黃 玥 劉 通 秦貴和 黃 威

（1.吉林大學公共計算機教學與研究中心，吉林 長春 130012；2.吉林大學計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012；3.長春一汽通信科技有限公司，吉林 長春 130011）

1 研究背景

我國單片機發(fā)展從1986年算起至今已近35年。最初國內(nèi)的一些大學和研究所開展了8080/85、680 等8 位微處理器的研究和應用。 到20 世紀80年代末，單片機課程被搬上了大學的講堂。 從復雜的匯編程序控制單片機到用C 語言、Python 語言等高級語言實現(xiàn)多任務平臺上的開發(fā)， 從單板機系統(tǒng)的實驗臺到口袋實驗室的實驗設備， 單片機課程的理論與實驗在不斷的發(fā)展進步。隨著學生創(chuàng)新能力的提高，各種計算機創(chuàng)新大賽的舉辦， 學生對單片機知識的需求愈發(fā)旺盛。 因此， 不少大學為非計算機專業(yè)學生開設了單片機系列創(chuàng)新實驗課程。 但非計算機專業(yè)的學生與計算機專業(yè)學生的需求有所不同，他們更注重知識的實用性，需要用單片機知識來解決實際問題。 這就需要單片機系列創(chuàng)新實驗課程更具實踐性、交叉性，課程要項目化、實用化。 這不僅是對課程本身的考驗， 更是對教師的考驗。教師不僅要有扎實的理論知識，更要有豐富的工程實踐能力；不僅要熟悉各種單片機系統(tǒng)，更要時刻掌握層出不窮的新體系、新設備，才能夠對學生的創(chuàng)新思路及遇到的問題加以指導，給予幫助。

2 課程改革的探索

單片機課程的改革從大綱結構、實驗環(huán)境、教師能力三個方面進行。

2.1 大綱結構

傳統(tǒng)的單片機課程一般從一個經(jīng)典的MCU，如51 進行介紹。 一般會介紹單片機的內(nèi)部結構、指令系統(tǒng)、經(jīng)典接口（并口、串口及計數(shù)器等）、中斷調(diào)用、數(shù)模模數(shù)轉換等知識。 即便是專業(yè)學生學習，在傳統(tǒng)教學中也會存在學生指令系統(tǒng)跟不上、實驗內(nèi)容和理論課程不貼切等問題。 而對于學時緊張的單片機系列實驗課程，非計算機專業(yè)學生更是無法掌握這些繁多的理論知識。

非計算機專業(yè)學生在學習單片機相關課程后，普遍反映課程難懂、枯燥、沒有多少用、學習課程后對自己基本沒有多少幫助等負面問題。 因此，單片機系列創(chuàng)新實驗課程相比專業(yè)的單片機大綱結構，剔除掉與實踐沒有直接關系的理論知識，把與實踐相關的理論知識穿插在實驗與實踐環(huán)節(jié)。 調(diào)整后的優(yōu)勢如下：

一是理論與實踐緊密融合， 節(jié)約了授課時間；二是學生不再死記硬背理論知識， 直接通過實踐過程，將理論轉化為技能； 三是學生邊學邊做邊解決問題，提高了學習的積極性；四是降低了學生解決問題的門檻，讓學生可以學以致用。

2.2 實驗環(huán)境

傳統(tǒng)的實驗模式是學生需要在規(guī)定時間、指定儀器或實驗箱上進行限定性實驗， 以驗證所學理論知識。 這種學習方式具有一定時滯性。 當學生產(chǎn)生了某種創(chuàng)新想法而又無法及時進入實驗室時，該創(chuàng)新想法可能就會擱置。 等到下一次進入到實驗室時，又會因其他的操作任務而無暇實現(xiàn)之前的想法，或者之前的想法早已遺忘。

傳統(tǒng)的單片機實驗大多借助電路實驗箱在實驗室進行，以演示性、驗證性實驗居多，缺乏系統(tǒng)性、啟發(fā)性、設計性，使學生對自動控制原理的理解不深入，系統(tǒng)分析與應用能力不高。 單片機系列創(chuàng)新實驗課程的實驗要突出實用性、靈活性、開放性。 學生在完成學時內(nèi)的實驗后，可以對實驗內(nèi)容舉一反三；在教師的允許下可以進行新的嘗試。 如學生在進行PWM 控制舵機的旋轉角度實驗時， 還可以嘗試用PWM 控制直流電機轉速。 在寬松的實驗環(huán)境下，學生的主動性與積極性得到了提高，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性有很好的效果。 另外，實驗箱的價格相對較高、體積較大，攜帶也極不方便。

許多院校的單片機相關實驗已經(jīng)進行了專業(yè)化、學科化的改革。 這些改革主要對陳舊的實驗內(nèi)容和實驗設備進行了新的設計。 一方面，在實驗內(nèi)容上，各個院校根據(jù)學生的相關專業(yè)進行實驗設計。 機械類專業(yè)的學生可以進行機電控制的單片機實驗；生物專業(yè)的學生可以進行濕度、 溫度和光照傳感器的相關實驗；物流專業(yè)的學生可以進行物聯(lián)網(wǎng)類的單片機實驗。 另一方面，配套的實驗設備也需要自行設計組織，以滿足實驗內(nèi)容的專業(yè)化、學科化。

單片機系列創(chuàng)新實驗課程，受到教學條件限制，無法大量購置價格較貴的實驗設備。 課程的實驗設備的操作需要具有專業(yè)知識與相應能力， 而單片機系列創(chuàng)新實驗課程的學生在不具備相應能力的情況下進行操作， 實驗設備往往經(jīng)過一次或多次實驗課之后會產(chǎn)生大量的問題，需要調(diào)試及維修。從而給課程的正常教學帶來了不利因素。例如，有兩門課程在教學中使用同一套設備。 這兩種課程的實驗對實驗軟件環(huán)境的配置不一樣，因此在兩個課程穿插進行時，學生會因為前次實驗的環(huán)境配置與自己實驗的環(huán)境配置不一致而無法正常進行實驗。兩個課程在同一階段進行實驗的學期中，實驗設備的故障率要遠高于正常水平。

單片機系列創(chuàng)新實驗課程實驗在經(jīng)費有限、支持有限的環(huán)境中想要發(fā)展，一定要進行模塊化、精煉化、包容化的改革。 如今單片機系統(tǒng)類型不斷地豐富，價格不斷地降低，不僅實驗設計者可以像組裝計算機一樣進行簡單的組合，來滿足實驗的硬件需求，學生也能自行滿足競賽及學習需求的單片機及其配件（接口模塊、傳感器及執(zhí)行機構等）。

學生能夠在創(chuàng)新實驗課程實驗學時中完成并掌握的實驗數(shù)量有限。 如果有針對性地將實驗設備化整為零， 將集成的實驗機箱換成零件由學生進行組裝，可以令實驗成本大幅下降。 表1 是一個學生在公共選修課程中計劃的實驗課（部分）所需的實驗材料。

表1 實驗材料（部分）

若按照上表組織實驗，實驗成本將降低到實驗機箱的10%以內(nèi)。 這樣的效果不僅體現(xiàn)在有限的經(jīng)費投入下豐富了實驗的內(nèi)容。 因為實驗過程需要學生自己動手組裝， 極大地提高了學生的參與性與積極性，而學生可以將個人的單片機系統(tǒng)與課程提供的模塊組合調(diào)試，幫助學生解決實際問題，激發(fā)了學生的創(chuàng)造性，提高了課程在學生中的口碑，令課程更具有活力。

2.3 教師能力

單片機系列創(chuàng)新實驗課程教師應該比專業(yè)教師更具有活力，更能適應計算機的新知識、新體系和新概念。 由于單片機系列實驗設備主要以“實驗主機+仿真系統(tǒng)+實驗配套模塊”的形式進行設計，市面上涌現(xiàn)出大量的單片機開發(fā)系統(tǒng)及學習系統(tǒng)，而學生對單片機系統(tǒng)的選擇有趨新潮性，有一定的隨機性，因而創(chuàng)新實驗課程教師不僅要有充足的知識儲備，更要不斷地補充新的知識，強化指導學生的能力。 相應的，在教授單片機系列創(chuàng)新實驗課程的過程中，每一輪課程都要補充新類型的實驗設備，對新設備的調(diào)試、掌握并引入教學環(huán)節(jié)中的過程也在不斷地強化教師的個人能力。

單片機系列創(chuàng)新實驗課程的改革要滿足學生的需求，提高教師能力，激發(fā)課程活力，為高校培養(yǎng)創(chuàng)新性人才注入催化劑，為高等院校在科技創(chuàng)新時代不斷地深化改革進行了實質(zhì)性的踐行。

3 結語

單片機系列創(chuàng)新實驗課程是實踐性、應用性很強的實驗課程。 在單片機發(fā)展迅猛的今天，相關的實驗教學應該更加輕量化、靈活、多樣。 在升級設備購置方案的同時，也需進一步加強教師技能，以便應對市場花樣繁多的單片機產(chǎn)品。 讓學生不再拘泥于實驗教學模塊，可以更快、更靈活的從事個人興趣研究，提高創(chuàng)新能力。