，把握學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律適時(shí)調(diào)整教學(xué)方法，從眾多知識(shí)點(diǎn)當(dāng)中尋找核心、突出重點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，為新工科專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)而努力。

3.2 課程體系改革

單片機(jī)課程的較為經(jīng)典的課程體系是按照單片機(jī)的基本組成原理進(jìn)行講解，包括處理器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、基本外設(shè)等。該方式思路嚴(yán)謹(jǐn)，章節(jié)關(guān)系清晰，但是理論性過(guò)強(qiáng)，學(xué)生不易接受和理解。本文提出以工程案例為主線，以實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)用為目標(biāo)，以軟硬件協(xié)同實(shí)驗(yàn)為基本手段。在教材選用上應(yīng)注意選取偏向應(yīng)用的教材，并將單片機(jī)芯片的說(shuō)明書(shū)和實(shí)驗(yàn)板的電路原理圖作為課程輔助材料。在教學(xué)過(guò)程中，首先對(duì)工程目標(biāo)按照基本功能進(jìn)行分析和拆解，將分解出工程任務(wù)與基本功能單元（圖1）相對(duì)應(yīng);然后從基本功能單元入手，講述該單元所對(duì)應(yīng)的電路原理和控制方法;再針對(duì)該基本功能單元完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)習(xí)軟件編程和硬件調(diào)試的基本方法;最后以“搭積木”的方式將新功能添加到系統(tǒng)當(dāng)中完成功能組合，通過(guò)不斷豐富系統(tǒng)功能以實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。教學(xué)過(guò)程中引入工程設(shè)計(jì)的基本思想，圍繞設(shè)計(jì)目標(biāo)講理論，通過(guò)加大實(shí)踐性教學(xué)比例促進(jìn)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的工作原理的理解，進(jìn)而熟悉和掌握工程設(shè)計(jì)的基本過(guò)程和方法。

3.3 教學(xué)模式改革

傳統(tǒng)的先講理論后做實(shí)踐的教學(xué)模式很容易導(dǎo)致理論知識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)之間存在一定程度上的割裂。這就導(dǎo)致理論教學(xué)過(guò)于抽象，而實(shí)踐教學(xué)理論支撐不足的問(wèn)題。因此，本文削弱理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間的界限，在講解每一個(gè)基礎(chǔ)理論之后立刻安排隨堂實(shí)驗(yàn)，可以有機(jī)地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，既可以理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證基本理論，甚至可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題來(lái)引起學(xué)生思考，進(jìn)而引出新的知識(shí)點(diǎn)。這種理論和實(shí)驗(yàn)穿插進(jìn)行的教學(xué)模式通過(guò)實(shí)驗(yàn)將知識(shí)點(diǎn)串接起來(lái)，使得教學(xué)過(guò)程完整有效。這種通過(guò)理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論、補(bǔ)充理論的方式，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，促進(jìn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合，鍛煉了學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，排查問(wèn)題，解決問(wèn)題”的工程實(shí)踐能力。這種將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)穿插進(jìn)行的方式打破了傳統(tǒng)的理論教學(xué)枯燥無(wú)味、實(shí)踐教學(xué)效果差的尷尬局面，有助于教師掌控課堂節(jié)奏，吸引學(xué)生的注意力，通過(guò)理論和實(shí)踐相互印證，起到良好的教學(xué)效果。除了隨堂實(shí)驗(yàn)之外，教師也可以根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)置趣味性的課后實(shí)踐任務(wù)交由學(xué)生獨(dú)立完成，學(xué)生通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上自主進(jìn)行資料收集工作并對(duì)收集的資料篩選和總結(jié)，最終用于指導(dǎo)實(shí)踐任務(wù)的完成。該方法有效地提高了學(xué)生獨(dú)立思考和資料收集的能力。這種“理論教學(xué)+隨堂實(shí)驗(yàn)+課后實(shí)踐”的教學(xué)模式是以理論為基礎(chǔ)，實(shí)踐為補(bǔ)充，課內(nèi)與課外相融合，在學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)課程的理解。

3.4 教學(xué)方法改革

教學(xué)方法的調(diào)整對(duì)教學(xué)效果具有深刻的影響。本文采用了理論講解與隨堂實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，二者穿插進(jìn)行方式進(jìn)行教學(xué)。在理論教學(xué)中強(qiáng)調(diào)基本概念、基本實(shí)施方法和基本設(shè)計(jì)思路。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用理論支撐實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)反過(guò)來(lái)驗(yàn)證理論，支持理論。這一階段實(shí)現(xiàn)了理論到實(shí)際的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，提升了軟硬件調(diào)試能力。在學(xué)生的基礎(chǔ)理論夯實(shí)，并具有一定動(dòng)手能力之后，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就可以由課堂驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上升到簡(jiǎn)單功能設(shè)計(jì)，由獨(dú)立功能電路拓展到系統(tǒng)綜合應(yīng)用，由模仿編程轉(zhuǎn)變到自主設(shè)計(jì)。在不斷解決并完善實(shí)踐系統(tǒng)的過(guò)程中，讓學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的價(jià)值與魅力，進(jìn)一步地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和熱情。最后通過(guò)參加學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)一步提升能力和開(kāi)闊視野。這種步步深化、層層提升的方式，最終達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、夯實(shí)理論基礎(chǔ)、提高實(shí)踐能力、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力、誘導(dǎo)創(chuàng)新能力的目的。

3.5 評(píng)價(jià)方式改革

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能夠掌握單片機(jī)的基本理論，能夠歸納總結(jié)知識(shí)點(diǎn)間的相互關(guān)系，培養(yǎng)出良好的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)習(xí)慣。因此，考試并不是學(xué)習(xí)本課程的最終目的，而是學(xué)習(xí)掌握知識(shí)的手段，是為了培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、歸納總結(jié)的能力，最終掌握學(xué)習(xí)方法。本課程采用“課堂成績(jī)+課后實(shí)踐+開(kāi)卷考試+學(xué)科競(jìng)賽”的方式（表1）取代傳統(tǒng)的以考試作為主的評(píng)價(jià)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的綜合性評(píng)定。該評(píng)價(jià)方式貫穿了整個(gè)課程學(xué)習(xí)階段，包括了課內(nèi)和課外的學(xué)習(xí)效果，兼顧了理論知識(shí)和實(shí)踐能力的評(píng)估，更注重學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新水平的培養(yǎng)，達(dá)到了綜合評(píng)價(jià)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)課程是一門(mén)綜合性應(yīng)用型課程，在教學(xué)過(guò)程必須充分將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)案例與實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)課后實(shí)踐和學(xué)科競(jìng)賽使得課程學(xué)習(xí)時(shí)間得以延伸。通過(guò)對(duì)本課程的教學(xué)改革，使學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)組成、工作方式和編程方法得以充分理解，有效地提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和工程設(shè)計(jì)能力。如圖2，自從2019年實(shí)施本課程的教學(xué)改革以來(lái)，我院學(xué)生申請(qǐng)各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目數(shù)量有明顯提升，參加電子設(shè)計(jì)類學(xué)科競(jìng)賽的積極性也得到了普遍提高，成績(jī)也呈逐年上升態(tài)勢(shì)。由此可見(jiàn)，教學(xué)改革所取得的成效對(duì)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有重要意義，對(duì)新工科學(xué)科建設(shè)具有良好的促進(jìn)作用。

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