面向工程强化实践的“单片机”课程改革与探索

王金波?姜华?王学惠?王立新

摘要：“单片机原理及应用”是机械类等专业必须掌握的一门重要专业基础课，其教学效果直接影响单片机系统设计开发人才的培养质量。针对“单片机原理及应用”课程自身的特点及传统教学模式存在的弊端，从课程人才培养目标、课程体系、教学内容、教学方法和手段等环节进行了改革与探索并运用在教学实践活动中，取得了明显的效果。

关键词：单片机原理及应用；教学改革；CDIO工程教育理念

作者简介：王金波（1976-），女，黑龙江依兰人，黑龙江科技学院机械工程学院，副教授；姜华（1976-），男，满族，辽宁凤城人，黑龙江科技学院电信学院，工程师。（黑龙江 哈尔滨 150027）

基金项目：本文系黑龙江科技学院教学研究项目“基于CDIO理念的单片机课程教学模式改革与实践”的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0077-03

“单片机原理及应用”是机械、计算机及自动化等专业一门重要专业基础课，该课程多基础、多理论、实践性较强，在教学过程中必须软件硬件结合，强调培养学生利用已学单片机知识解决实际工程问题的能力。但是传统的教学模式存在课程内容设置不合理、教学方法单一、重理论轻实践、理论教学与实践教学脱节等诸多问题，再加上课程内容较抽象，没有直观的教学仪器和设备，学生很容易产生厌烦心理、放弃学习，无法达到预期的教学效果，严重影响了人才培养质量。本文旨在运用CDIO工程教育理念，采用先进的教学方法和手段，切实改善“单片机原理及应用”课程的教学效果，提高人才培养质量，为企业培养“留得下、用得上、出得去”的单片机系统设计及开发人才。

一、传统教学模式存在的主要问题

现阶段，在具体的教学过程中，不但学生普遍感到难学，授课教师也存在许多困惑。问题的症结主要表现在以下几点：

1.课程内容设置不合理

具体的授课内容是以单片机的结构与原理为主线，先介绍单片机的硬件结构，其次是指令、软件编程，然后是单片机系统扩展和各种外围器件的应用，最后列举一至两个实例。然而，当教师讲到单片机抽象的内部结构、七种寻址方式以及烦杂的111条指令时，大部分学生就已经望而生畏了，渐渐失去了学习的兴趣和信心。实际上，此时课程的核心部分，如软、硬件开发的技巧学生还没有开始学，他们甚至对一个单片机系统开发的全过程都不了解。试想，如此这般的教学效果与课程的教学目标是相背离的，完全抹杀了学生的学习兴趣，同时，对于学生的自信心会造成极大地摧残，同时，为学生以后的学习设下障碍，进而使培养单片机系统开发的技术人才终将成为一句空话。

2.学生存在差异，教学方法单一

自1999年我国高校扩招以来，高等教育规模迅速扩大。然而，扩招使得学生综合素质下降，对专业知识的理解和掌握存在较大差异；尤其是学生的学习质量出现严重滑坡，主要表现在：学习氛围不浓、学习态度不端正、学习方法不科学。[1]同时，教师在授课过程中无视学生个体之间的差异，对学生施以相同的教学方法，主要以单一的灌输为主，无法激发学生的学习兴趣，学生的求知欲、主动学习意识严重缺乏，课堂教学效果很差。

3.实验设备不足，理论教学与实践教学脱节

课程总学时为48学时，其中理论教学44学时，实验环节设置2个实验总计4学时，理论教学与实践环节是脱离的。教学采用的实验设备是实验箱，但只有六个，且部分箱子已经损坏，学生无法进行电路的设计与搭接，只是简单地连线，所以对于硬件设计无法进行锻炼；电脑也只有三台是好使的，学生对软件编程更是无法涉猎。实际上，两个实验就是演示性的实验，学生只是看下效果，同时，没有设置课程设计环节，仅在下学期的期末设置一周（5天）工程实训，而且在后续课程里没有与“单片机原理及应用”这门课相关的课程。据不完全统计，机电专业学生毕业设计有近一半用到单片机相关知识，同时毕业生有近30%从事单片机系统设计相关的工作。由此不难看出，这种实践条件根本就无法培养学生的实践动手能力，严重影响了学生的毕业与就业。

4.教师队伍年轻化

目前，本课程教师大部分是学校到学校的理论型、学术型青年教师；同时，由于教学任务繁重，教师缺乏机会和渠道接触实际的工程项目；对于本学科的前沿知识匮乏；独立承担及完成单片机开发的科研项目能力比较弱。因此，在具体教学过程中，教师理论联系实际的能力一般，很难调动学生学习的积极性，学生的理论与实践脱节，实际动手能力、分析问题、解决问题的能力较差，极大地影响了人才培养质量。[2]

二、CDIO工程教育理念

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是由美国麻省理工学院、瑞典哥德堡查尔姆斯技术学院、瑞典皇家技术学院和瑞典林雪平大学等4所工程技术大学发起的一项工程教育改革计划，以产品生命周期上的四个环节——构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）代表四个教育和实践训练环节。换言之，CDIO是产品从研发到运行的生命周期。[3]CDIO改革的主要目标是以C-D-I-O的产品生命周期为教育背景，以工程实践为载体，使学生掌握基础工程技术知识，培养动手操作能力，使学生在新产品的开发过程中引导创新，并理解研究和技术发展对社会的重要影响，承担培养工程科技人才的社会责任。

CDIO工程教育理念是一整套符合工程科技人才成長规律和特点的教育模式，是全面培养发展创新型工程科技人才的有效途径和方法。在“单片机原理及应用”课程教学中运用CDIO工程教育理念，将理论与实践相结合、教育与工程实际相结合、知识与技能相结合，改进课堂教学、启发学生思维、增强学生的思考能力和动手能力，为学生学好后续专业课程、更好地完成课程设计、毕业设计奠定坚实的基础；同时，可强化黑龙江科技学院的“大德育、大工程、大实践”的教育理念，[4]彰显办学特色；能够大力培养思想道德素质高，基础理论扎实、知识面宽、实践能力强，具有创新精神的应用型高级专业人才，为人才更好更快地服务地方区域经济，起着重要的指导作用。

三、教学改革的主要环节

1.制定课程的人才培养目标

深入从事单片机开发及应用企业，了解企业对人才的需求；走访同类院校，进一步搜集、整理“单片机原理及应用”教学中好的做法，系统制订课程的人才培养目标。

2.课程体系的改革

打破原有的课程体系。根据CDIO工程教育理念，构建理论与实践相结合、教育与工程实际相结合、知识与技能相结合的课程体系。

3.教学内容的改革

打破原有以教材内容为主的教学内容。通过对企业进行调研，了解企业对单片机技术人才需求状况，经过座谈、讨论由企业专家和教师共同确定课程面向的工作岗位，形成若干个教学项目，把每一个教学项目分解为若干个学习性工作任務，最后形成以项目为导向、以任务为驱动、将知识传授与能力培养融为一体的教学内容。

4.教学模式的改革

本课程将采用“全过程工学结合”的教学模式，即将传统教学中的教室移至校内实训室，以实训室真实的场景、真实的设备为背景，按照教、学、做一体化的教学模式进行仿真教学，使学生在校内就可进行单片机产品设计与开发等能力的训练，并将职业道德和情感态度有机地融合，为学生毕业与就业的“零距离”对接奠定基础。

5.教学方法和手段的改革

在具体教学环节中，主要采用“任务驱动”、“小组合作学习”及“案例分析”等先进教学方法，让学生“学中做、做中学”，重点培养学生的创新能力、实践动手能力及团队合作精神，同时对学生的人文素养、职业道德和法律知识进行强化。

运用模块化机器人、单片机实验箱及开发板等实训设备，进行仿真一体化教学，将现代教育技术，即PPT技术、Flash技术及视频技术，网络技术引进课堂教学，通过大容量的信息和丰富多彩的形象描述与实物展示，将课程中抽象的内容形象化、真实化，有效地化解教学中的重点和难点，从而提高教学质量及教学效果。

整合、优化实验室现有资源，利用Proteus等仿真软件建立虚拟实验室，继续加强校内实训基地的建设，为学生在校体验单片机系统开发全过程奠定良好的基础。同时，充分调动企业的积极性，建立校企合作机制，采取“校企合作”的方式，建立校外实训基地，实现“校企双赢”的目标。

建立单片机学习网站，让学生课下也能自主地学习和交流。同时，开展学生科研训练计划，使学生接受特定的科学研究方法训练，进而培养学生的工程意识及工程实践能力。

聘请企业专家作为兼职教师，定期开设与单片机系统研发技术相关的学术讲座使学生了解、掌握行业最前沿的科技动态，从而为培养高质量应用型人才奠定坚实基础。

6.评价与考核方式的改革

为了更好地调动学生学习的积极性、主动性，全面客观地考查学生的综合素养，课程采用过程评价与课程评价相结合的方式，即根据学生在学习性工作任务实施过程中的表现、学习成果等进行任务评价，每个教学项目完成后，组织一次项目评价；当所有教学项目完成后进行课程评价。过程评价与课程评价的成绩比重为6∶4。[5]

四、教学设计

有效的教学设计有助于学生开展具体学习活动，纠正学生行为以帮助学生有效地完成学习目标。“单片机原理及应用”课程教学设计坚持以项目为导向、以任务为驱动、基于完成任务的工作过程进行设计；以学生职业能力培养为主线，突出综合素质培养。其中包括：制定教学内容、教学目标、教学方法与组织形式以及评价是否达到教学目标的方法。下面通过具体设计一次课来阐述相关环节。

教学内容——学习项目：模拟汽车转向灯；任务单元：转向灯的闪烁。

教学目标——专业能力目标：了解单片机I/O口的结构，掌握单片机与发光二极管接口电路的设计方法；引入延时的概念，掌握延时子程序的作用。方法能力目标：具备自学能力、理解能力与表达能力。社会能力目标：具备团队协作能力、计划组织能力与安全意识。

教学方法与组织形式——教学方法：在校内实训室，运用多媒体及实验室教学资源，采用“以项目为导向，以任务为驱动”的教学方法，融教、学、做于一体。组织形式：全程采用“任务驱动”的形式，让学生在完成“任务”过程中掌握知识、技能和方法；真正体现教学中学生的主体地位和教师的主导地位；充分发挥学生的主观能动性，培养他们自主学习能力，锻炼他们的创造性思维，全面提升他们的综合素质。教学过程：具体教学过程如图1所示。

情景导入（5分钟）：播放正在路上行驶汽车转向时的视频，引入具体学习项目，分成两个工作性任务，本次课只完成第一个任务——转向灯的闪烁。任务分析（5分钟）：明确具体任务要求——AT89C51单片机作为主控机，用发光二极管模拟汽车转向灯，设计发光二极管与单片机的接口电路，编写软件流程图。小组讨论（20分钟）：学生分小组讨论，自行完成相关任务，教师给予必要指导。任务完成后，选派一组来陈述任务具体完成情况。教师点评（15分钟）：根据学生陈述情况，采用鼓励、赞许等语气进行点评，指出其设计中可取的方面以及存在的不足。同时，对于小组讨论时发现的共性问题进行分析、讲解相关知识。任务设计（40分钟）：其他各组根据教师讲解的相关知识点进一步完善任务，在此基础上完成硬件电路的焊接，源代码的编写、编译、下载以及演示。最后，教师对学生的学习成果进行评价。任务拓展（1分钟）：要求学生利用课余时间，完成单片机与继电器接口电路的设计。回顾总结（3分钟）：由学生总结本次课的重点内容，教师加以归纳、补充。任务布置（1分钟）：布置下次课任务——按键模拟转向开关控制转向灯闪烁，同时，布置预习及查找的相关内容。

与此同时，教师还采用国际通用的PDCA（戴明环）循环管理系统，即Plan（制定计划）、Do（具体实施）、Check（检查与分析）及Action（评价与调整）对整个教学过程进行管理，采取反思性教学，这样每一轮下来都有不同的收获，不但逐渐提升了课堂教学质量，而且自身的教学水平也得到了显著提高。具体步骤如图2所示。

经过全体课题组教师的不断努力，“单片机原理及应用”课程教学改革已经取得了初步成效，教学效果得到了显著提高。通过对黑龙江科技学院2008级和2009级学生进行试验，结果证明学生实践动手能力、主动学习的意识得到了极大增强，由原来的怕学、厌学转变为喜欢学这门课程。课程结束后，一些学生成为本校航模协会、大学生科技协会等社团组织优秀队员；部分学生通过导师制参与到教师的科研项目中，在这一过程中，学生的工程意识、实践能力、创新能力和职业素养得到了进一步的加强，缩短了与企业之间的距离，进而得到了用人单位的认可。同时，教师的教学水平也得到了明显提高，对加强师资队伍建设起到了积极的作用。今后还将继续努力，不断研究、探索更为先进的教育理念和方法，进一步提高人才培养质量，为企业培养更优秀的单片机系统设计开发人才。

参考文献：

[1]陈向奎，李元臣.单片机教学改革的思考与探索[J].洛阳师范学院学报，2012，（5）.

[2]林海鹏，王金波，等.《控制工程基础》课程的教学改革与实践探索[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2011，（8）.

[3]张淑丽，刘胜辉，等.软件工程CDIO综合训练项目设计与执行研究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2011，（10）.

[4]赵国刚.三大教育理念与工程人才培养体系[J].高等工程教育研究，2009，（4）.

[5]王金波，姜华.煤矿机电专业“3+1”人才培养模式探索[J].黑河教育，2010，（4）.

（责任编辑：宋秀丽）