卓越工程师培养目标下的单片机教学改革探讨

崔勇?袁海文?王秋生?刘颖异

摘要：单片机课程具有紧密联系实际、内容丰富等特点，针对该课程教学中存在的实际问题，提出了基于卓越工程师培养目标下的教学改革的具体方法。通过建立完整的课程知识体系和实践体系，侧重培养学生的创新思维能力和工程实践能力。提出的教学方法适合于单片机专业课程的教学实践。

关键词：单片机；教学方法；卓越工程师

作者简介：崔勇（1982-），男，河南漯河人，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，实验师；袁海文（1968-），男，陕西扶风人，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，教授。（北京 100191）

基金项目：本文系2011年北京航空航天大学教学改革项目“‘单片机原理及应用课程探索和实践”（项目编号：400379）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）05-0080-02

随着半导体技术、计算机技术的进步，单片机作为一种传统的嵌入式微控制器也在不断地向前发展。单片机技术目前已被广泛应用于工业控制、检测技术、仪器仪表、智能交通、电力电子、家用电器等各个领域。[1-3]目前，高等学校自动化、电子、通信、计算机等专业也都开设了单片机类课程，同时对单片机的教学研究也日益深入，涉及教学方法、教学内容、实验研究等诸多领域。[4-8]

2010年，教育部基于国务院《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2010年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的相关内容，提出了卓越工程师培养计划。该计划的主要目标是：面向工业界、面向未来、面向世界，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家、实现工业化和现代化奠定坚实的人力资源基础，增强我国的核心竞争力和综合国力。[9]该目标要求未来的工程师能够同时兼备工程创新和工程实践能力。基于北京航空航天大学航空航天特色及研究型大学的定位，以及授课教师在工程技术方面的丰厚经验，在卓越工程师培养计划中，更侧重于培养工程研究型、工程创新型的高端拔尖人才和“两领人才”（领军人才和领导人才）。“单片机原理及应用”课程的改革正是围绕创新思维和工程实践两大能力的培养和提高而开展，从而培养出学术研究型的工程科学家、研发人员和设计工程师。本教学改革针对“单片机原理及应用”课程的具体特点和存在的实际问题，以培养具有创新拔尖人才的卓越工程师为目标，对“单片机原理及应用”课程的改革进行了初步探索。

一、“单片机原理及应用”课程的特点及现状

“单片机原理及应用”课程具有如下特点：实践性强，“单片机原理及应用”课程本身对学生的理论基础要求不是很高，它侧重于具体技术在工程中的应用；技术更新快，单片机诞生至今已经有几十年的历史了，在当今这个信息飞速发展的社会中，单片机技术也不是一成不变的。单片机的性能不断提高、功能不断加强、类型更加多样；入门较难，“单片机原理及应用”课程以“模拟技术”、“数字电子技术”、“电路基础”、“微机原理”、“计算机编程语言”等作为先修课程并且与它们联系紧密，是综合性较强的课程，这给学生的入门带来了一定的困难。

“单片机原理及应用”课程在本校自动化科学与电气工程学院已经开设了二十几年，目前，该课程存在如下问题：教材内容滞后，以往采用的教材大都是基于传统的8051单片机进行编写的，课程的教学安排也是按照教材内容讲述，而单片机技术的发展却是日新月异，如何解决教材陈旧与单片机技术迅速发展的矛盾，是“单片机原理及应用”教学改革中需要重点解决的；教学方式陈旧，传统的教学方式以教师讲授为主、学生上课认真听课，课下配以一定学时的实验，这样的教学方式使得教师与学生的互动性较差，难以激发学生的学习兴趣；考核方式单一，传统的考核方式还是以期末闭卷考试为主，这样会造成学生的被动记忆，难以调动学生学习的积极性，合理的考核方式改革迫在眉睫。

二、“单片机原理及应用”课程改革的内容

结合卓越工程师培养计划，“单片机原理及应用”课程的改革以培养工程能力强和具有创新思维能力的人才为目标，注重理论知识在实践中的应用，体现对科学研究能力的培养。

1.“单片机原理及应用”课程理论教学的改革

教师在“单片机原理及应用”的理论教学过程中，不仅应该让学生掌握基本的理论基础知识，更应该注意引导学生发现问题、解决问题，还需要培养学生创新性解决问题的能力。为了实现这一目标，本校在确保完成教学大纲要求的内容基础上，对“单片机原理及应用”课程的结构进行了调整，同时对传统的课程教学方式和考核方式进行了改变。

（1）课程内容的调整。传统的单片机功能单一、处理速度较低、存储空间少，因而需要利用单片机的“三总线”（数据总线、地址总线和控制总线）架构进行功能的扩展。随着半导体技术的发展，在相同封装甚至更小封装的单片机芯片上集成了更多功能模块，使得单片机的处理速度和存储能力已经今非昔比，进而造成基于“三总线”架构进行并行扩展的应用逐步减少，所以教师在课堂讲授中只对并行扩展进行简单介绍，使学生达到了解的程度即可，同时增加并着重介绍基于SPI总线、I2C总线等串行扩展介绍。另外，由于现代单片机处理速度的提高、存储空间的增加、开发环境编译器性能的提升，汇编语言在单片机的开发中已经不再占有主导地位，取而代之的是大量的基于C语言的单片机程序。因此在教学中只让学生了解汇编语言的优缺点、熟悉基本的指令格式、能够进行简单的编程，同时掌握汇编与C语言的混合编程方法即可。在单片机编程语言的讲授中，重点介绍嵌入式C语言与基于PC机的C语言的异同点。此外，对一些已经不具有实用价值的芯片，如D/A芯片-DAC0832，A/D芯片-AD0809等，在课堂上不做介绍，而讲授一些较为常用的外部接口芯片，如基于“1-wire”总线的DS18B20温度传感器，基于串行接口扩展的A＼D、D/A、键盘控制、显示控制以及存储芯片。最后，在教学内容上增加了对Proteus软件的介绍，该软件能够在计算机上模拟单片机的运行，方便学生在课下进行自学以巩固课堂内容。课程内容的调整能够拓宽学生的知识面，真正实现知识性、实用性、新颖性、灵活性的有效统一。

（2）课程教学方式的变革。传统的教学方式多为填鸭式教学，该方式以教师讲授知识为主导，学生只是听课和记笔记。这种方式不能充分调动学生的学习积极性，也不能引导学生做出创新性思考。而现代教学较为推崇“研究型”教学，在教学环节中增加更多的互动环节，积极引导学生对所学内容进行深入挖掘，强调学生的自主学习能力，培养学生的科学探索能力，但是不能完全否定“传统型”教学方式。“传统型”教学方式非常重视基础知识的讲授，能够给学生打下坚实的课程认知基础，所以教师应在“单片机应用及原理”课程的授课中将“研究型”与“传统型”教学方式合理地结合，既侧重基础知识的讲授，也要引导学生积极思考、勤于实践。这样既避免了学生只会考试不会实践的缺点，同时也为学生的工程实践活动打下坚实的理论基础。

（3）考核方式的变化。改闭卷考试为开卷考试、并增加开放性题目的设置，深入考查学生对知识的灵活应用程度而不是考查学生对知识的记忆能力；引入多重评价体系避免单一评价指标对学生的限制。改革后的课程考核结合开卷考试、实验考核以及开放性自选作业考核三种考核方式。改闭卷考试为开卷考试是因为“单片机原理及应用”课程是一门应用性大于理论性的课程，它侧重于学生对单片机这门工具的掌握并能将其应用到实践中的程度，而不强调学生对知识点的记忆，开卷考试更能够考查出学生对知识的灵活掌握能力。同时，借助实验环节的考核，来加强学生的动手实践能力。最后在平时布置一些开放性自选作业，让学生选择自己感兴趣的内容进行深入学习，这些开放式的作业大都是让同学借助Proteus仿真软件来实现一些小的功能。仿真软件的使用让学生不再受限于有限的实验课时和实验器材，使其能够更加多方面、灵活、深入地学习单片机知识。

2.“单片机原理及应用”课程实践教学的改革

工程实践能力的培养一方面要求学生能将课堂所学知识转换为实践动手能力，另一方面还要让学生具有初步的实际工程开发意识和能力。所以在实践教学过程中，实验环节和科技竞赛环节可以培养基础实践能力，而科研进课堂能够进一步提高工程实践能力。

（1）合理配置实验内容。实验环节对大多数学生而言仍是将课堂知识转化为实践能力的重要环节。在保证实验学时的基础上，通过提高综合性设计实验在实验环节中的比例，来培养学生综合解决问题能力，同时通过一定的基础性实验，学生较快地熟悉单片机的开发流程和基础结构。另外，教师可以将实验指导书提前发给学生，让学生通过Proteus仿真软件提前在自己的计算机中搭建出实验指导书中的单片机硬件系统，然后根据实验指导书的内容进行编程，并进行仿真调试。调试通过后学生再在实验室的真实硬件平台上进行验证。这样做一方面可以使学生掌握仿真软件的使用，另一方面可以节省出大量的实验时间，从而在有限的实验学时内安排更多的实验内容，让学生进一步加深对单片机的理解。

（2）推进科研成果进课堂。“单片机原理及应用”作为一门应用性、实践性极强的课程，需要授课教师有较为丰富的工程经验，并能够将这些经验以及科研成果引入到“单片机原理及应用”课堂上。这样一方面可以提高学生对课程学习的兴趣；另一方面，可以使学生知道单片机用到哪里、为什么用、如何用、怎么更好地用。同时，在授课中可以以单片机为核心，引导学生建立初步的工程实践意识，掌握初步的工程研究和工程创新方法。

（3）引入最新技术。目前，越来越多的公司每隔固定时间都会举行一些产品研讨会。在研讨会上都会结合自己公司的单片机产品来介绍一些实际的工业界使用案例，同时也会介绍单片机产品的最新发展方向和最新产品。因此，教师收集一些单片机相关研讨会的信息，并根据授课进度以及学生对单片机的掌握程度挑选一些合适的研讨会，鼓励学生积极参加。从反馈的情况来看，学生对参加此类研讨会有着非常浓厚的兴趣，他们不仅可以学习到单片机的具体应用，也可以通过跟现场的设计工程师进行交流，进一步加深对单片机在工业界使用情况的认识，促使他们有更大的兴趣和动力在课堂上学习单片机，从而形成一个积极的良性循环。

（4）鼓励参加科技竞赛。目前，国家以及各个高校各自都在举办一些学生科技竞赛，期望通过这些竞赛调动学生的学习积极性，同时实现理论学习到实践能力的转化。单片机作为一种通用的微型控制器在工业、农业、航空航天、军事等各个行业都能够得到应用，因此单片机非常适合学生参加科技竞赛。在教学过程中，引导并鼓励学生发挥自己的创新性思维，结合所学知识积极参加相关的科技竞赛，通过竞赛达到学有所用、学有所获的目的。

三、教学改革的效果

采取上述措施后，经过两年的教学实践，学生普遍反映对“单片机原理及应用”的学习有了更大的兴趣，能够更好地掌握并应用所学的知识，同时通过众多的实践性教学环节，学生非常容易将课堂知识进行转换。另外有多名学生利用所学的单片机知识参加了全国电子设计大赛、机器人大赛、校级SRTP项目、校级“冯如杯”科技竞赛等，并在这些大赛中获得了较好的名次。

四、结论

随着单片机技术的迅速发展，“单片机原理及应用”课程的教学改革也势在必行。针对目前“单片机原理及应用”教学中存在的问题，结合本校研究型大学的定位，以培养卓越工程师为目标对“单片机原理及应用”教学改革内容进行了详细地阐述。通过具体的改革方法加强了学生创新思维能力的培养和工程实践能力的训练。本教学研究工作经受了实践的考验，赢得了相关教师和学生的一致认可。本论文受到北京航空航天大学教改项目的支持，特此表示感谢。

参考文献：

[1]Syed R.Rizvi.Microcontroller Programming：An Introduction[M].CRC Press，2011：1-50.

[2]Dogan Ibrahim.Microcontroller Based Applied Digital Control[M].Wiley，2006：25-35.

[3]张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用[M].第二版.北京：高等教育出版社，2010：1-27.

[4]萧德云，张长永，王雄，等.创建研究型自动化教学体系，培养创新型专业拔尖人才[J].电气电子教学学报，2009，（S2）.

[5]段敬红，王磊，等.嵌入式系统实验教学建设与实践体系的建立[J].电气电子教学学报，2007，29（3）.

[6]杨波，闫蓓.利用专业基础课程加强大学生创新素质的培养[J].北京航空航天大学（社会科学版），2011，24（2）.

[7]王威.普通高校自动化专业嵌入式技术教学思考[J].电气电子教学学报，2010，32（3）.

[8]张腾飞，顾亦然，王瑾.电气类专业嵌入式实践教学内容与方法的改革探索[J].中国电力教育，2009，（7）.

[9]林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J].高等工程教育，2010，（4）.

（责任编辑：宋秀丽）