胡 冀，邵李煥，高惠芳

（杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018)

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單片機系列課程教學及實踐的改革和探索

胡 冀，邵李煥，高惠芳

（杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018)

摘要：隨著我國“創(chuàng)新性國家”戰(zhàn)略思想的實施，使得培養(yǎng)高質量的電子專業(yè)工程技術人才成為高校電子專業(yè)教學中無法回避的課題。文章以提高高校電子類和近電子類專業(yè)學生工程應用創(chuàng)新能力為目標，在單片機系列課程的教學和實踐方面開展了相應研究和探索。通過對教學內容和方法、課程測評方法、課程反饋手段三個方面進行改革，為背景、能力、興趣愛好和職業(yè)目標等各不相同的學生提供豐富多樣的教學和學習方式，有效地提高了學生的工程應用能力和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：單片機；課程改革；創(chuàng)新能力；工程應用

我國提出了“創(chuàng)新性國家”的戰(zhàn)略思想，使得創(chuàng)新性人才培養(yǎng)成為高校教學工作的重點內容［1］。如何培養(yǎng)高質量的電子專業(yè)工程技術人才已經成為電子專業(yè)學生培養(yǎng)工作的重中之重。高質量的創(chuàng)新人才需要具備深厚的理論功底以及提出問題、分析問題和解決問題的工程實踐能力［2］。各個高校一直在推進相關的教學改革，創(chuàng)建課堂教學新模式，想方設法提升電子專業(yè)教學質量，但從結果來看，都不太理想［3 -6］。其原因主要是電子專業(yè)是一門應用現(xiàn)代技術進行信息控制和信息處理的學科，其涵蓋了社會的諸多方面。學生要學習數學物理知識、基本電路知識、電子技術、信號與系統(tǒng)、單片機組成原理、通訊原理、傳感器原理等理論課程還要動手設計、組裝和調試硬件電路以及用單片機實現(xiàn)系統(tǒng)控制等實踐類課程。由于涉及的理論課程較多，相互獨立割裂，學生們很難有更多的時間用在實踐性課程學習上，從而導致理論與實踐相脫離。筆者以單片機系列課程作為理論課與實踐課相結合的紐帶，進行教學與實踐的改革和探索，以期幫助電子專業(yè)學生更好地掌握電子專業(yè)課并能理論與實踐相結合地熟練應用于電子系統(tǒng)創(chuàng)新性產品開發(fā)中。

一、當前我校電子專業(yè)相關課程設置情況

我校電子專業(yè)的課程主要由專業(yè)課程和實踐教學環(huán)節(jié)構成。主干理論課程包括C語言程序設計、電路原理、信號與系統(tǒng)、模擬電路、數字電路、微機原理、數字信號處理、數字圖像處理、信息理論與編碼、單片機原理及應用技術等；主要實踐性教學包括電子工藝實習、金工實習、單片機課程設計和畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)。目前上述課程設置存在以下幾個問題：

1.偏重理論知識教學，實踐教學環(huán)節(jié)相對偏少。部分學生很難將理論知識與實踐相結合。

2.電子專業(yè)的專業(yè)課程教學沒有形成相對完整的體系。在日常教學過程中，模擬電路、數字電路、電子測量、電路分析、信號與系統(tǒng)、單片機原理等專業(yè)課程都是獨立教學，老師按教學大綱講授課程知識，課程之間相對“隔離和獨立”不會涉及到相關課程內容。學生在學習的時候僅能了解該門課程的相關知識，這種獨立的課程教學方式很難使學生將所學的各門知識有機的銜接整合在一起，更不用說能靈活運用了。

3.目前單片機是電子專業(yè)學生必備的開發(fā)工具，由于模擬電路、數字電路等前導課程的教學計劃等原因，目前我校第三學年第一學期開設單片機理論課，第三學年第二學期末才開設單片機課程設計，也就意味著電子專業(yè)的大部分學生要在入學兩年后才能接觸到單片機，很多學生在第三學年結束時才能掌握單片機，根本談不上使用單片機進行產品開發(fā)，同時也錯過了大學生電子競賽等各類提高創(chuàng)新能力的比賽。經過大量調研，我們發(fā)現(xiàn)學生普遍認為“單片機其實已經算不上難入門的硬件了，不應該放在大三才學?！薄半娮訉W生大三才會單片機實在難以啟齒”“大一學單片機完全有必要，大一學完C語言之后就可以學單片機了。如果大一學年就掌握了單片機，則可以有更多的同學參與電子競賽的競爭中來?！?/p>

二、單片機系列課程教學改革探索

隨著課程改革的深入進行，在越來越注重學生的實踐動手能力的同時，也在積極探索提高學生實踐動手能力的途徑。目前我校選擇提升學生實踐動手能力的方法之一，是針對參加大學生電子設計競賽的學生進行系統(tǒng)的培訓。該方法受眾面很小，很難讓大部分學生受益。為此，筆者從教學內容和方法、課程測評方法、課程反饋手段三個方面進行了改革和探索。

（一）教學內容和方法探索

首先在第一學年第二學期增加一門《單片機概念與基礎實驗》的課程，與《模擬電路》和《數字電路》課程同期進行教學，該課程提前幫助學生建立系統(tǒng)的概念，學生有了系統(tǒng)的概念后，在學習《模擬電路》、《數字電路》等相關課程時，會更好地思考如何將學到的理論知識用于系統(tǒng)開發(fā)中，從而提高了個人的學習興趣和認知能力。其次對《單片機課程設計》實踐課內容進行教學改革，以期提高學生創(chuàng)新能力。

單片機的優(yōu)點在于易學易用，難點在于單片機的體系結構復雜多樣且難以理解和掌握。因此，可以適當調整現(xiàn)行的教學計劃。以往都是先學習單片機原理，再進行單片機實踐，效果并不理想。應在教學安排上做適當調整，在第一學年第二學期新增32學時《單片機基本概念與基礎實驗》課程，第二學年第一學期開設48學時單片機理論課，第二學期末開設32學時單片機課程設計課程，第三學年開設32學時創(chuàng)新實踐課程。具體論述如下：

第一階段，在第一學年第一學期新增《單片機基本概念與基礎實驗》課程教學。由于模擬電路和數字電路課程在大一下學期才開始講授，同期開設單片機實驗課程是存在一定難度的。為此，我們設計了32學時的“基于Arduino的電子積木”選修實驗課程，涵蓋多彩LED燈實驗、數碼管實驗、按鍵實驗、傾斜開關實驗、光控聲音實驗、溫度檢測報警實驗、串口通訊實驗、電機轉速控制實驗、紅外遙控實驗等十余個實驗。簡單介紹單片機是什么、怎么用，而實驗過程中主要教授同學們用各種現(xiàn)有的模塊搭建電路，以及用C語言進行簡單的程序設計。由于使用“Arduino電子積木”進行實驗，可以完全不需要了解單片機內部硬件結構和相關寄存器，也可以不懂外圍模塊，只需掌握簡單的C語言知識就可以輕松上手；同時由于開源，有興趣的同學可以通過資源整合，能夠加快創(chuàng)作作品的速度及效率。

第二階段，在第二學年第一學期開設《單片機原理及應用》課程，其中理論教學33學時，15學時實驗教學。由于在第一學年，同學們通過單片機實驗課程建立起了系統(tǒng)設計的概念，掌握了模擬電路和數字電路的工作原理，同學們對單片機的工作原理會產生極大的好奇心。此時進行單片機原理的理論課程教學可以幫助他們建立起單片機體系結構、了解單片機的工作原理及單片機接口技術等概念；再通過實踐教學，可以鍛煉學生的綜合應用知識能力以及提高編程能力。

第三階段，在單片機原理課程后緊接著的短學期，我們嘗試推行智能小車開發(fā)平臺［4］用于單片機課程設計實踐教學改革?，F(xiàn)在市面上普通單片機學習板沒有一種像智能小車一樣，可以把所學的技術遷移和融入到工程實際中，智能小車的組成包括：小車本體模塊可鍛煉學生動手能力，鼓勵學生自己設計小車車模；由單片機、傳感器、執(zhí)行器等構成的智能小車控制電路是一個完整的測控系統(tǒng)控制電路；智能小車的軟件設計沒有標準答案，可以說是沒有最好，只有更好，適合學生自由發(fā)揮自己的創(chuàng)造性和提高編程能力。學習板不可能具備這些功能，只有一個具備高性能的開發(fā)平臺，才可以學到這些工程實際技術。該課程以5層次難度遞進、水平螺旋上升進行教學內容設計，降低和分散了學習難點；前瞻后顧、新舊關聯(lián)，讓學生逐漸掌握全部開發(fā)技術。

智能小車開發(fā)平臺課程設計包括：

1.智能小車車體設計

我們通過兩個階段幫助學生設計和制造自己的小車。第一階段，講述目前常見的幾種小車車體結構，如雙電機前驅+萬向輪、單電機后驅+舵機前驅轉向、4電機4驅車等；第二階段，學生自己動手設計自己心目中最炫的小車本體。此階段為實物設計與制作階段，培養(yǎng)學生們的系統(tǒng)總體設計能力和動手能力。

2.智能小車直線競速

安裝好小車車體和單片機開發(fā)板后，小車需要動起來。用程序控制小車前進便是最簡單的任務。此階段需要同學們調試系統(tǒng)電路是否工作正常，并編程控制直流電機轉動?？梢耘囵B(yǎng)學生們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。同期，進行小車競賽比賽，可增加課程的趣味性可競爭性。

3.智能小車循跡

加裝紅外收發(fā)對管進行黑白線檢測，分別要求學生依次實現(xiàn)2對、4對、6對。同期進行小車循跡比賽。此階段由于加入了檢測模塊，與單片機和執(zhí)行器一起構成了一個完整的控制系統(tǒng)。此階段需要模擬電路、數字電路、傳感器技術以及單片機等課程綜合應用。不但要控制電機轉動，還要根據不同的狀況進行決策，難度比第二階段有所增加。同學們在設計和競賽的過程中，理論與實踐完美地結合到了一起。

4.智能小車避障

加裝超聲波傳感器檢測模塊，實現(xiàn)小車避障。同期進行小車避障比賽。此階段設計難度也隨避障場地難度的增加而增加。

5.遙控小車

加裝紅外遙控器TC9012和紅外接收頭HS0038，實現(xiàn)小車的精準操控。

第四階段主要任務是通過一系列由淺入深的單片機實驗課程激發(fā)學生對單片機工作原理及應用產生濃厚的興趣，水到渠成地導入單片機原理課程，并在此基礎上開設單片機設計課程、創(chuàng)新實驗等實踐課程，進一步提升學生動手能力和創(chuàng)新能力。

（二）測評方法的探索

當前，學生成績考核多以試卷測試為主要手段。該考評方法只能檢驗學生理論知識掌握程度，而對學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力的檢驗則略顯不足。為此，我們引入另外一種基于競爭模式的考評方式［7］。即課程結束后，由任課老師對小車車體設計、小車直線競速、小車快速循跡、小車操控等內容進行測評。對優(yōu)勝者，由學院頒發(fā)優(yōu)勝者證書并進行表彰；保留指標最好的作品，在學院大廳開辟專門的展示臺進行作品展示；設有冠軍榜和記錄榜，用以發(fā)布每年的冠軍得主和作品最好記錄。這樣即滿足學生的好勝心，又能激發(fā)他們的創(chuàng)新熱情。

（三）教學反饋手段的探索

學生對教學環(huán)節(jié)的反饋是教學實施的過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，在課程教學中后期，學生對本課程有了良好的認識，這個時間段進行反饋調研可以收獲學生們最真實的感受。為此，我們增加了學生反饋環(huán)節(jié)，在課程中后期，針對本學期課程教學內容和改革方案，在學生中進行調研，收集學生對本學期單片機課程學習的收獲、期望等書面意見和建議，以期對下一學年的教學工作進行改進。

三、總結與展望

促進課堂教學從灌輸課堂向互動課堂轉變、從封閉課堂向開放課堂轉變、從知識課堂向能力課堂轉變，是新時期對教育工作者的新要求［8］。此次教學改革探索通過創(chuàng)新推廣以學生為中心的教學方法，關注課程對學生能力培養(yǎng)的達成度，倡導啟發(fā)式、討論式等互動研討式教學，確保教與學真正“活”起來、“動”起來。通過此次改革與探索，2014 -2015學年第一學期期末，我校參加單片機教學改革的100余名同學中，期末考試優(yōu)良率達70%，效果明顯。時代在變，我們培養(yǎng)學生的方式和手段也要變。作為高校教師，我們要不斷完善和創(chuàng)新培養(yǎng)學生能力的教學和實踐方式方法，從而使我校電子專業(yè)人才培養(yǎng)得以持續(xù)永久的發(fā)展。

參考文獻

［1］談松華，王建.人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的時代抉擇［J］.中國高等教育，2012（6）：4 -8.

［2］戚業(yè)國.我國大學創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐反思［J］.中國高等教育，2012（9）：32 -35.

［3］周萍，羊大力，嚴世勝.實踐教學改革的研究［J］.電氣電子教學學報，2009，32（4）：87 -88.

［4］施燕華.電工電子專業(yè)課程教學設計［J］.考試周刊，2012（86）：173 -174.

［5］戴茗.電子設計工程師認證介紹［J］.電子世界，2010（3）：45.

［6］周喜權，陶佰睿.課程設計在電子專業(yè)教學環(huán)節(jié)中的重要性［J］.高師理科學刊，2010，30（1）：97 -99.

［7］胡冀，應智花，鄭梁.基于挑戰(zhàn)技術指標的培養(yǎng)模式研究［J］.云南大學學報（自然科學版），2011，33（S1）：412 -413.

［8］朱潔.新時代下電工電子專業(yè)教學構思及其教學改革探究［J］.新課程（教研），2010（11）：111 -112.

curriculum Reforms on MCU Series Courses

HU Ji，SHAO Li-huan，GAO Hui-fang
（School of Electronics&Information，Hangzhou DianziUniversity，Hangzhou Zhejiang 310018，China）

Abstract：The imP1ementation of the“innovation country”strategy brings an inevitab1e Problem to the e1ectronic Professional teachers in the universities about how to cu1tivate high qua1ity engineering students in their e1ectronic Professional teaching.In order to imProve the application and innovation abi1ity of the engineering e-1ectronic majors of our university，the curricu1um reforms on MCU series courses are carried out.The reforms focus on the teaching content and methods，the assessmentmethods and the feedback methods，by offering various teaching and Practice methods for the engineering e1ectronic majors with different backgrounds，capacities，interests and career objectives，which effective1y increases their engineering application abi1ity and their innovation abi1ity as we11.

key words：MCU；curricu1um reforms；innovation abi1ity；engineering application

作者簡介：胡冀（1977 -），男，湖北潛江人，講師，人工智能、機器視覺.

基金項目：浙江省高等教育課堂教學改革項目（KG2015127）；浙江省高等教育學會高等教育研究課題（KT2015032）；杭州電子科技大學教學模式改革項目（ZX140110307013）

收稿日期：2015 -01 -23

中圖分類號：G420

文獻標識碼：B

文章編號：1001 -9146（2016）01 -0075 -04

DOI：10.13954 /j.cnki.hduss.2016.01.013