劉承橋，馬 俊，李銀輪，辛月蘭

（青海師范大學 物理與電子信息工程學院，青海 西寧 810016）

0 引 言

如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)飛速發(fā)展，人們的生活生產(chǎn)方式也隨之改變。為適應社會對物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面人才的需求，各級政府及各類高校，從師資到教育設施，硬件到軟件，均增加了對物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面的投入，把培養(yǎng)應用型和創(chuàng)新型人才作為一項核心任務[1-2]。為此，諸多高校都已進行或正在進行相應的教學改革。作為物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等行業(yè)的重要技術(shù)之一[3]，單片機是電子信息類、計算機類及自動控制類等專業(yè)的核心課程之一[4-5]。青海師范大學作為一所地處中國西部的省屬高校，為適應我國教育發(fā)展，服務中國西部，立足青海省情，已開設電子信息工程專業(yè)二十余年，單片機課程一直是該專業(yè)的專業(yè)課程之一。近幾年，為響應學校向工科院校轉(zhuǎn)型，培養(yǎng)應用型和創(chuàng)新型人才的號召，我校電子信息工程專業(yè)做了一系列教學改革工作，單片機課程改革是電子信息工程專業(yè)教學改革工作的重要內(nèi)容之一。通過教學改革，探索一種行之有效的教學模式，是提高單片機課程教學質(zhì)量的重要途徑之一。

1 單片機課程現(xiàn)狀

1.1 單片機課程的特點

單片機課程是電子信息類、計算機類及自動控制類等專業(yè)的專業(yè)課程之一。該課程立足于基本原理知識的理解與掌握、技術(shù)應用和實際操作能力的培養(yǎng)與提高，理論與實踐相長，是一門應用性非常強的課程[6-7]。

就學生而言，學習單片機課程，需具備電路原理、電子技術(shù)、C語言等相關(guān)基礎知識，以及一定的計算機操作能力[8]。學習過程中，學生需要將理論知識的學習與實驗操作相結(jié)合，充分理解與掌握理論知識，培養(yǎng)和提高實踐技能。

就教師而言，教授單片機課程，需要扎實的理論知識和較強的實驗操作能力。另外，豐富的工程實踐經(jīng)驗是教好單片機課程的重要素材。在教學中，教師需要將理論知識的講解與實驗操作及工程實踐相結(jié)合[9]，并留給學生充足的實驗操作時間與空間，讓學生充分掌握理論知識與實驗技能，提高教學質(zhì)量。

1.2 單片機課程教學存在的若干問題

近年來，青海師范大學電子信息工程專業(yè)單片機課程教學質(zhì)量有了一定的提高，但依然存在若干問題。主要體現(xiàn)在課時分配、實踐教學內(nèi)容、授課方式和考核方式四個方面。

（1）課時分配不合理

青海師范大學電子信息工程專業(yè)單片機課程課時分配見表1所列。

表1 青海師范大學電子信息工程專業(yè)單片機課程課時分配表

從表1可以看出，單片機課程總課時基本合理，但實驗課時量太少，不利于對學生實踐能力的培養(yǎng)與提高。

（2）授課方式缺乏創(chuàng)新

良好的授課方式對提高教學質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，目前的授課方式已不適應單片機課程的發(fā)展要求。主要表現(xiàn)為以下幾方面：

①理論課堂與實驗課堂分開。單片機課程應用性較強，需要在實踐過程中深化對理論知識的理解。將理論課堂與實驗課堂分開，導致學生不能將理論與實踐有效結(jié)合，對理論知識理解不透徹，實踐能力得不到有效鍛煉[10-11]。

②以單片機實驗箱為實驗平臺。在單片機實驗箱上，學生不能看到電路原理圖，缺乏對電路功能的自主分析，只能按照實驗指導書或老師的要求進行程序的編寫與調(diào)試，弱化了對學生實際問題分析能力的培養(yǎng)[12-13]，且實驗箱一般體積較大且價格較高，不方便學生帶出實驗室，不利于學生自主學習。

③師生人數(shù)比較低。目前，實踐教學的師生人數(shù)比小于1∶33。在規(guī)定的教學時間內(nèi)，學生得到教師指導的機會較少，且深度不夠，學生的實踐技能不能得到有效提升。

（3）實踐教學內(nèi)容不夠新穎

單片機的重要作用主要體現(xiàn)在與其他電子器件（如傳感器件、顯示器件、存儲器件等）共同組成具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)裙δ艿碾娮酉到y(tǒng)。因此學習單片機的本質(zhì)是學習如何用單片機與其他電子器件共同組成具有一定功能的電子系統(tǒng)。而當前時期，新器件更新速度飛快，基于單片機的電子系統(tǒng)日新月異?；趥鹘y(tǒng)電子器件的經(jīng)典的單片機實驗，如流水燈實驗、數(shù)碼管顯示實驗、按鍵實驗、串行通信實驗，I2C總線實驗等，依然是單片機實驗課堂的主要內(nèi)容。盡管這些實驗能夠體現(xiàn)單片機課程的核心內(nèi)容，但用到的電子器件較陳舊，功能簡單，使得實驗課堂與科技前沿脫節(jié)，不利于學生接觸科技前沿知識，限制了學生的眼界與思維，不能很好地激發(fā)學生的學習興趣[14]。

（4）考核方式有效性較弱

目前，青海師范大學電子信息工程專業(yè)單片機課程的考核由平時表現(xiàn)、期中考試和期末考試三部分構(gòu)成。其中，期末考試是閉卷形式的理論知識考試。課程總成績由平時成績、期中考試成績和期末考試成績?nèi)糠纸M成。三部分成績所占比例見表2所列。

表2 青海師范大學電子信息工程專業(yè)單片機課程成績分配表

結(jié)合考試形式和表2可以看出，單片機理論課成績比例過大，即使將平時成績和期中考試成績?nèi)恳詫嶒灣煽兘o出，也只占課程總成績的40%，比理論課考試成績少得多。并且，閉卷形式的理論知識考試只能在一定程度上體現(xiàn)出學生對部分理論知識的掌握情況，并不能有效體現(xiàn)出學生的實踐操作能力，更不能有效體現(xiàn)出教學質(zhì)量[15]。

以上四方面問題制約著單片機課程教學質(zhì)量的提高，不利于培養(yǎng)應用型和創(chuàng)新型人才。

2 “1-M-N”教學模式的概念

好的教學模式應能夠反映出課程的特點，且有利于課程教學質(zhì)量的提高?！?-M-N”教學模式注重理論與實踐結(jié)合，以提高學生理論知識水平，培養(yǎng)和提高學生實踐技能為目的。其中，“1”表示1位老師，“M”和“N”分別表示M名學生和N名學生。“1-M-N”教學模式的概念圖如圖1所示。

圖1 “1-M-N”教學模式概念圖

“1-M-N”教學模式將授課班級的學生分成兩部分，一部分有M名學生，另一部分有N名學生，且M

3 “1-M-N”教學模式在單片機課程教學中的應用

針對單片機課程教學過程中存在的問題，“1-M-N”教學模式在合理選取M和N值的基礎上，從授課方式、授課內(nèi)容和考核方式三個方面進行了改革和創(chuàng)新。

3.1 M和N值的選取

截至目前，“1-M-N”教學模式已經(jīng)應用于2013級電子信息工程班（用G1表示）、2014級電子信息工程技術(shù)（大專）（用G2表示）、2014級電子信息工程班（用G3表示）的單片機課程教學中，并正應用于2015級電子信息工程班（用G4表示）單片機課程教學中。以上各班級的學生總數(shù)、M值、N值及（M+1）∶N見表3所列。

表3 授課班級的M和N值選取表

從表3中可以看出，M=2或3。較小的M值，便于教師開展高質(zhì)量的授課工作。（M+1）∶N遠大于1/20，不僅能夠讓大部分學生得到更多的指導，也能夠充分發(fā)揮優(yōu)秀學生在學習中的榜樣作用。

3.2 改進授課方式

良好的授課方式是學生獲取知識、提升能力的重要途徑?！?-M-N”教學模式從以下幾方面對單片機課程授課方式進行改進。

（1）將理論課堂與實驗課堂合二為一

在總課時量不變的情況下，將理論課堂與實驗課堂合二為一，使教師能夠根據(jù)課堂實際需要靈活分配理論課時與實驗課時。一方面，教師可結(jié)合口述、PPT演示及實驗操作，將知識詮釋得更加清楚；另一方面，學生可及時將理論知識與實踐有效結(jié)合。同時，這種授課方式能夠極大地活躍課堂氣氛，增加師生之間的互動，激發(fā)學生的學習興趣，提升課堂教學質(zhì)量。

（2）以單片機實驗開發(fā)板為教學平臺

與傳統(tǒng)的單片機實驗箱相比，單片機實驗開發(fā)板具有學習資源豐富且開放、便攜性好、價格較低等特點。

首先，單片機實驗開發(fā)板具有豐富且開放的教學資源，為學生提供了一個良好的學習平臺。一方面，開放的硬件電路，能夠讓學生知曉整個實驗系統(tǒng)的構(gòu)造，學生可在認真分析電路的基礎上，編寫驅(qū)動程序，有利于提高學生分析問題和解決問題的能力。另一方面，單片機實驗開發(fā)板配備豐富的例程、視頻教程及相關(guān)文檔資料，便于學生查缺補漏和拓展學習，提高學習質(zhì)量。

其次，單片機實驗開發(fā)板便攜性好的特點可實現(xiàn)實驗場地的可移動性。除了正常的實驗課之外，學生可根據(jù)自身情況，將實驗場地搬出實驗室，在自習室、宿舍等地方繼續(xù)學習。如此，學生便有更多的實踐時間和相互交流的機會，有利于提升實踐技能。

再次，相對于傳統(tǒng)一兩千元的單片機實驗箱，單片機實驗開發(fā)板價格較低，普遍在一兩百元左右，大大降低了教學成本。

（3）以基礎實驗為主，鼓勵創(chuàng)新實驗

實驗課堂以基礎性實驗為主，啟發(fā)學生分析問題、解決問題，鼓勵學生發(fā)散思維，進行創(chuàng)新性實驗。對于完成創(chuàng)新性實驗的學生給予加分鼓勵。

（4）預告實驗教學內(nèi)容

每學期的第一周將本學期單片機實驗教學內(nèi)容向?qū)W生公布，學生可根據(jù)自身的學習情況合理安排自己的實驗學習進度，充分發(fā)揮學生的學習自主性。

3.3 創(chuàng)新教學內(nèi)容

新穎、實用的單片機課程內(nèi)容對提高單片機課程教學質(zhì)量有重要作用。“1-M-N”教學模式從以下幾方面對教學內(nèi)容進行創(chuàng)新：

（1）教學內(nèi)容緊密結(jié)合當前生活生產(chǎn)

如在串行通信這一模塊知識中，結(jié)合單片機在ZigBee，WiFi，GPRS等無線通信領(lǐng)域的應用進行教學。與生活生產(chǎn)相結(jié)合，更能體現(xiàn)出單片機的實用性，也能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習積極性。

（2）實踐教學中注重新器件的使用

除傳統(tǒng)的元器件之外，實踐教學更多地選擇使用一些新型、較先進的元器件。如選用貼片元器件、OLED顯示屏、AM2301溫濕度傳感器等。選用新型、較為先進的元器件，能更好地讓學生接觸科技前沿，拓展學生的知識面，提升學生對新器件的應用能力。

（3）教學過程中引入工程實踐案例

工程實踐案例對課堂知識學習有著良好的指導作用。教師將自身或者他人的工程實踐案例引入教學，能夠讓學生更加充分地認識所學知識在實踐中的應用，有助于學生對所學知識深入理解和掌握，拓寬學生的知識面，提高學生的認知能力。

（4）增加拓展實驗項目

除必做實驗項目之外，增加拓展實驗項目，供學生自主選擇學習。鼓勵學生選做拓展實驗項目，并對完成一定數(shù)量拓展實驗項目的學生給予相應加分。學生通過自選并完成拓展實驗項目，一方面提高了學習的自主性和積極性，另一方面也提高了實踐技能，并能自檢學習效果。

3.4 優(yōu)化考核方式

合理的考核方式能有效地反映出課程的教學質(zhì)量。針對目前單片機課程考核方式有效性較弱的特點，“1-M-N”教學模式從考核結(jié)構(gòu)、考核形式、考核內(nèi)容、成績分配四方面，對單片機課程考核方式進行優(yōu)化。優(yōu)化后的課程考核由理論課考核和實踐課考核兩部分組成，各部分的考核形式、考核內(nèi)容及成績的分配與計算等見表4所列。

表4 單片機課程考核方式說明表

從表4可以看到，優(yōu)化后的單片機考核方式中，理論課考核依然采用閉卷考試的形式，題目來自于課本，其成績占總成績的百分比較原來的60%降低到了40%。實驗課成績由必做實驗成績和拓展實驗成績兩部分組成，其值占課程總成績的60%。其中，必做實驗成績占課程總成績的40%，拓展實驗成績占課程總成績的20%。

優(yōu)化后的考核方式既能讓大多數(shù)普通學生取得合理的成績，又能讓少數(shù)優(yōu)秀學生取得更好的成績；既體現(xiàn)了對學生理論知識的考核，又注重對學生實踐能力的考核，能夠較客觀地反應該課程的教學質(zhì)量和學生的學習效果，并能激勵學生積極進取。

3.5 應用效果

將“1-M-N”教學模式應用在G1，G2，G3三個班級的單片機課程教學中并取得了一定成效。其中，在實驗教學、本科畢業(yè)論文、大學生電子設計競賽三方面表現(xiàn)較為突出，具體情況分別見表5～7所列。

表5 “1-M-N”教學模式在單片機實驗教學方面取得的成效

由表5可知，在“1-M-N”教學模式的實施過程中，各班完成全部必做實驗項目的學生人數(shù)占專業(yè)總?cè)藬?shù)之比及各拓展實驗項目完成人數(shù)占專業(yè)總?cè)藬?shù)之比均呈遞增趨勢。充分體現(xiàn)了“1-M-N”教學模式能夠充分調(diào)動學生的學習積極性，注重學生實踐技能的培養(yǎng)與提高。

表6 “1-M-N”教學模式在本科畢業(yè)論文方面取得的成效

從表6可知，采用“1-M-N”教學模式后，本科生完成的與單片機相關(guān)的畢業(yè)論文數(shù)占完成論文總數(shù)的百分比有了較大幅度的提高，且呈遞增趨勢。正因為掌握了單片機基本理論知識，并具備一定的單片機實驗技能，學生才選擇并完成與單片機相關(guān)的畢業(yè)論文。通過對比分析可知，“1-M-N”教學模式有效促進了學生對單片機課程理論知識的理解與掌握及實踐技能的培養(yǎng)與提高。

表7 “1-M-N”教學模式在大學生電子設計競賽中取得的成效

單片機在電子設計競賽中使用廣泛。在電子大賽中取得的好成績說明學生具有較好的單片機應用能力，充分體現(xiàn)了“1-M-N”教學模式能夠有效地提高學生的實踐技能。

4 結(jié) 語

“1-M-N”教學模式在現(xiàn)有培養(yǎng)方案和課程體系下，從授課方式、教學內(nèi)容及考核方式三方面對單片機課程教學進行了改革和創(chuàng)新，使得單片機授課方式更加靈活和有效，教學內(nèi)容更加新穎并與時俱進，考核方式更具有效性?！?-M-N”教學模式注重理論與實踐相結(jié)合，強調(diào)“以做促學，學做統(tǒng)一”，充分發(fā)揮學生的學習自主性和優(yōu)秀學生的榜樣作用，培養(yǎng)和提高學生的理論知識水平和實踐技能。從電子信息工程專業(yè)近年來在單片機課程教學、本科生畢業(yè)論文及專業(yè)賽事三方面取得的成效可以看出，“1-M-N”教學模式能夠體現(xiàn)單片機課程應用性強的特點，積極促進學生理論知識水平、實踐操作能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高，對提高單片機課程教學質(zhì)量和培養(yǎng)應用型及創(chuàng)新型人才具有很好的促進作用。