郭 棟 白 銳 藍(lán)和慧 陳曉英遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

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探索單片機(jī)課程教學(xué)改革 提高學(xué)生實(shí)踐及創(chuàng)新能力

郭 棟 白 銳 藍(lán)和慧 陳曉英
遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

摘 要：針對(duì)單片機(jī)課程改革的必要性及目前單片機(jī)教學(xué)存在的問題，從仿真教學(xué)手段與教學(xué)演示平臺(tái)相結(jié)合、改變實(shí)驗(yàn)手段、增加技能考核手段、組建興趣小組4個(gè)主要方面著手，進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)改革探索。通過近兩年教學(xué)改革的實(shí)施，取得了良好的教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；實(shí)踐能力；創(chuàng)新能力；教學(xué)改革

隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已成為電子技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)亮點(diǎn)，極大地推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用[1]。近年來，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、歐洲工業(yè)4.0、我國工業(yè)2.5、賽博作戰(zhàn)(美)、IoT(Internet of Things)、智慧家庭、智慧城市、智慧交通系統(tǒng)等廣為傳播，但其中核心何在？我們?nèi)绾闻槿耄客踉皆菏吭?015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽總結(jié)報(bào)告指出：大學(xué)生培養(yǎng)工作的高質(zhì)量發(fā)展是中華復(fù)興的重要子項(xiàng)，必須加強(qiáng)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)踐促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)踐。單片機(jī)課程作為工科院校教學(xué)中重要的基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重中之重。但在單片機(jī)課程教學(xué)過程中，存在著教師難教、生難學(xué)、學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力差的現(xiàn)象，盡管部分學(xué)生在考試中取得了不錯(cuò)的成績(jī)，可走上工作崗位后仍然無法獨(dú)立進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)更是無從談起。因此進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)改革，探索有效的教學(xué)手段及方法以提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力是很有必要的，符合創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)以及提高大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的主旨思想，具有積極的意義。

1 單片機(jī)課程教學(xué)改革的必要性

1.1 單片機(jī)課程的特點(diǎn)[2,3]

(1)單片機(jī)課程內(nèi)容豐富，涵蓋了硬件資源、軟件編程以及應(yīng)用設(shè)計(jì)三大部分，三者之間內(nèi)容跨度大，但又相互滲透、緊密聯(lián)系，這就要求在有限的學(xué)時(shí)及資源下透徹講解三者之間的關(guān)系。

(2)單片機(jī)課程應(yīng)用性及實(shí)踐性非常強(qiáng)，不但與后續(xù)的專業(yè)課程、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)聯(lián)系非常緊密，而且是學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新活動(dòng)的基礎(chǔ)，這就要求單片機(jī)課程應(yīng)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。

(3)單片機(jī)課程的很多教材內(nèi)容與工程實(shí)踐的要求相比相距甚遠(yuǎn)，這就要求教師在單片機(jī)課堂教學(xué)中將書本教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐結(jié)合起來。

1.2 目前教學(xué)存在的問題

(1)特別注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，忽略了動(dòng)手實(shí)踐及技能的培養(yǎng)，而現(xiàn)在的企業(yè)更注重畢業(yè)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和C語言編程方面的動(dòng)手實(shí)踐能力。

(2)現(xiàn)有的教學(xué)模式是以學(xué)生通過考試為目的，忽略了工程設(shè)計(jì)方面的訓(xùn)練。

(3)教學(xué)方法墨守成規(guī)，缺乏生動(dòng)、直觀的教學(xué)手段。

(4)教學(xué)內(nèi)容編排缺乏靈活性，即按照硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言設(shè)計(jì)、外部系統(tǒng)擴(kuò)展、接口技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路教學(xué)，雖然思路清晰，但過于機(jī)械，缺少與實(shí)踐相聯(lián)系[1]。

(5)實(shí)驗(yàn)中往往是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和要求在實(shí)驗(yàn)箱上做簡(jiǎn)單的連線，學(xué)生頭腦中沒有一個(gè)整體原理圖的概念，而且大多數(shù)學(xué)生都是用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上已經(jīng)寫好的程序資料或照抄別人的程序，幾乎沒有多少學(xué)生分析程序的流程，更不用說去研究讀懂那些代碼了。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生過度追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而忽略了硬件設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試等過程，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)近乎成為擺設(shè)，無法起到應(yīng)有的作用[1]。

綜合以上因素，急需對(duì)單片機(jī)課程的教學(xué)進(jìn)行改革。通過到用人單位調(diào)研以及借鑒同行經(jīng)驗(yàn)，提出從仿真與教學(xué)演示平臺(tái)相結(jié)合教學(xué)手段、改變實(shí)驗(yàn)手段、增加技能考核手段、組建興趣小組4個(gè)方面著手進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)改革探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，掌握理論和實(shí)踐應(yīng)用技能，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 仿真教學(xué)手段與教學(xué)演示平臺(tái)相結(jié)合

單片機(jī)是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的課程，不適合采用傳統(tǒng)的講授法進(jìn)行教學(xué)，應(yīng)與多媒體教學(xué)、演示手段相結(jié)合，使學(xué)生有直觀、清晰的印象，加深學(xué)生的理解。

在課堂上演示單片機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試幾乎不可能，更不用說演示單片機(jī)的內(nèi)部工作機(jī)制以及工作時(shí)程序?qū)纹瑱C(jī)內(nèi)部寄存器狀態(tài)的影響。而Proteus 仿真軟件是單片機(jī)課堂教學(xué)的先進(jìn)助手，可以將單片機(jī)原理、工作過程以及實(shí)例功能這些抽象的概念、運(yùn)行過程形象化、具體化，因此將Proteus仿真軟件引入到單片機(jī)課程教學(xué)中，結(jié)合Keil C調(diào)試編譯軟件，通過快捷、方便直觀且形象化的教學(xué)演示，同時(shí)硬件電路可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容隨時(shí)進(jìn)行更改，也能隨時(shí)修改程序，即刻顯示仿真結(jié)果，幫助學(xué)生理解理論知識(shí)。例如，在講解匯編指令時(shí)，通過Proteus可以將單片機(jī)的存儲(chǔ)器、寄存器的內(nèi)容展示在學(xué)生面前，指令的執(zhí)行效果一目了然，有助于學(xué)生對(duì)指令的理解，同時(shí)也加深了對(duì)單片機(jī)內(nèi)部資源的理解，為以后的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。同時(shí)利用Proteus軟件可以將書中前后知識(shí)點(diǎn)以及例題綜合起來形成復(fù)合例題，貫穿多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，可以使學(xué)生對(duì)學(xué)到的知識(shí)加以形象直觀的理解并學(xué)會(huì)如何綜合利用，對(duì)于提高學(xué)生的理解有著極大的幫助。圖1是出租車計(jì)價(jià)器的Proteus仿真圖，可以將數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示、外部中斷2個(gè)知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，而且與生活中的應(yīng)用相結(jié)合，不但使學(xué)生學(xué)到了知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)。增強(qiáng)了學(xué)生感官認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到對(duì)單片機(jī)有深入透徹的了解，使學(xué)生會(huì)利用單片機(jī)來完成相應(yīng)的任務(wù)要求。

圖1 出租車計(jì)價(jià)器的Proteus仿真圖

盡管Proteus仿真效果非常好，但是在某些情況下仿真效果與硬件實(shí)際效果存在著一定的差別，尤其是在學(xué)習(xí)硬件部分，出現(xiàn)這種情況時(shí)應(yīng)以硬件開發(fā)板演示實(shí)際效果，不能一味使用仿真，脫離實(shí)際。因此在演示外部擴(kuò)展設(shè)計(jì)(按鍵、數(shù)碼管、計(jì)數(shù)器應(yīng)用等)時(shí)，采用仿真手段與教學(xué)演示平臺(tái)實(shí)物演示相結(jié)合的方式，使學(xué)生擺脫枯燥的學(xué)習(xí)過程，激發(fā)學(xué)生的濃厚興趣，從而達(dá)到愿意學(xué)、樂學(xué)的目的，讓學(xué)生深入地掌握相應(yīng)的知識(shí)。

通過單片機(jī)仿真教學(xué)手段與教學(xué)演示平臺(tái)相結(jié)合，對(duì)比仿真與實(shí)物的效果，使結(jié)果更加具體化、形象化，充分體現(xiàn)了理論教學(xué)、仿真教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心與求知欲，激發(fā)學(xué)生的自學(xué)及創(chuàng)造能力，從而提高單片機(jī)課程的教學(xué)效果及教學(xué)質(zhì)量。通過仿真教學(xué)手段與教學(xué)演示平臺(tái)相結(jié)合教學(xué)方法的實(shí)施，已經(jīng)充分體現(xiàn)了這種教學(xué)方式的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有積極的推動(dòng)作用。

2.2 改變實(shí)驗(yàn)手段

單片機(jī)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要。為提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)方式的升華，實(shí)驗(yàn)要符合大學(xué)生的實(shí)際情況以及就業(yè)需求，應(yīng)注重能力培養(yǎng)，切實(shí)達(dá)到實(shí)踐能力培養(yǎng)的目的。

目前普遍采用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菍W(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和要求在實(shí)驗(yàn)箱上做簡(jiǎn)單的連線，無法在學(xué)生頭腦中形成一個(gè)整體原理圖的概念[1]；而且實(shí)驗(yàn)箱所采用和展示的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)脫離目前工程師所采用的實(shí)際開發(fā)技術(shù)，因此造成了學(xué)生無法對(duì)最新設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了解；同時(shí)由于學(xué)生過度追求實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，而忽略了硬件設(shè)計(jì)以及軟件調(diào)試過程，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的效果[1]。因此利用自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上有著目前實(shí)際工程師采用的最新系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，通過在此實(shí)驗(yàn)板平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生熟悉在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)調(diào)試程序，并且掌握調(diào)試方法，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，為學(xué)生走上工作崗位順利進(jìn)入角色奠定基礎(chǔ)。

但是在教學(xué)改革實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，僅僅利用上實(shí)驗(yàn)課程的時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其效果雖有所提高，但并不是特別顯著。因此設(shè)計(jì)開發(fā)了一款功能齊全的單片機(jī)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖2所示)，兼顧課堂教學(xué)演示和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來。在上課伊始就將學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的PCB電路板下發(fā)給每個(gè)學(xué)生，并配以必要的器件，既可以讓學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行課堂講授內(nèi)容的驗(yàn)證，又可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)的鞏固，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

圖2 單片機(jī)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.3 增加技能考核手段

目前普遍所采用的技能考核手段為在實(shí)驗(yàn)箱上對(duì)做過的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行變更，讓學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成編程設(shè)計(jì)，此方法不利于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此增加技能考核手段，能夠增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。采取的措施是在課程考試前由學(xué)生選擇以下技能考核方式之一完成技能測(cè)試。

(1)學(xué)生在上課期間根據(jù)下發(fā)的單片機(jī)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，期末教師根據(jù)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的資源出考核題目，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成編程測(cè)試，根據(jù)情況評(píng)定成績(jī)。

(2)自己動(dòng)手制作，根據(jù)教師給定的題目(課程前期下達(dá))，在考試前完成相應(yīng)設(shè)計(jì)制作，根據(jù)情況評(píng)定成績(jī)。

(3)在單片機(jī)仿真軟件Proteus中完成原理設(shè)計(jì)、編程以及調(diào)試，考試前獨(dú)立完成，根據(jù)情況評(píng)定成績(jī)。

同時(shí)將技能考核分?jǐn)?shù)由原來的10分提高至30分，這樣通過增加技能考核手段能夠培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，有利于學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。

(4)組建興趣小組

組建單片機(jī)課外興趣小組，帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。課程伊始就把對(duì)單片機(jī)有濃厚興趣的學(xué)生組成課外興趣小組，定期進(jìn)行培訓(xùn)、答疑，組織他們進(jìn)行課外活動(dòng)，組裝和調(diào)試小制作，然后進(jìn)一步利用Proteus 和Keil C軟件以及單片機(jī)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓他們自己設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目，逐步引導(dǎo)完成學(xué)生自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和開拓能力；并以此帶動(dòng)更多的學(xué)生加入學(xué)習(xí)行列中。同時(shí)組織學(xué)生積極參加校級(jí)及省級(jí)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目以及參加各種競(jìng)賽，通過項(xiàng)目及競(jìng)賽，可以使學(xué)生充分了解自己的情況，激發(fā)學(xué)生的熱情，很好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，充分提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，為走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

3 單片機(jī)教學(xué)改革效果

通過近兩年教學(xué)改革的實(shí)施，取得了一定的成績(jī)，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力得到了全面的提升，學(xué)生在參加“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)器人競(jìng)賽、飛思卡爾智能車等各種比賽中，取得的獲獎(jiǎng)組數(shù)較以往有了較大的增加，而且獲獎(jiǎng)的等級(jí)也提升了，在Robomasters2015全國大學(xué)生機(jī)器人大賽及2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得全國一等獎(jiǎng)，取得了近年來最喜人的成績(jī)。

4 結(jié)束語

在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的背景下，以“加強(qiáng)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)踐促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)踐”為主的教學(xué)改革勢(shì)在必行，因此針對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)存在的問題進(jìn)行了改革嘗試，經(jīng)過近兩年的小范圍實(shí)驗(yàn)證明所采用的方法切實(shí)可行，取得了良好的教學(xué)效果，不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，符合創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)以及提高大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的主旨思想，為探索合理有效的教育教學(xué)方法和手段奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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Explore Teaching Reform of Single Chip Microcomputer Curriculum Improve Students' Practice and Innovation Ability

Guo Dong, Bai Rui, Lan Hehui, Chen Xiaoying School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

Abstract:According to the necessity of the curriculum reform of SCM (single chip microcomputer) and the existing problems in the teaching of SCM, the teaching reform of the SCM is explored from the aspects of combination of simulation teaching method with teaching demonstration platform, change of the experimental method, increase of skills evaluation means, formation of interest groups. Through the implementation of teaching reform in the past 2 years, the good teaching effect has been achieved. The students' learning interest has been stimulated. The students' practical ability and innovation ability have been trained.

Key words:single chip microcomputer; practiceability; innovation ability; teachingreform

基金項(xiàng)目：2014年遼寧省普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號(hào)：UPRP20140643)；2014年遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(編號(hào)：2014031)。

作者簡(jiǎn)介：郭棟，博士，副教授。

收稿日期：2015-12-23