金國華，畢 勝，翟朝霞，劉劍橋，張大力

(1.大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026；2.大連理工大學 航空航天學院，遼寧 大連 116024)

單片機課程實踐教學模式的改革與構建

金國華1，畢 勝1，翟朝霞1，劉劍橋1，張大力2

(1.大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026；2.大連理工大學 航空航天學院，遼寧 大連 116024)

實踐教學是創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)；單片機課程是高等院校工科專業(yè)一門實踐性很強的專業(yè)基礎課。為了提高學生的實踐動手能力，增強其創(chuàng)新意識，進行了單片機實驗、實踐教學改革，改進了教學內(nèi)容、教學方式和方法、考核方式。提出了“基礎—提高—實戰(zhàn)”循序漸進的單片機實踐教學模式。

單片機；實踐教學；教學模式；實踐創(chuàng)新能力

單片機課程是電子類相關專業(yè)的專業(yè)基礎課，是一門工程實踐性很強的課程，單片機實驗、實踐環(huán)節(jié)在整個教學過程中非常關鍵[1-2]。針對單片機課程實踐性強的特點，如何構建一種能較好地培養(yǎng)學生實踐動手能力、創(chuàng)新能力的實踐教學模式，是任課教師應認真思考、研究和探索的問題。

1 單片機實踐教學現(xiàn)狀

目前，大連海事大學單片機實踐教學存在以下3方面問題。1)實驗教學實驗多為驗證性內(nèi)容，不利于培養(yǎng)學生的綜合應用能力；課程教學模式單一，學生學習興趣不高，很難培養(yǎng)學生的實踐動手能力[3-4]。2)課程設計題目沒有難度等級之分，題目內(nèi)容單一，沒有考慮學生的個體差異；教學實施方案陳舊，教學效果不理想，無法調(diào)動學生的積極性和創(chuàng)造性，很難培養(yǎng)學生的硬件設計能力和創(chuàng)新能力；考核制度不完善，沒有明確的依據(jù)，不能科學地、客觀地評價學生的能力[5-6]。3)實踐教學缺乏整體性、關聯(lián)性和系統(tǒng)性[7]。

2 創(chuàng)建了“基礎—提高—實戰(zhàn)”的單片機實踐教學模式

通過對單片機實踐教學中存在問題的分析，作者認為，單片機的實踐教學改革要對課內(nèi)實驗、課程設計、課外實踐環(huán)節(jié)三方面進行，才能達到培養(yǎng)實踐創(chuàng)新型人才的目的。要具備實踐創(chuàng)新能力，不是通過做幾個實驗就能達到的，而是要循序漸進、不斷積累和長期訓練。我們通過多年的單片機實驗建設、單片機應用系統(tǒng)的研究與開發(fā)，根據(jù)我校單片機實驗實踐教學的實際情況，提出了“基礎—提高—實戰(zhàn)”循序漸進的單片機實踐教學模式，把單片機實踐教學分為三個階段。這三個階段也是教師對單片機實驗實踐系統(tǒng)建設和改進的不同階段，培養(yǎng)不同層次學生的不同實踐能力。

3 基礎階段

課內(nèi)實驗教學是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基礎。在實驗環(huán)節(jié)中，主要是注重既要讓學生掌握基礎知識和基本技能，更要加強綜合運用知識的訓練、實踐動手能力的培養(yǎng)，為創(chuàng)新思維奠定基礎。根據(jù)我校實驗室軟硬件條件、本課程特點、實驗學時等因素，實驗教學我們進行了如下改革。

3.1 優(yōu)化課內(nèi)實驗內(nèi)容

課內(nèi)實驗內(nèi)容的選取遵循由淺入深、循序漸進的原則，以適合不同層次學生的需求。我們對課內(nèi)實驗內(nèi)容進行了合理地選擇，精心設計了實驗題目，開發(fā)了綜合設計型實驗項目。按難度由低到高可以將實驗內(nèi)容劃分為3個層次，不同層次采用不同的教學方式。1)第一層次是基礎實驗，是針對知識點設置的驗證性實驗，如I/O口實驗、數(shù)碼管顯示實驗、鍵盤掃描實驗等，其目的是使學生掌握基礎知識、基本原理、基本的程序編寫和調(diào)試技能；教學方式上以教師為主。2)第二層次是融合若干知識點設置的綜合性實驗，如鍵盤顯示實驗等，其目的是加強學生對理論的理解和知識的靈活運用，開拓思路，規(guī)范操作；教學方式上教師與學生并重；3)第三層次是自主開發(fā)的設計性實驗，其目的是提高學生知識的綜合運用能力和解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識；教學方式上以學生為主、教師為輔。

3.2 改進實驗教學方法

驗證性實驗先讓學生在單片機實驗箱上做實驗，觀察實驗結(jié)果，了解硬件電路原理，參考實驗箱電路使用proteus軟件設計硬件電路，仿真通過后再到面包板上搭建實際電路實現(xiàn)同樣的功能。綜合性和設計性實驗先讓學生使用proteus軟件設計硬件電路，仿真通過后再到實驗室做實驗。

通過這樣的實驗教學方法，學生不僅能掌握單片機課程的理論基礎知識，學習了proteus和keil軟件的使用，硬件電路設計能力也得到了一定的訓練[9]。

3.3 發(fā)揮開放實驗室優(yōu)勢

開放實驗室為學生提供能夠充分發(fā)揮自主性、創(chuàng)造性的學習環(huán)境，學生可以在實驗室自主進行綜合性、設計性的實驗。

開放實驗室除了提供相應的硬件實驗平臺外，還提供硬件設計的實用軟件及常用工具、儀器儀表等設備，使學生可以方便地進行電路仿真、PCB板設計、編程、電路制作與調(diào)試等系統(tǒng)的學習和訓練。面向?qū)W生開放單片機系統(tǒng)學習開發(fā)板的學習資料，包括硬件電路原理圖、電路仿真圖、PCB版圖等，有助于學生真正理解單片機內(nèi)部結(jié)構及原理，方便學生在原有電路的基礎上設計自己的應用電路。

4 提高階段

單片機課程設計是單片機實踐教學過程中的重要環(huán)節(jié)，通過實踐，可以使學生鞏固所學的知識，具備必需的技能，并以此為起點進行深入研究和進一步探索。在課程設計教學環(huán)節(jié)中，主要是注重培養(yǎng)學生獨立分析問題解決問題的能力，提高學生的綜合應用和實踐動手能力，開發(fā)創(chuàng)新思維，鍛煉學生撰寫科技論文的能力和表達能力等。

根據(jù)我校實驗室軟硬件的實際情況、課程設計的特點，單片機課程設計進行了以下3方面的改革。

4.1 設計不同層次的題目

考慮到學生能力的差異，在課程設計命題時，題目難度要有等級之分[10]。通過權值不同來體現(xiàn)難度等級，權值有1、0.9、0.8，權值越大，難度就越大。典型題目：權值為1的，如自動往返電動小汽車、電子萬年歷等；權值為0.9的，如超聲波測距、電子鐘、動態(tài)點陣顯示等；權值為0.8的，如音樂播放器、速度測量儀、流水燈等。同時參考電子設計大賽題目的要求，每個題目也分別設有基本要求部分和發(fā)揮要求部分，基本要求部分80分，發(fā)揮部分20分。例如，超聲波測距題目的基本要求是測量距離小于4米，實現(xiàn)測量距離的數(shù)碼管顯示；發(fā)揮部分的要求是語音播報測量距離。

4.2 教學方式改革

我校傳統(tǒng)的單片機課程設計采用Proteus軟件仿真+面包板的方式，即學生完成軟件編程、硬件電路設計后，先用Proteus軟件仿真，仿真通過后，先看能否利用實驗箱上的資源，然后再到面包板上搭建實際電路，系統(tǒng)調(diào)試。實驗箱資源有限，在面包板上搭建實際電路，由于連線多、導線斷線、面包板內(nèi)部斷線、面包板與導線接觸不良等問題，系統(tǒng)調(diào)試成功率不是很高，尤其是數(shù)碼管顯示、按鍵掃描檢測電路連線多，問題出的也最多，極大地影響了學生的學習興趣和積極性。

綜合考慮實驗室的條件、利用率、實踐效果，我們改進了課程設計教學方式，采用Proteus軟件仿真+仿真器、自制小系統(tǒng)板和面包板+實物制作的方式。自制小系統(tǒng)板我們選擇了三個利用率比較高的應用系統(tǒng)，如圖1所示。三個小系統(tǒng)的技術資料包括原理圖、PCB板圖對學生完全開放，方便學生學習和參考利用。學生根據(jù)所選課程設計題目選擇一款小系統(tǒng)板，將仿真器、小系統(tǒng)板和面包板有機結(jié)合，減少了面包板連線，系統(tǒng)調(diào)試成功率明顯提高，調(diào)動了學生的學習興趣和積極性。

圖1 單片機小系統(tǒng)版

為了完善課程設計的系統(tǒng)性，我們在教學過程中系統(tǒng)調(diào)試后加了實物制作環(huán)節(jié)，要求學生根據(jù)自己的硬件設計在孔板上焊接元器件，下載程序，完成電子產(chǎn)品的制作。鼓勵有能力的學生學習PROTEL繪圖軟件，根據(jù)自己設計的硬件電路繪制PCB板圖，制板，焊接元器件，下載程序，調(diào)試，完成電子產(chǎn)品的制作。課程設計完成的部分成品如圖2所示。

圖2 部分課程設計成品圖展示

4.3 考核方式改革

5 實戰(zhàn)階段

經(jīng)過課內(nèi)理論講授、課內(nèi)實驗訓練、課程設計實踐訓練，學生具有一定的理論知識基礎和實踐動手能力，知識結(jié)構趨于全面，設計能力逐步提高，但是缺乏面對工程實際的工作經(jīng)驗，因此鼓勵有興趣、有能力的學生多參加課外實踐活動，進一步提高理論水平、實踐能力、設計能力，增強創(chuàng)新意識。學生參加課外實踐活動的途徑有很多。

5.1 參加各類科技大賽

鼓勵學生參加國家和遼寧省電子設計大賽、飛思卡爾智能車大賽、機器人大賽等各類科技競賽，通過參加此類大賽可以讓學生各方面的能力得到鍛煉，同時加強了同兄弟院校學生的交流，拓展了學生的視野。

5.2 參與教師科研項目

對于能力突出、具有創(chuàng)新潛質(zhì)的學生，可盡早參與到教師的科研項目中，通過對項目的開發(fā)訓練學生的獨立開發(fā)能力、軟硬件設計能力、創(chuàng)新能力，為將來從事技術開發(fā)工作奠定基礎。

5.3 校級科研立項、國家大學生創(chuàng)新實驗計劃立項

充分利用學校提供的各種創(chuàng)新平臺和項目，鼓勵學生把自己好的想法結(jié)合教師的指導，申請校級科研立項或者國家大學生創(chuàng)新實驗計劃立項。通過對項目的開發(fā)強化了學生的實踐創(chuàng)新能力，提高了學生的綜合素質(zhì)。

5.4 進入相關企業(yè)實習

鼓勵學生進入相關專業(yè)的企業(yè)實習，參與企業(yè)的技術開發(fā)。通過實習過程，學生能夠?qū)W到單片機的最近技術及其應用，與社會更加接近，為將來走向社會打下良好的基礎。

6 結(jié)束語

我校通過單片機的實驗實踐教學改革，探索出了較為系統(tǒng)、循序漸進的實踐教學模式——“基礎—提高—實戰(zhàn)”。實踐教學實施兩年以來，取得了顯著的成效：不僅激發(fā)了學生的學習興趣，變被動學習為主動學習；而且培養(yǎng)了學生獨立思考、分析問題解決問題的實踐動手能力，增強了創(chuàng)新意識，提高了學生的綜合素質(zhì)和市場競爭力；同時增強了教師和學生間的互動與溝通，教學相長，取到了較好的教學效果。

[1]蔡美琴,張為民,何金兒,等.MCS-51系列單片機系統(tǒng)及其應用[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]葛浩,林其斌.單片機課程設計教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(10):138-140.

[3]李萍.以單片機實驗教學改革探大學生實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式[J].中國現(xiàn)在教育裝備,2012(11):49-50.

[4]黃光華.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標的單片機實驗教學改革[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2011,10(15):177-178.

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Reform and Construction of Practical Teaching Pattern in SCM Course

JIN Guohua1, BI Sheng1, ZHAI Zhaoxia1,LIU Jianqiao1, ZHANG Dali2

(1.School of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2.School of Aeronautics and Astronautics, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Practical teaching is the important link in the course of training the innovative talents.Single chip microcomputer (SCM) course is a very practical professional basic course for students majoring in professional engineering institutions of higher learning.In order to improve the students’ practical ability and enhance their innovation consciousness, we carried out the reform of experiment and practical teaching, including the optimization of teaching content, improvement of teaching mode and method, and improvement of examination method.Then, we propose a step-by-step practical teaching pattern of foundation-advance-practice.

single chip microcomputer; practical teaching; teaching pattern; practice and innovation ability

2014-11-14

大連海事大學教改項目——單片機實驗教學的改革與探討(2013Q12)。

金國華(1980-)，女，碩士，講師，研究方向為通信工程。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.026