微课与工程案例相结合的单片机课程教学改革研究

吕 燚，刘 伟

微课与工程案例相结合的单片机课程教学改革研究

吕 燚，刘 伟

(电子科技大学中山学院 计算机学院，广东 中山 528400)

单片机是嵌入式及物联网专业的一门专业基础课，其教学效果将直接影响学生的动手能力和专业自信。由于该课程知识点多、应用场景繁杂等特点，学生学习难度较大，教学效果不理想。针对该教学现状，分析了单片机课程教学及当代学生学习的特点，该文阐述了将工程实践案例和微课程相结合的单片机课程教学改革模式，以工程案例突出知识运用，通过微课加强基础知识的学习，通过考核方式改革和学科竞赛强化能力培养。实践证明，该方法能够有效提升学生的学习兴趣，教学效果明显改善。

单片机；微课；工程案例教学；学科竞赛

物联网是计算机、电子、通信、控制等学科的交叉领域，在实际生产、生活中应用十分广泛，社会对物联网方向应用型人才的需求量相当巨大。同时物联网专业方向是多学科的融合，在实际应用过程中所需知识面较广，知识点繁杂，缺乏一以贯之的知识主线，这也对教学工作提出了更高的要求。目前高校相关专业方向人才培养在数量和质量上都无法满足社会需求[1-3]。

单片机开发技术是物联网方向人才的重要专业技能，是进行物联网开发的基础，单片机课程在物联网应用型人才培养中占有举足轻重的作用。单片机课程作为嵌入式及物联网专业的一门专业基础课，它既是对前面先修课程的综合，也是掌握后续专业课程的基础，其教学效果将直接影响学生的动手能力和专业自信。单片机开发技术需要综合运用多个相关学科的知识，是提高学生动手能力、创新能力和知识运用能力的重要一环[4]。

1 单片机教学现状

目前的单片机教学大都是沿用了类似大学物理、电工基础等课程的教学模式——讲解一个基本模块，然后在实验过程中通过实验验证该模块的工作过程[5-6]。多数仍停留在了解模块工作原理和做一些验证性试验的层面上，这就使一门应用性很强的课程与科研实践完全脱节了。同时在课时分配上同样存在重理论教学，轻实践过程的问题，通常理论课和实践的学时比达到三比一，甚至四比一，实践环节不足，不能学以致用，无法充分调动学生的积极性。此外，由于单片机课程需要融合多学科知识，学习难度客观上比较大，这就导致学生对单片机课程学习普遍有畏难情绪，学习兴趣不浓厚，教学效果不理想[7]。这给物联网专业后续专业课的学习增加了很大的困难，并直接影响到学生的专业认同与专业自信。

2 单片机课程教与学的特点

2.1 单片机课程特点

单片机是单片机微型计算机系统的简称，其本质是在一块芯片上集成了一套微型计算机系统，将其 “嵌入”到传统产品中，可以大大提升产品的性能[8]。可见，单片机开发首先是面向应用，以应用为中心的；其次开发过程中需要集合电子、控制、通信等多学科的知识[9]，因而在单片机教学过程中教师需要讲授的知识点多，应用场景纷繁复杂，没有一以贯之的理论或方法，需要根据实际应用需求增补多学科的知识。这样一门课，如果仍然采用先逐个介绍知识点，然后做验证实验的方法，势必严重打击学生的学习兴趣。

2.2 单片机课程学习的特点

单片机系统根据应用场合的不同，外围电路和控制思想差异很大，需要学生综合运用相关先修课程的知识来解决实际问题[10]，而由于学生还没有开始综合能力的训练，因而会给学生造成学习难度大，无从下手的感觉。

单片机课程是面向应用、立足实际应用的，在学习了单片机内部资源的基础上，重点掌握运用单片机开发实际应用系统的技能[11]。对单片机内部模块的掌握，以及单片机编程能力的提升应该是螺旋式上升的学习过程，不能一味追求先打好基础，再开始将知识应用到实践中去，而应该学习、实践、再学习、再实践，在实际工程应用过程中不断加深对单片机的认识，逐步提高开发能力。

2.3 当代学生的特点

随着社会的发展，当代学生的学习习惯相对于10年前的学生已经发生了巨大的变化，特别是非重点院校的学生，学习习惯、自我约束能力较欠缺，很多学生上课第一件事就是想弄清楚这门课有什么用。如果不能很好、很生动地回答这个问题，可能还没有等到展示课程应用价值，学生已经不自觉地削减了学习的动力和兴趣，甚至有些学生面对繁杂枯燥的知识点，已经产生反感情绪。

3 教学改革

基于以上现状，本文提出了将微课和工程案例相结合的面向实际应用的教学方法。从工程案例入手，采用逆向的教学过程，首先让学生明白单片机的应用价值，介绍实际工程案例；然后在讲解应用项目过程中引入各个知识点。针对单片机开发过程中知识点多、应用背景知识繁杂的特点，引入微课程视频的方法，利用碎片化学习解决学生在实践开发过程中知识点的补充学习，增强学习的目的性和实用性。

3.1 教学内容从 “应用”中来，到 “应用”中去

理论教学过程分为提出工程问题、分析解决思路、工程方案介绍、讲解模块工作原理、教学反思等过程，将实际应用问题分解为知识点。实践教学和理论教学密切联系，先模块实验，然后综合实验，完成应用案例的实验设计并进行改进和优化。教学内容来源于实践项目，使学生对知识点的学习兴趣增强，同时由于背景知识的介入，学习效果也大大改善，最后实践教学过程中的知识训练回归到实践应用中去。

工程教学案例的选取是本教学改革中的重点，案例既要包含基本的教学知识点，又要有一定的想象空间，让学生既能运用学过的知识，又可以创造发挥，同时还要尽可能地贴近生活。教学过程中应注重举一反三，触类旁通，类比学习的效果，在一个典型案例之后，提出新的控制要求，强化知识横向学习训练，提高知识运用能力。

3.2 工程案例和微课程有机结合

以工程案例为导向的实践教学方法对增强学生知识运用能力和建立专业自信效果显著，但是在教学过程中发现该方法仍然存在需要改进的地方。目前大部分高校的教学安排上，理论学习和实践教学仍然是分离的，先在教室开展理论教学，然后去实验室完成实验环节，由于实践环节完成一个工程案例需要掌握的知识点和方法较多，经常出现学生面对实验环节对前面讲授的知识点概念不清晰、方法不明确等现象，在实践过程中如果遇到问题就会大大拖延实验进度，有时甚至因某一个问题导致实验卡壳，而此时学生又无法全面地回顾相关知识点的讲授过程，实验进度慢，效率低。为此我们尝试将知识点进行归纳分类，采取课堂录像记录与课后屏幕录像记录互相补充的形式来制作针对单个知识点的微视频，配合现在的智能手机，无论是学生在实验教学环节还是在课后的实践创新环节，可以随时针对某个具体内容进行针对性地学习。通过微视频的教学形式，在不对当下课堂教学形式做巨大变革的前提下，有效地推进了实践教学环节的进度，提高了效率。更重要的是，这些教学资源可以应用于实践创新、学科竞赛等环节，很好地为学生创造了有针对性自主学习的环境[12]。

3.3 以应用能力为宗旨的全面考核方式

考核方式是教学过程中非常重要的一个环节，一方面要考核学生的知识掌握情况，更重要的是合理的考核方式可以激发学生的学习动力，夯实教学效果。

要真正科学全面地考察学生单片机设计开发能力，通过考核促进学生知识运用能力的提高，我们在教学改革中逐步摒弃单纯的笔试考核，采取笔试、综合课程设计与创新实验相结合的灵活多样的考核形式。对于基础知识、概念、常用算法等必须清楚掌握的内容采取闭卷考试，以此激励学生强化对单片机开发基础概念的掌握，这部分内容占总成绩的35。对于软件、硬件总体设计能力的考核应该采用开放的综合课程设计的方式，以最终设计作品和课程设计报告作为最终考试标准，占总成绩的65，在各环节学生可以综合运用图书、网络等资源，设计电路，调试程序，最终完成设计目标，主要考核学生的知识运用能力和综合能力。此外，为了鼓励学生的课外开展学习实践，我们增设了创新实验内容，这部分为学生自主选题，自主设计，最后汇报设计作品，在考核过程中主要以加分的形式呈现，这部分内容不能要求每一位同学都参与，从3年的教学实践来看，如果有三分之一的学生参与自主创新项目就可以极大地改善整个班级的学习风气和学习效果。

3.4 实践教学硬件平台建设

为了配合课程教学内容，我们重新设计了一套面向工程案例教学的实验平台。该实验平台最鲜明的特点是与课程教学内容紧密结合，首先保证能够支撑所有教学案例的实验，其次为了突出灵活性，将核心模块和外围模块分离，并且外围模块可以任意增删，为学生自主创新项目、课程设计和学科竞赛提供了较好的硬件基础。核心模块的I/O口全部引出，方便学生在创新实验中将核心板完全融入设计作品中。目前已经形成了AVR、STM32、STM8的3款核心模块，各种传感器、驱动模块30多款，而且在以后的教学过程中将不断地增删和优化。

4 结束语

经过近3年的教学改革尝试，以工程实践为中心的教学方法已经成功应用到电子科技大学中山学院的嵌入式技术及物联网专业的单片机课程教学过程中，教学平台建设基本完成，微课资源仍在进一步完善中。由于该教学模式从理念上是根据实际应用需求设计的教学模块，以应用为中心和主线展开教学，更加贴近实际，因而学生在学习过程中，学习目标明确，学习兴趣更加浓厚，学习效果相较以前大大改善，为后续专业课的学习、学科竞赛以及就业打下了扎实的基础。

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Teaching Reform and Research of Micro-controller Unit Course Based on Micro-lesson and Engineering Project

LYU Yi，LIU Wei
(School of Computer Engineering， University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institute， Zhongshan 528400， China)

MCU is a specialized and basic course of embedded system and Internet.Its teaching effect will greatly influence the students'practical ability and professional self-confidence.It is difficult for students to learn it because of the more knowledge of the course and the application environment.So， the teaching effect is not ideal.In view of this present situation of the teaching， this paper analyzes the characteristics of this course and the current students learning，and expounds the reform method of single-chip course which based on the micro-lesson and engineering projects.Highlight the knowledge of the project case，through the micro-class to strengthen the basic knowledge of learning，strengthen the ability through the assessment of reform and discipline training.Teaching practice shows that this reform method can effectively improve the students'learning-interest，and significantly improve teaching effect.

MCU； micro-lesson； engineering project； specialized competition

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.013

2016-03-16；修改日期:2016-04-20

电子科技大学中山学院质量工程建设项目(X-YKC201705)。

吕燚(1986-)，男，副教授，主要从事嵌入式与物联网、可靠性建模等研究。