《中国制造2025》背景下单片机原理及应用课程教学改革与实践

王冬云 高春甫 马继杰

摘要：《中国制造2025》明确了我国制造业朝自动化、智能化转型的发展方向，对本科院校机械类学生机电控制方面的技能要求大大提高。单片机应用开发能力是新形势下制造业对高校毕业生的主要技能要求之一。针对我校机械类专业单片机原理及应用课程存在的大纲陈旧、课时少、实践少、教学手段单一等不足，探讨各主要教学环节的改革措施，培养学生学习兴趣，提高其单片机系统应用设计能力，尽快适应新形势下工业企业对机械类毕业生的技能要求。

关键词：中国制造2025；单片机原理；教学改革与实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）22-0141-02

一、前言

针对德国《工业4.0》，我国提出了具有中国特色的制造业发展战略，《中国制造2025》[1]明确了我国制造业遵循弥补工业3.0欠缺，追赶工业4.0发展进而实现制造强国的三个发展阶段，同时明确了制造业以自动化、智能化为发展方向。新形势下，工业企业对机械类毕业生的机电控制技能，尤其是基于单片机的自动化系统设计能力提出了更高的要求。单片机作为机电系统的主要控制器之一[2]，其原理与应用是机械类学生必须掌握的知识。针对于单片机系统应用过程中存在的不足，很多教学工作者已经提出教学改革方法[3][4][5]，就教学模式、教学内容等提出了创新性的意见。然而针对教学过程中理论与实践内容的融合问题，细化考核问题尚缺少响应的研究。针对目前我校机械类专业《单片机原理及应用》课程教学存在的教学大纲陈旧、实践环节不足、教学手段落后、考核方式单一等问题，进行了相应的改革措施探讨，以期系统提高单片机课程的教学水平，提升学生适应新形势下工业企业对毕业生的技能需求的能力。

二、教学改革措施

1.适应学科发展，优化教学大纲。随着电子技术、IC工艺的进步以及市场需求的不断变化，单片机技术已经发生了很大变化，然而目前教学大纲还与10年前相近，教材陈旧、编程语言还采用汇编语言、教学过程理论与实践分离等。使学生很难深入掌握单片机知识，即使花大力气学习，毕业后亦发现与需求脱节。新形势下，必须对教学大纲进行全方位改革，方案如下：（1）适当增加课程课时尤其是实践课时：改革后由原来的32课时（理论22课时，实验10课时）增加到48课时（理论22课时，实践26课时）；（2）优选教材：选择普通高等教育“十二五”国家级规划教材；（3）更新教学内容：重视基于C语言的单片机应用编程，以及基于Keil与Proteus的联合仿真内容；（4）细化考核：由原来的期末考试占70%，平时成绩占30%，改成期末考试占40%，实验占40%，平时作业、出勤占20%。通过教学大纲的改革，使每位任课教师、每个班级均统一按照新的方案开展教学设计，从源头上进行改革创新。

2.紧跟技术进步，丰富教学手段。长期以来《单片机原理及应用》课程教学均由两个环节组成：理论环节与实践环节，两个环节在时间和空间上分离。因理论枯燥乏味，比如寄存器、三总线、中断系统等知识相对抽象，学生很难理解。理论、时间分离的教学形式，很难短时间内做到融会贯通，教学效果有限。因此我们改革方案如下：（1）理论知识形象化：将指令中的寻址形象化为寻宝，直间寻址、间接寻址、寄存器寻址[1]等自然形象化为黄金、藏宝箱、藏宝图等；（2）理论、实践教学融合：虽因单片机实验室有特殊要求，很难理论和实践课程安排在一个教室，但现代化的仿真手段则改变了传统的模式，针对理论课程中的知识点，基于Proteus与Keil的联合仿真，完全解决了理论和实践脱节的问题；（3）采用项目驱动式教学：针对单片机的主要功能如中断、定时、输入输出、串口通讯等，每个知识点设计一个项目，要求学生3人一组，分工进行硬件电路设计、C语言设计以及Proteus仿真；（4）采用个性化实验教学：针对学校单片机实验条件有限的现状，鼓励学生根据自己兴趣从淘宝购买个性化的单片机开发板，如寻迹小车、搬运小车、四旋翼飞机等，利用开发板配套的例程进行学习。

3.注重过程管理，细化考核指标。《单片机原理及应用》课程是以实践为主的课程，然而传统考核方法确基本关注期末考试成绩，结果是学生考试前突击记忆基本概念，实践能力基本不被重视。改革方案：（1）优化成绩总评方案：期末考试占40%，实验占40%，平时作业出勤占20%；（2）细化实验考核指：将实验分成4个项目，注重考核基础知识应用、编程技能、调试技能以及总结分析能力；（3）注重综合应用能力训练：平时实验内容主要以综合实验为主，同时期末理论考核与实验考核都安排一个综合应用题，将单片机的主要知识，如最小系统、输入输出、中断、定时计数、串口进行综合。

三、教学改革效果评价

对本课程的系统改革旨在提升学生在机电控制方面的实践能力、设计能力，以适应新形势下工业企业对机械本科毕业生机电控制技能方面的需求。通过以上三个方面的系统教学改革，并经过2轮的机械大三学生的教学验证，我们发现：（1）学生对单片机的学习兴趣更为浓厚，由原来的被动式学习演变为主动购买开发板进行实践学习（图1），遇到编程应用问题会主动与老师交流；（2）经过48个学时的理论和实践，学生均能完全掌握单片机的工作原理，并能进行简单的系统设计，并制作实物（见图2）；（3）通过Proteus与Keil的联合仿真实践，增强了学生利用设计软件进行开发的能力；（4）通过细化考核，注重平时理论与实践投入，释放了学生期末考試的压力。可见本课程的教学改革基本达到了改革的初衷，提高了学生的自主学习和实践动手能力，相信对他们毕业后适应就业新形势起到了积极的作用。

参考文献：

[1]中华人民共和国国务院[Z].中国制造2025，2015.

[2]高春甫，王冬云，马继杰.单片机原理及接口技术应用教程[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3]张宏伟，阎有运，王新.单片机实践教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索，2009，28（4）：206-208.

[4]赵月静，陈继荣，张永弟.单片机原理及应用课程创新实践教学改革[J].实验技术与管理，2013，30（1）：176-179.

[5]汪万维.单片机课程教学改革探讨[J].武汉大学学报，2013，58（S2）：95-97.