新工科背景下單片機實驗教學(xué)改革研究

邢曉燕　金洪穎　焦方源

摘要：針對當(dāng)前單片機實驗教學(xué)中存在的各種問題，為適應(yīng)新工科建設(shè)背景下新興產(chǎn)業(yè)工科人才的培養(yǎng)，提出了教學(xué)改革措施。根據(jù)學(xué)科融合交叉培養(yǎng)機制，建立工程師教學(xué)團隊;修訂實驗講義內(nèi)容，改進實驗教學(xué)方式，制定了適應(yīng)不同層次學(xué)生的考核評價標(biāo)準(zhǔn)。實踐表明，新的教學(xué)方式和評價體制更能激發(fā)學(xué)生的興趣，提高了學(xué)生實踐創(chuàng)新能力，使學(xué)生具備了單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力，并在學(xué)科競賽中取得良好成績。

關(guān)鍵詞：新工科;單片機;實踐教學(xué);教學(xué)模式;學(xué)科競賽

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）07-0158-03

Abstract：Aiming at various problems in the current MCU experimental teaching， in order to adapt to the training of engineering talents in emerging industries under the background of new engineering construction， teaching reform measures are proposed. According to the interdisciplinary training mechanism， the engineer teaching team was established; the contents of the experimental lectures were revised， the experimental teaching methods were improved， and the assessment and evaluation standards suitable for students of different levels were formulated. Practice shows that the new teaching method and evaluation system can more motivate students' interest， improve students' practical innovation ability， and enable students to have the ability to develop MCU application systems and achieve good results in subject competitions.

Key words：New Engineering; MCU; Practical Teaching; Teaching Mode; Subject Competition

1 引言

新工科建設(shè)是我國自2017年以來著重開展的戰(zhàn)略政策，為響應(yīng)新時代和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新工科建設(shè)刻不容緩[1]。與老工科相比，“新工科”更強調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性與綜合性，單片機課程作為計算機、電子信息及電氣自動化等專業(yè)的主干課程之一，更加注重工業(yè)智能與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合，因此，培養(yǎng)創(chuàng)新型實踐人才，是單片機教學(xué)改革的重中之重。

單片機作為一門實踐性很強的課程， 具有較強的理論性和實踐性，不僅要具備扎實的理論基礎(chǔ)，同時要具備良好的硬件設(shè)計和軟件編程能力。因此，實驗教學(xué)在整個單片機教學(xué)中具有至關(guān)重要的作用，實驗教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到整體教學(xué)的質(zhì)量和課程教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)，而傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)方式單一，無法滿足現(xiàn)實的社會需求，也不適應(yīng)新工科的建設(shè)。因此，如何整合教學(xué)內(nèi)容，探索教學(xué)模式，改進考核方式，培養(yǎng)面向未來工程技術(shù)的應(yīng)用型人才成為亟待研究和探索的問題。本文探討新工科建設(shè)背景下單片機實驗課程的教學(xué)改革[2]。

2 單片機實驗教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 實驗多為驗證性實驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力

目前單片機課程的實驗課時少，只占到總學(xué)時的20%左右，考慮到學(xué)生的整體水平，開設(shè)的實驗多為驗證性實驗，諸如流水燈、蜂鳴器、數(shù)碼管顯示、定時器中斷、串口通信、矩陣鍵盤等實驗，綜合性、設(shè)計性實驗較少。這種教學(xué)方法，學(xué)生很難掌握單片機的系統(tǒng)設(shè)計，無法將理論知識應(yīng)用到實踐，欠缺綜合運用所學(xué)知識解決實際工程問題能力。

2.2 實驗設(shè)備陳舊，不利于滿足學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

目前實驗設(shè)備以實驗箱平臺為主，學(xué)生進行實驗時，只需要按照實驗指導(dǎo)書連線，輸入例程，查看實驗結(jié)果即可完成。初學(xué)者認(rèn)為這種按部就班的實驗索然無味，難以激發(fā)興趣，且多數(shù)同學(xué)從不關(guān)心硬件的設(shè)計原理，當(dāng)調(diào)試失敗時，只知道尋找程序問題，無法做到軟硬結(jié)合。傳統(tǒng)的實驗箱形式固化，模塊有限，開發(fā)能力較弱，不利于學(xué)生課后創(chuàng)新實踐使用。

2.3 實驗內(nèi)容無層次，不利于滿足學(xué)生差異化需求

傳統(tǒng)的實驗講義，實驗內(nèi)容相同，任務(wù)單一，不適合復(fù)雜學(xué)情。有的學(xué)生對單片機早有接觸，有一定基礎(chǔ)，有的學(xué)生學(xué)習(xí)能力強，這些學(xué)生很容易完成實驗任務(wù)，意猶未盡;而學(xué)習(xí)能力較差的學(xué)生難以完成實驗內(nèi)容，甚至出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象。長此以往，教學(xué)效率低下，不利于培養(yǎng)學(xué)生實踐能力。

2.4實驗內(nèi)容相對孤立，不利于培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)

單片機的學(xué)習(xí)涉及模電、數(shù)電、C 語言等基礎(chǔ)知識，后期的開發(fā)離不開傳感器技術(shù)、電機控制等。這些課程由不同教師授課，教師之間溝通少，教學(xué)內(nèi)容缺乏整合，基礎(chǔ)實驗內(nèi)容重復(fù)，學(xué)生無法將所學(xué)內(nèi)容融會貫通，不容易建立系統(tǒng)的專業(yè)知識體系，不利于培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

3 改革方法

3.1 加強教學(xué)團隊建設(shè)

新工科要求多學(xué)科交叉融合培養(yǎng)機制，并非是簡單地增設(shè)課程，而是要根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求，將工科學(xué)生所需要的基礎(chǔ)知識充分融合，這對教師的能力是巨大挑戰(zhàn)。為了強化教學(xué)團隊的工程實踐教學(xué)能力，可派遣授課教師到企業(yè)掛職鍛煉，參與項目論證，產(chǎn)品研發(fā)，技術(shù)改進等;同時加強“校企合作”，聘請擁有豐富工作經(jīng)驗的研發(fā)專家來校授課，參與項目研究。通過組建工程師教師團隊，成員加強合作交流，根據(jù)專業(yè)特色，制定適合新工科的特色教育課程體系。

在實驗教學(xué)上，注重課程前后的關(guān)聯(lián)，避免重復(fù)簡單基礎(chǔ)實驗，制定完善的實踐能力培養(yǎng)計劃。以單片機為例，前續(xù)課程如數(shù)電中的譯碼器、寄存器、觸發(fā)器，C語言中的指針、結(jié)構(gòu)體、枚舉，學(xué)生要理解掌握。同時，完成一個整體項目所具備的能力，諸如電路設(shè)計、各類傳感器的使用、無線通信、3D打印、PCB設(shè)計、電路焊接等技能，也應(yīng)該讓學(xué)生有途徑學(xué)習(xí)，這些都依賴于教師如何制定培養(yǎng)方案。

3.2 組建學(xué)生技能團隊

我院一向重視學(xué)生的實踐動手能力，設(shè)有開放實驗室，面向?qū)W生全天開放?？梢砸劳小半娮觿?chuàng)新實驗室”，由課程組教師指導(dǎo)，組建學(xué)生技能團隊。從學(xué)生大一入校開始，甄選有興趣的學(xué)生進入實驗室培訓(xùn)，由指導(dǎo)教師制定培訓(xùn)計劃和內(nèi)容，高年級學(xué)生負(fù)責(zé)協(xié)助指導(dǎo)，采用傳幫帶方法，既讓高年級學(xué)生系統(tǒng)鞏固了基礎(chǔ)知識，又將指導(dǎo)教師從重復(fù)簡單教學(xué)的體力勞動中解放出來，有時間和精力指導(dǎo)高年級學(xué)生開展創(chuàng)新型項目、競賽性項目?？紤]到大一、大二學(xué)生專業(yè)知識薄弱，電路設(shè)計能力有限，可以考慮采用51單片機和Arduino單片機設(shè)計電路，這兩種單片機入門容易，開發(fā)周期短，其中Arduino硬件資源豐富、自帶封裝的函數(shù)庫等優(yōu)勢，更易被學(xué)生采用，容易提高學(xué)生的積極性。

指導(dǎo)教師針對不同年級、不同層次學(xué)生發(fā)布階段性任務(wù)，有課程綜合性項目、設(shè)計性項目，有難易度不同的工程項目，創(chuàng)新型項目，有計劃地提高學(xué)生實踐能力。教師指導(dǎo)學(xué)生將一個完整的項目劃分成若干個任務(wù)，小組協(xié)作完成，使學(xué)生熟悉項目開發(fā)流程，參與項目的設(shè)計、制作及調(diào)試，直至做出成品。學(xué)生在項目實施體驗中獲得了經(jīng)驗和技能，不僅將所學(xué)理論知識應(yīng)用到實踐中，同時團隊成員間相互交流、相互學(xué)習(xí)、有助于能力快速提升，保證了團隊的穩(wěn)定性和技能性。

這些學(xué)生技能團隊的成員可以作為單片機實驗學(xué)習(xí)小組的領(lǐng)頭羊，也是參加學(xué)科競賽的生力軍。

3.3 實驗教學(xué)內(nèi)容改革

根據(jù)教學(xué)大綱，將單片機實驗教學(xué)內(nèi)容進行合理規(guī)劃，按照難度系數(shù)劃分為基礎(chǔ)-提高-擴展（難）三個等級，在課前把實驗任務(wù)發(fā)布下去，學(xué)生根據(jù)自身能力選擇不同難度等級的實驗。要求學(xué)生在課前先編寫好程序，利用proteus仿真軟件調(diào)試，實驗課中再進行實物調(diào)試，這樣可以留給學(xué)生充分思考、分析問題的時間，在課上就遇到的問題跟小組成員進行討論，教師隨時可以對實驗小組進行指導(dǎo)，答疑解惑。這樣能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，這種以學(xué)生為主體的教學(xué)方法思想與“新工科”背景下強調(diào)以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題能力為主的應(yīng)用型人才培養(yǎng)思想具有一定的共同性，符合“新工科”培養(yǎng)大量新型工業(yè)人才建設(shè)支撐新型工業(yè)化的發(fā)展的理念[3]。

比如，在進行定時/計數(shù)器實驗時，題目有三檔：A檔題目為采用不同的工作方式產(chǎn)生固定頻率的方波，掌握定時器的簡單應(yīng)用;B檔題目為生成一定占空比的波形，熟練掌握定時器和計數(shù)器的聯(lián)合使用;C檔題目為產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形，可以實現(xiàn)流水呼吸燈的設(shè)計，加入了按鍵和LED燈，增加了編程難度。這樣學(xué)習(xí)能力差、基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)也有能力完成實驗，避免出現(xiàn)無從下手，抄襲別人程序的現(xiàn)象發(fā)生;而有單片機基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力強的同學(xué)可以選擇難度較大的實驗內(nèi)容，將所學(xué)知識融會貫通，進一步提升應(yīng)用能力。在實驗室技能團隊學(xué)生的帶領(lǐng)下，部分小組可以完成C檔題目，當(dāng)呼吸流水燈調(diào)試成功時，極大地鼓舞了班級學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強了學(xué)生動手解決實際問題的信心。

可以看出，在單片機實驗課程中，學(xué)生技能團隊的成員發(fā)揮了積極的作用，帶動小組成員在做中學(xué)、學(xué)中做，協(xié)助教師指導(dǎo)其余學(xué)生，任課教師更容易采用做學(xué)教一體方式，使更多的學(xué)生獲得指導(dǎo)，提高教學(xué)效果。

根據(jù)實驗內(nèi)容的改革，實驗成績的評價體制也相應(yīng)地做出改變。實驗成績的評定不僅要對結(jié)果進行評價，同時也要對學(xué)習(xí)過程進行評價。教師可以根據(jù)題目等級和實驗操作能力現(xiàn)場打分。其中，A 檔總分為100 分，B 檔總分85 分，C 檔總分為70 分，并且按照實驗接線、程序編寫、實驗調(diào)試和實驗結(jié)果四個環(huán)節(jié)按比例計分。

在單片機教學(xué)中后期，教師按照培養(yǎng)目標(biāo)制定一些中小型項目題目，融合了單片機基礎(chǔ)知識及不同外設(shè)模塊，學(xué)習(xí)小組可以根據(jù)組員的興趣選擇題目，在開放實驗室進行實物制作。教師指導(dǎo)小組制定實驗計劃，理解系統(tǒng)基本原理和技術(shù)難點，從選擇元件，設(shè)計電路，編寫程序，驗證想法直至完成項目。此模式一方面提高學(xué)生分析、設(shè)計、解決問題的能力;另一方面也提高了團隊合作能力。教師根據(jù)實物制作的完成度對小組成員打分，作為單片機課程成績的一部分。

3.4 推動學(xué)科競賽，以賽促學(xué)

學(xué)科競賽是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、檢驗學(xué)科實力的有效途徑.在大力倡導(dǎo)建設(shè)新工科的時代背景下，學(xué)科競賽作為工程教育一個重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)卓越工程師的一種有效方法，日益受到全國各大高校的重視[4]。現(xiàn)階段，有很多比賽可供學(xué)生選擇，諸如大學(xué)生電子設(shè)計大賽，機器人大賽，“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”“藍橋杯”等省級、國家級競賽，為學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)提供了很好的平臺。大量實踐證明，參加這些競賽的同學(xué)，實踐能力和創(chuàng)新能力得以顯著提高[5]。

通常這些電子競賽的題目會涉及數(shù)電、模電、單片機、傳感器、電機、自動控制等多方面知識，在進行電路設(shè)計時，多以單片機為核心處理器，因此，在平時教學(xué)中，設(shè)計以單片機為核心的工程項目尤為重要。在訓(xùn)練中，學(xué)生使用開發(fā)板和各種外設(shè)模塊設(shè)計電路，便于學(xué)生理清設(shè)計思路，方便調(diào)試，還可以二次開發(fā)重復(fù)使用。

在備賽中，學(xué)生是參賽主體，指導(dǎo)教師是助推器.教師將所需知識點融入具體的項目中，圍繞知識點提出相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生進行思考;學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，查閱資料，小組討論，尋求解決方法。

通過競賽，教師可將接觸到的新技術(shù)和新器件應(yīng)用到后期的理論教學(xué)中，適度調(diào)整實驗教學(xué)的內(nèi)容，加強實驗室建設(shè)。學(xué)生要對競賽的內(nèi)容進行總結(jié)，選手之間討論交流，將有用的信息分享給低年級學(xué)生，逐步提高學(xué)生的整體參賽水平。近年來，通過師生的共同努力，在各類省級、國家級學(xué)科競賽中取得了較好的成績，提高了學(xué)生的單片機創(chuàng)新實踐能力。

4 結(jié)束語

新工科是我國積極發(fā)展的剛性需求， 加快建設(shè)和發(fā)展“新工科”，培養(yǎng)新經(jīng)濟急需緊缺人才，已經(jīng)成為全社會的共識。近年來，我院根據(jù)行業(yè)需求，整合現(xiàn)有資源，教師再深造，打造了一支科研能力強的工程師教學(xué)團隊;同時為學(xué)生提供了設(shè)備資源豐富、開放的實驗環(huán)境;在教師的規(guī)劃下，學(xué)生技能梯隊構(gòu)建合理，發(fā)展穩(wěn)定，動手實踐能力和創(chuàng)新能力不斷提高，在電子設(shè)計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”等各類競賽中，取得的名次在提升，獎項在增多。依據(jù)競賽中總結(jié)的經(jīng)驗，教師調(diào)整教學(xué)理論內(nèi)容，修訂了實驗講義，改進教學(xué)方式，提 升了人才培養(yǎng)質(zhì)量，形成了良性循環(huán)。

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【通聯(lián)編輯：王力】