实践驱动的“微控制器”课程教学模式探索

周 波，孙培勇，马旭东，戴先中

(东南大学自动化学院，江苏南京 210096)

0 引言

“微控制器”课程是国内外理工科院校相关专业开设的一门以实验实践教学为主的综合性专业课程，其目的在于通过本课程的学习，使学生掌握微控制器的硬件结构、程序设计、系统扩展等知识，并在综合运用前修学科和本学科知识的基础上，具备初步的微控制器系统软硬件设计、开发和测试的相关技能，切实提高学生的动手能力和创新能力，为今后的各种电子设计竞赛、毕业设计、研究生科研乃至走上工作岗位从事工程实践打下良好的基础。因此，对本课程相关理论教学及实验实践活动的研究具有非常重要的实用价值和现实意义。

本文中，笔者将针对当前微控制器教学中的存在的一些问题进行深入分析和总结，在此基础上提出相应的解决办法，其主要目的是希望由此能够构建一个一体化、开放化、网络化的“微控制器”课程综合教学体系，该教学体系将课堂教学、实验教学和课外实验等环节结合起来，从课内外各个方面激发学生的“微控制器”学习兴趣，培养其实践能力和创新能力。

1 “微控制器”教学现状分析

根据笔者近几年来承担“微控制器”课程教学的经验，并通过对曾选修过本课程的学生的后续科研和工作情况的跟踪调研，发现该课程结束后大部分学生并没有真正掌握微控制器应用系统的软硬件设计能力，因而无法迅速地投入进一步的相关研究和开发工作之中。通过对比目前国内外同类课程的教学现状，以及对个人教学活动的总结和思考，笔者分析造成这种现象的主要原因是目前的“微控制器”课程教学存在如下几个方面的缺陷［1］。

1.1 教学内容的缺陷

就教学内容而言，由于本门课程的综合性强，涉及的前修课程较多，要求知识面广，学生难于理解和接受;此外，微控制器产品丰富多样，更新换代速度很快，而当前教学仍以C51为主，对于其他实际应用中常用的PIC、AVR、MSP430等单片机和后续嵌入式系统介绍不足，导致教学内容陈旧，又没能根据当前技术发展现状及时调整和合理编排;这些都成为制约学生将所学习的知识直接用于实践的原因。

1.2 教学方法的缺陷

就教学方法而言，现有的“微控制器”教学大多采取“原理—编程—部件—扩展—案例”的模块化教学方式，先理论后实践，没有强调所学内容的应用背景，导致学生因没有直观感受而难以入门，只能被动地接受对特定课程知识的验证和巩固，此外，教学手段单一，没有对内容进行整合，缺乏鲜活的案例，致使学生所掌握的知识点零散不成系统，与实际脱节，无法达到在实践中灵活应用的效果。因而无法激发学生的兴趣。

1.3 实验环节的缺陷

就实验环节而言，受当前实验条件限制，大部分高校的“微控制器”实验仍采用基于C51的实验箱完成，由于C51系列已是淘汰产品，且实验箱本身开发能力较弱，实验时间有限，导致学生只能按照实验指导书完成一些简单的验证性软件实验，基本没有硬件设计实验内容，更谈不上创新，从而使学生缺乏对整个微控制器系统软硬件设计过程的全面了解。

1.4 课外实践的缺陷

就课外实践而言，虽然当前面向本科学生的各类电子设计竞赛、毕业设计和科研项目等活动都需要微控制器技术的参与，客观上为“微控制器”教学提供了良好的应用背景，然而教学过程中并没有将这些环节和“微控制器”课程直接结合起来，在“微控制器”教学过程中对于课外教学环节强调不够，由于条件所限，无法通过大作业或者小设计的方式让学生自主地将所学到的课堂知识用于实践活动之中，真正以动手实践的方式增进对所学知识的了解。最后，教师和学生之间的课外沟通方式有限，也不利于教学相长。

上述微控制器教学问题的现状分析表明，当前教学模式亟需改革，必须树立以实践为导向的原则，将实践贯穿整个教学过程，构建一体化、开放化的理论、实验和实践教学体系，真正实现以学生为主体的教学相长的目标，充分发挥学生的自主性，锻炼其综合运用所学知识进行动手实践的能力和在此基础上的创新能力，以适应新时代人才的需要。

2 “微控制器”教学改革的实施措施

本文提出以实践为导向，构建一体化、开放化、网络化的新型“微控制器”教学体系，具体实施方案如下。

2.1 优化课堂教学内容

以实践为指导对课堂教学内容进行优化，并改进教学方式，使理论教学与实践教学紧密结合。整体教学安排如表1所示。

表1 “微控制器”课程教学安排

从表1可以看出，课堂教学内容分基本概念、编程基础、中断和定时器、并行扩展、串行扩展和测控系统等几个重要的知识模块展开，且课堂教学和实践环节是穿插进行的，即在讲述完某个模块的理论之后，立即进行实践教学，以达到“做中学”的目的。最后安排了综合课程设计环节，鼓励学生综合运用之前掌握的知识解决某个问题，以达到巩固学习成果的目的。

具体而言，本课程课堂教学内容改革采取的主要措施包括:

(1)根据当前微控制器发展动态重新编排教学内容，注重与前修“数字与模拟电子技术”、“微机原理”、“C语言”等课程的衔接，并适当介绍本行业的新思想和新概念，例如以基础的8位C51为教学主体，结合16位乃至32位机和常用低功耗芯片(MSP430等)的新技术，达到主流与多品种共存的目的，扩充学生的知识面。此外，可针对当前发展的热点问题(如嵌入式开发)做相关介绍，以激发学生学习兴趣，为学生就业做准备。

(2)对若干陈旧过时的教学内容进行替换，例如根据当前单片机开发应用中一般以C语言为主流的现状［2］，将传统的汇编和C语言编程并重的教学方式更改为以C语言为主、汇编为辅的教学方式，将现行教材以并行扩展为重点的教学内容按发展趋势更新为以RS232/422/485、USB、CAN串行扩展为主等等。

(3)对传统的“原理—编程—部件—扩展—案例”的模块化教学方式进行改进，实施以任务为驱动的教学方式，以提出问题并启发学生逐步解决问题的流程安排教学内容，以学生为主体，重视案例法教学的作用，注重应用背景和应用实例的讲解，使学生形成完整的微控制器系统设计知识概念。此外，为了巩固教学效果，整个课堂教学应和基本实验穿插进行。

(4)重视基本概念讲解，充分利用有限的课堂教学时间，力争讲解最重要、最难掌握的知识点和共性知识点，其它知识点则指导学生课外自学完成。

2.2 搭建虚拟实验系统

针对当前单片机应用中往往采用模拟仿真软件进行预研和编程开发的特点，在“微控制器”教学中引入虚拟实验系统，通过可视化的教学工具激发学生的学习兴趣，促进学习效果。具体而言，采用Proteus+Keil的业界流行方式搭建虚拟实验系统［3～5］，并将其引入到教学和实践的各个环节，以提高学生的学习兴趣，既降低入门难度，又能够从软硬件设计两个方面运用所学知识解决问题。此外，虚拟实验手段的应用，也为学生走上工作岗位后能够快速适应相关主流开发手段奠定了基础。

该虚拟实验系统的应用主要包括如下几个环节:①课上的案例教学通过仿真完成，以给学生更为清晰的直观理解;②课外作业通过仿真进行软硬件设计和应用训练，以巩固所需知识，实现边实践边学习的目的;③实验前通过仿真进行预研，锻炼学生自己分析问题、查找资料并解决问题的能力，并节省实验时间和资源。

2.3 建立开放式实验教学模式

鉴于目前市面上相应的单片机学习板和开发板比较多，且相关学习资料也比较丰富，另外考虑到部分学生在参加电子设计活动时往往已经购买了自己的单片机开发板，本文提出了以开发板为主、实验箱为辅的开放式实验教学模式，利用开发板易于扩展和携带的优点，解决传统实验箱实验场地固定、实验时间有限且只能进行软件验证的缺陷，便于学生课外自行学习和实践，达到教、学、做三者的统一。对于开发板的选择，可采用目前市场上应用比较广泛的MSP430或者AVR等单片机为原型，并按照厂家指导书编写相应的实验任务书，从而加大软硬件设计在实验中的比例。

整个实验教学可分为两个层次开展，一是基本实验环节，针对某个单片机功能开展软件验证实验，以帮助学生掌握单片机各部件的基本功能。该基本实验和课堂教学穿插进行;二是综合课程设计环节，引导学生从硬件设计出发综合运用所学知识独立自主地完成一个完整的微控制器开发小项目，由此强化学生的学习效果。由于当前网上单片机学习资料众多，因此可以采取不限定学生设计题目的方式，由学生自拟题目并自定设计方案，加强教师的指导作用，使学生掌握从仿真预研、硬件设计、软件设计到调试的整个开发流程，通过提出问题、调研、分析问题、解决问题和总结改进的全过程来提升学生的综合素质。

2.4 加强课外实践活动

加大课外学习实践在整个教学活动中的比例，课堂上注重要点和难点阐述，课下引导学生进行扩展阅读和实践巩固，优化教学资源。其主要措施如下。

(1)充分利用学校现有的网络资源，构建课程主页，通过网络化教学方式完善课程建设，并可由此加强教师和学生的沟通。此外可引导学生从网络上进行调研，以及在技术论坛上寻求帮助等等;

(2)采用大作业或小设计的方式丰富课外的实践活动，直接摒弃原有的课堂作业方式，并及时对学生进行课外跟踪辅导。例如可指导学生从头开始设计一个具有若干外扩和外设的单片机实验板;

(3)和其他从事相关实验教学和科研的教师合作，鼓励学生带着正在参与的电子设计竞赛、SRTP项目和其它科研项目等课外实践项目加入到课程学习中来［6～8］。另外一种方式就是直接与半年后学生的毕业设计题目结合起来，让学生提前进行相关的课题任务预研。这些手段都是教师和学生双方都非常愿意接受的教学方式，对于学生提前进入实验室进行相关科研或开发应用研究具有较好的效果，也能够进一步激发学生的学习兴趣，使学生在实践中学习，达到学以致用的目的。

2.5 确立综合性考核体系

由于“微控制器”课程自身的实践性特点，决定了其考核不能采用一般课程的理论考试方式完成。如何设计一个合理的多元化考核标准，使其具备一定的灵活性和高度的综合性，能够真实地反映学生在微控制器软硬件设计方面的综合素质和创新能力，无疑是一个迫切需要解决的问题。本文提出的课程体系所采用的考核方式拟由如下部分组成:

(1)基本实验考核:这部分由学生分组完成，考核采用通常验收和实验报告批改方式进行。在验收过程中主要是通过学生对教师所提问题的回答情况来决定基本的成绩等级，然后教师再根据实验报告对成绩进行微调。课堂实验考核占30%的比例;

(2)综合课程设计考核:这部分是由学生独立完成的，考核方式从三个方面进行:选题合理性、方案的先进性和合理性、设计质量(包括正确性、完整性和性价比)，如表2所示。本部分考核占50%;

(3)其它课外小设计和课外实践考核:根据平时布置的大作业或小设计以及学生参加的课外电子竞赛、本科毕业预设、SRTP项目和科研项目等进行考核，这部分的考核方式占20%。

3 结语

本文通过对国内外相关教学工作的广泛调研，深入分析并总结了目前“微控制器”课程传统教学方式存在的各种问题。为了解决这些问题，本文提出了以实践为导向的一体化、开放化、网络化的“微控制器”课程教学改革体系，构建了包括理论教学、课堂实验、课程设计和课外实践活动等环节在内的教学改革措施，其创新之处在于充分利用了现有微控制器及单片机技术资料易查、易仿真、设备易自备的特点，及其在各类电子竞赛、科研项目等活动中的重要地位，结合课堂教学、实验教学和课外实践等三个方面来改变当前微控制器教学严重滞后于现实应用的现状，着重培养学生的动手实践能力和创新能力，以适应当前社会发展对相关人才的需求。

表2 综合课程设计考核

［1］ 张宏伟，阎有运，王新.单片机实践教学中所存在问题［J］.上海:实验室研究与探索，2009，28(4):206-208.

［2］ 马忠梅，王美刚，孙娟，等.单片机的C语言应用程序设计(第5版)［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2013.

［3］ 周润景.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.［4］ 袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的单片机课程教学改革与实验改革［J］.上海:实验室研究与探索，2007，26(12):75-78.

［5］ 苏变玲，朱志平，袁卫.基于Proteus的单片机仿真教学的研究［J］.上海:实验室研究与探索，2009，28(4):75-78.

［6］ 王冠凌，陈孟元.单片机系列课程教学改革在大学生课外科技活动中的探索［J］.北京:中国现代教育装备，2010，93(5):107-109.

［7］ 单丹.浅谈项目化教学在“单片机原理及应用”课程汇总的应用［J］.北京:中国电力教育，2010，41(15):91-92.

［8］ 刘辉，王新辉，张文希.从电子设计竞赛看单片机实验教学的改革与创新［J］.长沙:长沙大学学报，2006，20(5):98-100.