结合学科竞赛进行单片机课程改革

吴定会， 张秀丽

（1.江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122；2.无锡职业技术学院 信息化中心，江苏 无锡 214121）

随着物联网时代的到来，国内外各大IT公司纷纷投入巨资加快嵌入式产品的研发，由此导致了单片机人才的需求猛增。学校的单片机课程具有入门简单、灵活多变、综合性强等优点，在学生就业和职业生涯发展中起到了不可忽视的作用。

全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程的实践活动［1］。飞思卡尔智能车竞赛极大地促进了高校自动化类课程的建设。在该项竞赛的引导下，江南大学自动化专业不断优化培养计划，引进新技术，进行专业课程教学改革。飞思卡尔智能车竞赛牵涉到控制、数据采集和信号的处理，在实际制作时牵涉单片机的知识，学生只有在熟练掌握单片机应用的基础上，才能完整地制作出软硬一体的智能车，综合应用所学的电子知识。结合智能车竞赛的单片机教程，在我院的教改中成效显著，对学生综合实践能力的提升起到了关键的作用。

1 现有单片机课程教学模式分析

1.1 理论课时多且重复率高

目前大部分高校的单片机教学模式是先原理后设计、先理论后实验。在教室进行理论教学，在实验室进行实验教学，在不同时间、不同空间完成各自的教学内容，且课堂教学占主导地位［2］。这种模式将理论教学和实验教学隔离，致使抽象的知识不能及时消化吸收，影响学生的学习兴趣和信心。自动化专业单片机系统课程群主要有微机原理与接口技术（40学时）、单片机原理及应用（48学时）、DSP原理及应用（40学时）、嵌入式系统原理及应用（40学时），课程零散，无系统性，教学中未能发挥各课程间的协调优势。这个课程群中理论学时占比重过大，课程重复率高，微机原理与接口技术对8086的内部结构做了详细介绍，并讲授了汇编语言；嵌入式原理及应用也是讲解单片机的结构以及基于51的汇编语言；同样的DSP和嵌入式系统也是讲解各自微处理器的原理和汇编语言，这样重复的讲解硬件结构及汇编指令，内容相似，学生听课兴趣降低，授课效果差。

1.2 缺乏偏硬件的实践环节

学校由于实验室设备不完善、师资有限等原因，在实践教学中往往只是简单进行软件编程训练，而对于硬件设计训练则偏少，甚至没有。在单片机教学中，往往是讲了指令系统后，才安排实验内容。但是实验室基本上都是采用实验箱，实验箱上已经把各个典型的模块固化，学生实践的时候只需要连上导线，按照说明书上的步骤，就可以写程序、编译、下载和观察结果。学生虽然对整个流程很熟悉，但是却缺乏对实验原理的思考。这种现象的本质是实验箱硬件部分固定、程序固定，学生相互之间抄袭严重，以至于一个学期的课程结束后，大部分人还是没有掌握单片机的原理。

1.3 实验内容单一与社会需求脱节

现在单片机课程所配备的实验器材均是多年没有更新，而且学生只能按照实验指导书所给定的步骤一步步验证，没有自主发挥的空间。这使得学生所学与工业界所需越来越远。现在社会所需是物联网技术，作为物联网技术的第一实践方向，就是要实现各类传感器设备的互联互通，形成智能化功能的网络。现在的实验还停留在流水灯、数码管、液晶屏等等，完全没有体现出机电一体化和工业信息化的趋势，没有紧跟时代潮流。

对于单片机这门比较抽象和实践性很强的课程来说，若不能在讲授理论课的同时开展实验，并马上把抽象的理论与实际联系起来，就难以激发学生的学习兴趣。

1.4 课程考核内容单一

在考核形式上，只进行笔试，考核书本上的理论知识，学生也只是死记硬背，没有达到掌握嵌入式课程的学习目的［3］。对于学生应该结合课程学习、专业特点、时间安排和兴趣爱好提出实验设计题目、设计方案或设计构想，并在一个较宽松的实验环境和灵活的选择时间内完成。出于课时紧张的原因，教师也没有积极鼓励学生大胆提出自己的实验思路和构思，降低平时成绩的占比，单片机课程的最终成绩大部分来自最后笔试成绩。因此学生更不愿把时间放在实践环节，导致恶性循环。

2 采用竞教结合模式的课程改革方案

2.1 优化课程群体系，整合课程群教学内容

微型计算机原理及应用、单片机原理及应用、DSP原理及应用、数字信号处理、嵌入式系统原理及应用这几门课程需要进行梳理，整合各课程的教学大纲和教学任务，建成以“单片机系统”校级精品课程为主线、构建统一课程多媒体课件和网站、实现课程群有机结合的单片机系统教学平台。主要思路如图1所示：

图1 改进后的课程教学模式

单片机计算机技术的应用按照所使用处理器的不同可分为：单片机微处理器系统、嵌入式微控制器系统、嵌入式DSP处理器系统、嵌入式片上系统，因此单片机系统课程群即以核心部件技术为中心，以MCU、EDA、DSP、MPU等单片机相关技术的掌握和应用为目标，最后围绕单片机课程群及计算机科学与技术专业的课程体系中所设置的许多专业基础课，建立一个单片机方向的课程体系。

2.2 建立“以竞促教、竞教结合”的教学平台

飞思卡尔杯智能车竞赛是以竞速为基本的竞赛形式，辅助以创意赛和技术方案赛等多种形式，最终制作一部能够自主识别道路的模型汽车，按照指定路线行进，并符合预先公布的其他规则，以完成时间最短者为优胜。智能车竞赛包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节、要求学生组成团队、协同工作，能够初步体会一个工程性的研究开发项目及设计到实现的全过程。这个竞赛融合科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖了自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。

学校将学科竞赛纳入实践课程体系之中，学生自愿报名参加，学生完成规定的任务后可获得相应的学分［4］。首先，智能车竞赛只提供基本的车模，所有硬件电路都需要自己制作完成，学生为了能参加比赛，必须设计自己的原理图，并针对自己的硬件设计对应的嵌入式软件。由于不同组别机械完全不一样，学生相互之间没有任何参考，所有过程必须独立完成。竞赛的苛刻条件大大提高了学生的动手能力，提高了课程的完整性，使学生能够真正掌握嵌入式技术。智能车竞赛是一项综合性很强的竞赛，涉及的专业知识面很宽，需要三个参赛人员共同配合，每个人对自己的职责负责，同时又要协助队友完成整个系统的任务，提高小车的性能和车速。这培养了学生之间的团队配合能力，使其在就业之后能够很快融入企业的开发团队。最后，学校应鼓励学生参加以飞思卡尔智能车竞赛为代表的学科竞赛，对获奖的学生给予优秀毕业生和免试研究生的资格，从制度上吸引学生参与到单片机课程学习中，而不是简单地应付考试。

2.3 考试模式改革

在考核方法上应该改变传统应试教育的方式，采取笔试和实验相结合的办法，对未完成实验的学生不允许参加考试。为了提高学生的动手实践能力，应该大幅提高平时成绩和实验成绩的占比，学生笔试占总成绩的40%，实验室成绩占总成绩的40%，平时成绩占总成绩的20%。对于实验能力的考核要更加灵活，更加人性化，学生必须三人一个团队自由组队，根据自己的兴趣选择相应的课题。每个课题有若干个相应的考核点，比如altium designer软件使用的熟练程度，原理图绘制的标准，PCB制版是否考虑电磁兼容，布局是否合理，所编写的单片机程序是否达到了基本功能。每个课题均不一样，防止学生偷懒出现相互之间抄袭的情况，参与学生只要成功实现基本功能就能获得不错的成绩，获得相应的学分。

2.4 结合工程教育模式推动校企合作的教学方式

工程教育最早由美国麻省理工、瑞典皇家工学院等四所大学提出并实施，其核心是以产品生命周期上的四个环节——构思、设计、实施和运行代表四个教育和实践环节，将学生培养成工程人才，而培养工程人才的定位最终要落实到培养过程之中，为此要做好实践教学、能力培养、产学合作、创新教育和特色发展五个方面的工作。

为了确保学生所学能够跟上社会潮流所需，需要成立校企合作技术研究小组。根据单片机系统设计内容广泛、课时少、工程性强的特点，理论教学采用对基本理论、知识点进行精讲，对大信息量采用讲座式多媒体教学方法，让企业参与学生技术研究小组，企业可以为学校竞赛提供开发平台，为学生提供实习机会，而学校可以为企业输送单片机系统方面的人才。在课程考核的实践环节，由企业给出课题，让学生所经历的项目真正是企业所需。

3 结语

在飞思卡尔竞赛的推动作用下，各种教改方法在单片机课程中灵活运用，极为有效地提高了教学效果。改进的教学模式适当地减少了理论课时数，重复的课程得以减少，大大提高了实践动手环节。从对两届学生的教学效果来看，学生的动手能力得到了大幅的提高，竞教结合的方式让我校学生在飞思卡尔智能车竞赛、全国大学生机器人竞赛及大学生电子设计大赛等竞赛中屡获佳绩，获奖率逐年提高。学生通过新的课程开阔了视野，改进是合理、成功的，符合新时期培养工程人才的需求。

［1］张晓冬，苏玉玲，李继光，等.以智能车竞赛为依托提高学生实践创新能力探索［J］.职业教育研究，2014（1）：125-127.

［2］吴爱萍，盛党红.应用型本科院校单片机原理与应用课程教改探索［J］.中国现代教育装备，2010（11）：69-70.

［3］谭明.高校综合性设计性实验的研究［J］.湖南科技学院学报，2010，31（12）：140-141.

［4］张小岗，秦玉军.研究性实验教学项目创设及实践［J］.实验室科学，2011，14（1）：37-39.