单片机原理及应用的立体教学模式探讨

马继伟，马玉泉，伦翠芬，蔺志鹏

(河北科技师范学院机电工程学院，河北秦皇岛，066600)

“单片机原理及应用”是一门理论性和实践性很强的课程，是计算机、自动化、通讯工程、机电一体化等多个专业的专业基础课。作为嵌入式系统的入门课程，高校教学均采用MSC-51单片机作为教学机型，利用汇编语言编程组织教学［1］。在教学过程中学生普遍反映单片机难学难懂，教学效果和教学质量难以达到预期目标。经过实践教学环节的训练，仍有很大一部分同学感觉对单片机应用系统的开发无从下手。如何利用有限的课堂学习，充分激发、调动同学的学习热情和兴趣，在较短的时间内对系统有一个完整认识，为嵌入式系统的学习和开发打下坚实基础，是单片机原理及应用教学亟待解决的问题。

1 单片机原理及应用在教学中存在的问题

单片机原理课程及应用在教学中存在许多问题:(1)安排设置欠合理，各个教学环节太分散，相当一部分院校将单片机理论教学安排在第5学期，课程设计安排在第5或第6学期，实习安排在第7学期。课程开设时间太滞后，教学环节太分散，不利于学生深入应用实践，没有足够时间进行单片机应用系统开发的深入学习。(2)前续课程实验教学环节薄弱，学生基础电路应用设计，典型器件使用不熟练，增加了单片机理论教学的难度。(3)单片机实验课学时相对较少，且仅仅开设一些验证性实验。验证性实验不能提高学生对单片机课的学习兴趣，不利于学生综合应用能力的培养和启迪学生的创新思维。(4)实验设备和手段的更新太缓慢，缺乏对新器件、新电路应用的认识，密切联系工程实际应用的教学实训难以开展。(5)实验设备的开发能力较弱，关于硬件设计和软件开发的训练环节难以组织，学生仅能做一些简单的硬件连线和软件编程，对单片机在工程中的应用一知半解。(6)单片机课程设计上网查阅资料抄袭现象严重，进行课程实习时，好多同学已经忘记了前面的理论知识，且忙于考研和就业，难以全身心地投入。针对诸多实际问题，如何扭转单片机原理及应用教学效果不佳、学生学习兴趣不大、工程实训投入不足、学生创新能力不足的现状，培养市场急需的专业技术人才，成为亟待解决的问题。

2 单片机原理及应用教学改革思路和对策

单片机原理及应用课程组紧跟微控制器的市场发展趋势，依据“宽口径、厚基础、重能力、求创新”的教育思想，树立先进的现代教育理念，积极改进教学内容和教学手段，整合单片机原理及应用最小课程体系，积极改革传统教学的诸多弊端。自行研发新型实践教学开发系统，充分利用现代化的教学方法和手段，结合工程实际，在强调培养学生的“就业竞争能力”的同时，也强调“发展后劲”，逐步形成了理论教学、实验教学、课程设计、专业实习、毕业设计“五位一体”的立体教学模式［2］。

2．1 明确培养目标，优化课程设置

为实现应用型工科专业培养“应用型”高级工程技术人才和管理人才目标，以单片机课程教学为核心，整合单片机最小系统课程，合理安排各门课程的计划学时、开设时间及顺序。针对单片机理论实践并重的课程特点，对相关课程教学的最小系统课程及开设时间做出调整，《C语言程序设计》作为软件编程基础课程在第1学期开设，在学习了《电路》、《模拟电子技术》的基础上，争取在第3学期开设《数字电路基础》作为单片机课程开设的硬件基础，《单片机原理及应用》在第3学期开课，为增加学习应用高端单片机的后续热情，在第4学期开设《数据结构》、《操作系统》。其中，《单片机原理及应用》在理论教学环节安排不少于20%学时的实验课程，其课程设计与课程实习教学环节要在第5学期前完成。按照“知行合一”的教育理念，注重学生的基本工程素质、专业基础实验技能和科技创新能力的培养［3］，各个教学环节必须紧紧围绕实践项目，紧跟电子市场发展，结合工程实际，形成以提高实践能力为核心、工程训练为基础、创新能力培养为重点的分层次、系统化、开放式的实践教学体系，调动学生的自主学习热情，提高教学效果。

2．2 理论教学扎实，实现理论与实践的对接

随着电子技术的飞速发展，单片机技术发展很快，但是其基本原理、基础知识是相对稳定的，只要把基础知识学好，就可以为今后的发展奠定良好的专业基础。理论教学充分利用项目教学法，现代教学手段，采用汇编语言和C51相结合的模式，使学生对单片机的硬件组成及工作原理和应用系统有一个完整清晰的认识和掌握。利用流行的调试和仿真软件进行课堂现场教学，提高教与学的形象性和直观性［4］。整个教学过程中既要发挥教师的主导作用又要体现学生的主体作用，使课堂教学的质量和效率得到大幅度的提高。在教学过程适时引入一些新器件的发展和应用介绍，激发学生的学习兴趣和求知欲望，通过解决学生身边的一些实际问题，激发他们的求知欲、学习的积极性和主动性，提高动手能力、解决实际问题能力，实现理论与实践的对接。

2．3 更新实验设备，实现实验项目与工程实际的对接

目前8位机产品极其丰富，速度越来越快，功能越来越强大，价格越来越低。遵循实验设备更利于模块化学习、使用费用最低、配套设备最少、紧跟器件市场发展几大原则，课程组教师自行研制开发功能全面、软硬件具备高度灵活性的实践教学系统，及时更新实验开发系统，改善实践教学条件。河北科技师范学院最新版的教学系统以具有硬件仿真功能的STC15F2K60S2为核心，各功能模块电路独立制版，引出关键引脚，使不同学习层次的学生能够针对自己的实际情况有目的地选择相关实验项目，灵活地实现硬件和软件设计。遵循以应用为导向的教学指导思想，以工程应用实例和系统开发实例为导向，倡导实验教学为主，课堂教学为辅的教学指导思想［5］。实验教学内容充分包含了基础验证性试验和足够数量的设计创新性项目，构建全方位的立体实验结构，使学生受到更为实际、全面的科学训练。引导学生从已熟知的内容入手，设计一系列由浅入深，由易到难的实验项目，使学生能够独立完成一个工程项目。实现实验项目与工程实际的对接［6］。

2．4 注重课程设计环节，为后续的实习环节打好基础

单片机原理及应用课程设计是理论教学后的一个重要实践教学环节。在理论课堂教学的同时布置课程设计任务，学生主动针对感兴趣的课题或项目搜集资料，加强各个学习环节的关联，提高整体教学效果［7］。课程设计不仅仅检查学生前期相关课程的学习掌握情况，也为后续的专业实习和毕业设计做一次综合训练和准备。在电路设计、电路图的绘制、软件的编程设计诸方面进行一次全面的综合训练，提高学生的开发创新能力。为了实现这一环节的教学目标，笔者遵循“因材施教”的原则，根据学生兴趣和前期专业基础不同，有选择的进行题目筛选，对于专业基础突出的学生，要求他们焊接电路板或实现系统硬件仿真;对于基础不太好的学生，要求他们必须绘制出完整的系统原理图，完成软件程序框图的绘制并编写部分典型程序。答辩环节要求学生详细讲解系统组成及基本工作原理，教师对一些关键技术和参数质疑，在文案撰写、口头表述这些方面做一次正规训练，为专业实习和毕业设计奠定一个坚实的基础。

2．5 注重实习教学，促进专业知识体系的形成

基于新型实践教学系统调整实习内容，修订实习大纲和实习指导书。培养学生面向任务的设计思想，根据系统功能需要选择合适的芯片实现相应的功能。在熟练电路原理图PCB板图的设计、电路的焊接、单片机软硬件的综合调试等技术方面，进一步激发对单片机智能性的探索精神，提高学生的综合素质，培养学生应用单片机实现测控系统的设计、开发与调试的能力及团队协作精神，达到最大限度地掌握单片机的应用技术，培养专业综合实践能力。

2．6 加大实验室开放力度，激发学生的科研热情

充分利用第二课堂，培养学生的责任感、团结协作精神、竞争意识等创新品质，提高其创新实践能力。按照“学科竞赛与学术活动相结合、科技创新和科研实践相结合、成果转化与育人成才相结合”的原则，营造有利于学生创新的教育环境，依托实验室、大学生科协等社团组织吸引学习兴趣浓厚的低年级优秀学生参加各级各类电子大赛，选拔一批对单片机已产生浓厚兴趣的同学加以培训，吸纳在此方面表现突出的学生参加实际科研课题的研制工作，实现以点带面，最终实现整体教学效果的提高。通过参加比赛开拓学生视野的同时，检验教学效果，及时对日常教学内容和教学方法做出调整和改革［8］。使得整个教学体系更加完整和科学。

3 结 论

实践证明，将仿真软件引入课堂和实验室，不断自制教学实践开发系统，调整教学内容，积极参与电子大赛等教改措施，能使各个教学环节紧密衔接，逐步形成了符合单片机原理及应用课程特点的“五位一体”立体教学体系。该教学体系的部分环节在河北科技师范学院进行了试点教学，取得了较好的效果。在教学教改过程中，课程组全体老师都已经充分认识到只有针对电子技术的新发展、学生学习的新动态不断优化改进教学模式，才能培养出得到用人单位和社会认可的优秀毕业生。

［1］陈小岗．关于改进“单片机原理与应用”课程教学方法的探讨［J］．科技信息，2013(11):178-179．

［2］朱建光，郑浩，刘本伟．单片机原理与接口技术教学改革与实践［J］．武汉大学学报:理学版，2012，58(S2):188-189．

［3］张震宇，周克宁，郑玉珍，等．借鉴德国课程教学模式，提升学生专业能力——以单片机原理及应用课程为例［J］．浙江科技学院学报，2013，25(1):67-71．

［4］赵念强，鲍可进．单片机原理及应用教学改革实践［J］．教改纵横，2008(24):23-24．

［5］何致远，郑玉珍．卓越“现场电气工程师”培养的思考与探索［J］．中国大学教育，2011(3):23-25．

［6］史英侃．单片机实验教学三部曲［J］．实验室研究与探索，2009，28(5):57-59，89．

［7］葛浩，林其斌．单片机课程设计教学［J］．改革与实践实验室技术与管理，2011，28(10):138-140．

［8］吴鸣，熊光晶．以工程能力培养为导向的工程教育改革研究［J］．理工高教研究，2010，29(3):54-59．