高职电子信息专业单片机应用开发课程教学探讨

陈又圣，陈煜，管明祥，崔英杰

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172）

高职电子信息专业单片机应用开发课程教学探讨

陈又圣，陈煜，管明祥，崔英杰

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172）

单片机应用开发课程是高职电子类专业的一门核心课程，本文结合电子信息专业的特点以及单片机课程的教学实践，探讨了目前单片机应用开发课程教学过程中存在的问题和不足，并从课程的教学目标、课程内容、课程教学模式、师资队伍配备和教学方法等方面探索了单片机课程的教学改革，以适应技术的发展和培养学生的主动学习和工程项目开发技能。

单片机应用开发；电子信息；高职

单片机应用开发课程是高职类院校电子信息类、应用电子类和通信类专业的专业支撑课，对于笔者所在的电子信息专业来说，该课程是学习后续的像ARM开发等的基础课程。随着科学技术的发展，出现了计算能力更快、控制能力更强的各类DSP芯片和ARM/OMAP芯片，以及特定功能的专用芯片，但是单片机课程并没有被淘汰，一方面是因为在电子产品应用中本身包含高端芯片和中低端芯片的应用，另一方面是因为单片机应用开发及编程技术作为基础课程，是学习其他高级芯片编程的基础。

随着电子产品技术的日新月异，计算机和智能手机的普及和广泛使用，单片机课程教学也面临着如何适应新技术特征及学生独立学习的需求问题。技术的发展要求我们不仅仅讲授单片机的基础知识，还需要结合技术的发展提高学生思考和分析能力，而智能手机和网络技术的广泛应用则为单片机网上课堂和学生碎片化课程学习提供了条件。本文结合笔者近年长期从事单片机应用开发的课程教学经验、指导学生参加电子产品制作技能大赛和资源库建设的经验，对单片机课程的教学目标、课程内容、课程教学模式、师资队伍配备和教学技巧等方面探索了单片机课程的教学改革进行了探讨。

1 单片机应用开发课程教学实践的现状分析

针对目前单片机应用开发课程教学过程中出现的问题，近年来已有很多教学工作者进行了分析和探讨[1-4]，包括课程技术面较广而教师技术积累不足、实践教学中硬件设备的缺乏、选用的项目没有及时根据技术和市场需求进行更新、实验时间安排的灵活性不够、课程考核模式的不合理、教学方法简单化等问题。笔者结合近几年讲授单片机理论课程和实训课程的经验、指导电子产品系统制作技能大赛经历和单片机系统开发经验，对目前单片机应用开发课程教学中存在的不足分析如下：

1.1 教学内容更新不足，不能及时贴近技术和产业的发展

在高职学院开设的单片机应用开发课程中，采用的教材为通用型的单片机教材，讲授的知识较为陈旧，没有依据学生特点修改和完善教材内容。部分专业采用的是校本教材，在一定程度上适应了本校学生的学习水平和能力，但教材内容本身也只是沿用普通教材的教学内容，只是进行了内容的筛选，去掉部分过于复杂的内容，其教材内容本质上没有太大差别。另一方面，同一个技术可以用于不同方面，但实际在教学过程中，同一个技术的教学则多年都是用同一个例子或者同一个实验案例，技术跟随相对不足。

1.2 教师队伍的工程背景欠缺

在高职学院开设的单片机应用开发课程中，担任一线教学的有十年以上的具有丰富教学经验的老教师，也有新引进一两年的博士毕业的年轻教师。在老教师队伍中，有高校获得学位后直接进入高职院校进行教学的，他们欠缺工程实操经验。也有从企业转过来的，但已经多年没在企业一线，贴合现代发展和产业新需求的工程经历欠缺，他们所掌握和讲授的知识略有陈旧和过时。对于新引进的高校博士毕业生来说，他们更缺乏工程技术背景，他们在博士期间的研究课题一般是“高大上”的前沿领域，并不是高职教学中的实用型应用性技术。近年来高职院校所招聘的年轻高校教师中也有部分是从企业转过来的具有博士学历的人群，在提高教师队伍工程技术背景方面有较大提高，但在企业工作的博士所从事的往往是在很细很小的领域发力，以前沿创新和单点做到极致为目标，因而对工程技术的掌握方面并不全面，对单片机应用开发的工程教学方面存在不足。

1.3 教学手段单一

以往的单片机应用教学教学手段以课堂讲授为主，实验不足。今年来高职院校得到国家和省市方面的支持和大量投入，建设了很多新的单片机实训室，单片机的实验教学比例提高，对提高学生实操能力有较大帮助。但也存在问题，一方面是教学学时本身有限，仅限在课堂进行理论教学和实训室的案例教学，学生掌握的内容有限，更重要的是不能提高学生们课后学习的能动性和分析探索技能。实训室建设周期长，引进的设备需要经过招投标等各个复杂环节，等建设好了部分设备已经过时。另一方面，处于设备使用的要求和经费的限制，实训室安排的实验项目并不能及时更新，同时也受空间和经费的限制，实验项目不足。

1.4 教学内容不足和重复并存，资源库建设及碎片化资源应用欠缺

单片机课程分布在不同的专业，比如电通学院和机电学院也都有单片机应用开发的课程。高职院校里每个学院自己选用教材或者独自编写校本教材，一方面选用的课程实验和案例不足，尤其对于年轻教师来说，企业产品开发经验不足，单片机实验项目储备少，在实际单片机课程教学中课程内容较为贫乏。而另一方面，同一个学校不同学院和不同专业开设相同的课程并分别展开课程建设，建设内容有较大的重复性。而在同一个学院或者一个专业的内部，讲授单片机课程的教师群体本身共享不足，互相都有一定的保留，尤其是平时积累的实验教学案例和程序例子，因此会在实际教学中存在内容不足和重复两方面并存。目前在资源共享方面在国家层面有教学资源库和网络课程的开发，在高职院校本身也有若干校级支持的教学资源库开发，但对单片机应用开发的资源库建设支持不足，学院校级教学资源库和省级的教学资源库目前仅限于几个专业群，单片机应用开发课程的教学资源库的建设目前还没有进行和相应的规划。

1.5 教学设置和实施上与技能大赛及企业需求及新技术结合不足

目前单片机应用开发的教学设置和实施上以讲授基础知识为主，实验教学和实训教学上的案例也仅仅是仿真课本上的基础知识点，与产业的应用需求结合不足。同时，近年来部分院校在讲授单片机课程时采用了边讲授理论知识边进行硬件实验操作的方式，对加强学生对硬件系统的学习和编程学习有较大的作用。然而，这种单片机课堂试验普遍采用固定的单片机开发板或者单片机实验箱的方式，硬件系统的各个模块已经设定好，学生难以在硬件设计和分析上得到学习。由于单片机开发板及各个外围接口是现成的，学生主要是基于开发板进行简单的编程，比如实现跑马灯、数码管显示、定时器实验和接口控制实验等。这种方式限制了学生的主动性和创新性，不能根据实验需求来选用芯片和器件，不能结合硬件来对编程进行优化，与产业应用及未来从事单片机相关工作的岗位能力需求不匹配。另一方面，今年来高职类院校开展了单片机相关的技能大赛，也参加了市赛、省赛和国赛等赛项，如电子系统制作技能大赛等。但由于单片机平时课堂学习的内容和实验实训教学内容和具体产品设计离得较远，也没和技能大赛的部分内容结合，导致在遴选优秀学生参加技能大赛存在困难。同时，即使遴选了部分有兴趣且基础扎实的学生参加像电子系统制作等单片机相关的技能大赛时，他们还欠缺较多系统综合设计能力和发现问题解决问题能力，赛前不得不进行大量的基础培训。因此，单片机课堂教学和实验教学与实用的产品设计和技能大赛结合不紧密会产生系列问题，不利于培养实用型人才。

1.6 课程考核方法单一，实验考核评价粗糙

单片机应用开发是一门应用性较强的课程，不仅仅要学习必要的理论知识，也需要培养硬件设计和软件编程的技能。因此，单片机的课程考核不限于理论的考试。近年来，学院在像单片机应用开发等实践性较强的课程考核考查上探索了理论考试以外的考查模式，结合了理论考试、平时考勤、实验考察等综合评分方式，在单片机考核上进行了有益的探索。但是，虽然课程考核增加了几个模块，但在细节实现上和有效性上存在一定的问题。首先的理论知识考核，理论考核一开始是开卷考试，这种方式可以减轻学生死记硬背的负担，但存在考场管理上的问题和部分学习较好同学成绩区分度问题。有的学生掌握扎实理论和编程知识，编程几乎不用参考书，编程上也有创新，但开卷考试会导致不甚了解的学生仅仅是简单模仿书上的例题，成绩高低的含金量存疑。近年来开始在单片机理论考试上采用闭卷的方式，但由于高职院校学生普遍基础较差，考前不得不进行重点复习，甚至直接筛选出考点给学生，这样学生又回到死记硬背的老路。对于实验考核评估来说，出发点是好的，但存在适用性问题和可实现的问题。一方面一个班四五十人，如果每个学生所设计的硬件和编写的程序都细致评分的话，不仅仅占用大量的课堂时间，也导致课堂给学生现场解答技术问题的时间和精力不足。另一方面，实验考核普遍存在作业抄袭的识别问题。在所收集的学生实验作业中会发现，很多学生设计的电路图和编写的程序是雷同的，往往一两个学生完成实验，则突然其他学生也大量提交作业。在实训室中可以通过限制网络连接等方式来缓解部分程序潮汐的现象，但U盘传递和智能手机的拍照和移动数据传输等方式无法在一般课堂上有很少的限制。因此，单片机课程上的多模块考核方式虽然出发点很好，但有效性和具体实施方式有待探讨。

2 高职院校单片机应用开发课程的教学探索

2.1 紧跟技术发展和近期热点需求，及时更新教学内容

单片机应用开发作为一门基础课程和通用课程，课程本身的知识框架和体系是基本不变的，但这并不代表课程具体内容讲解上一成不变。单片机的课程需要紧跟技术发展和近期热点需求，并及时更新教学内容，也就是课程讲授上技术知识点不变，但在具体应用场景变换系统需求和设计方法。例如，现在很热的共享自行车，可以在依据这个需求来模仿并安排相关的实验案例。对于和课程相关性不大的，比如扫码或者射频识别等过程，可以提前实现好，留有部分和单片机课程有关的功能给学生实现。当然，具体实验案例筛选上可以增加功能，比如要求用单片机控制开锁、液晶显示、接入温度传感器实时现实骑行时的室外温度等。单片机课程课程教学尤其是实验教学贴近近期相关的产业背景，提高了学生的应用技能和产品分析和设计技能。

2.2 引进具有工程技术经验的在编教师和兼职教师，加强教师队伍的下企业培训

针对高职院校中存在的教师团体中产业背景不足的问题，一方面在编制和学历等硬性条件允许的前提下可引进部分在企业有一线工作经验的工程师到学院任教，并担任单片机课程教学的在编教师。如果编制或者学历等要求不满足的话，可以考虑加强相关领域的工程师来本专业讲授单片机的课程，并重点结合他们工作的领域讲授新颖和应用性强的实验案例，同时让部分工程背景不足的教师随堂听课。另一方面，技术的发展很快，教师们的知识和技能也面临落伍的问题，因此对于在编的教师也可以加强单片机相关领域和电子系统设计等领域的下企业培训。教师通过在相关企业培训或者参与工程项目的具体设计和实施，有助于电子专业相关教师紧跟技术发展并及时更新单片机课程内容和实验案例。

2.3 教学方法多样化，融合仿真教学、网络教学和移动互联方法

在单片机应用开发的教学上，不仅仅采用常见的课堂讲解和实验操作等方式，还需要融合仿真教学、网络教学和移动互联等教学方法。仿真教学的方法包括使用Proteus等软件来进行硬件系统的仿真搭建并植入keil的程序来调试所编写的程序，具有直观性、便利性和成本低等优点，尤其是在课程前期教学上可重点进行仿真教学和部分小案例的仿真实验。网络教学主要是使用学院的网络课程平台，不仅把课程教学资料和参考案例放置在网络平台上，还可以在线解答学生疑问。而移动互联的教学方法则是基于目前学生们绝大多数都拥有智能手机的条件下，可开发部分适合手机测试和学习的实验案例，同时把部分课程内容放置在手机上。

2.4 进行单片机应用资源库建设，碎片化资源应用开发及案例库的建设和共享

针对单片机课程教学的内容更新不足、案例资源有限以及充分利用学生零碎时间学习的需求，可以电子群专业为载体进行单片机应用开发的教学资源库建设，进行课程资源细分开发和案例库的建设和共享。一方面，单片机教学实验案例不足，尤其是新颖的具有产业应用背景的案例缺乏，可以通过资源库的建设形成大量共享的电路图、程序例程、案例库等，而同一个学校可能不同学院也有开设单片机课程，可根据专业需求适当筛选，以更适应学生学习的需求。另一方面，单片机应用开发的课程教学本身的学时有限，资源库建设应着眼于适合学生课后学习时间和碎片化的空余学习时间的需求。因此，单片机应用开发的资源库开发可小型化和碎片化，包括把知识点细分、电路设计图细分和程序模块的分析，同时资源库建设中的教学视频也以短为主，实验案例库进行拆分以及平时的训练题库也按知识点进行拆分和设计。

2.5 把电子产品系统制作等技能大赛部分内容引入教学实践中

我们学院在近年来电子产品系统制作等相关的单片机技能大赛中有完善的参赛团队和富有经验的指导教师。电子信息教师队伍中参加的技能大赛获得国赛、省赛和市赛多个奖项。为了提高学生实用性技能、解决新问题的能力，同时也为以后的技能大赛潜在的学生进行技能训练，可以在单片机课程内容的设计和具体实验案例的选择上融入技能大赛的部分内容，并在教学实践中适当增减。在引入技能大赛内容到单片机教学中，需要注意和课程讲授的知识点的结合，同时可以适当修改来让实验项目更具有可操作性和可理解性。例如，单片机课程中学习了数码管、液晶和接口等知识后，可让学生设计一个教室考勤系统，学生通过刷卡可以在系统上显示考勤信息，而刷卡部分则可以购买现成的读卡机。通过具有现实应用价值的系统设计并融入技能大赛的部分内容，不仅培养了学生能力，还可以便于学生生活化的理解项目本身并基于实用需求进行系统的完善。

以2016年广东省高等职业院校技能大赛高职组广东省选拔赛“电子产品设计及制作”赛项为例来说明单片机引入课程教学的方法和具体实施。笔者指导学生参加该赛项并获得广东省一等奖，因而对结合单片机课程教学方面有较多思考。该赛项需要设计并实现一个教学智能考勤系统，采用了STC89C52、STC12C65A60S2单片机以及RFIDRC522读卡器和NRF24L01收发模块，1602液晶屏，12864液晶屏，可以实时传输数据。其中，电路原理图设计部分和程序部分可结合单片机课程教学。就具体内容来说，单片机课程里的4*4按键的实现是一个重要内容，而融入该赛项则需要实现一个类似的4*4按键，只是按键功能更为复杂，如图1所示：

图1 技能大赛中结合课程教学的4*4按键开关

在我们单片机教学中，典型的例子是16个开关依次控制数码管显示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E和F。这个例子是需要在课程中首先讲授并演示的，然后在学生自主案例实验中，要求把按键功能按技能大赛的部分显示功能进行修改，不仅仅是一个按键对应一个数字或者字母，而是带翻页键和切换键，需要让学生思考更为复杂的判断语句、分支语句及数码管显示等问题。

同样，技能大赛中所用到的LCD、串口等内容，也是用类似的结合课程教学的方法，即先演示单片机中LCD和串口的相关例子，然后融入赛项中的LCD显示课表和串口通讯进行拓展训练。

2.6 教学与生活联系起来，提升学生学习的兴趣

单片机其实在生活中的应用很广泛，比如电饭锅、电风扇、遥控器等大量生活电器涉及到单片机课程的知识。在课程讲授的每个知识点时，尽量结合生活电器中所用到的单片机技术，例如，讲授到按键开关时，可以结合风扇中不同按钮可以提供不同的风速的功能，在具体实现中，可以让学生用电动机来模拟风扇的转动，不同转速代表风扇不同按钮下的功能。在实际安排的单片机编程实验中，可选用一款具体型号的风扇让学生查询并模拟编程实现其功能，例如，选用常见的型号为FS40-13ER美的风扇为原型，模拟实现其9种风量选择。而当单片机课程学习到定时器的知识点时，可以结合生活中的智能电饭锅来实现其功能。智能电饭锅其实是通过设置不同的加热功率和时间来实现不同的烹饪模式，例如美的FS406C电饭锅有标准煮、超快煮、精华煮等8种模式，并且有时、分按钮来设置预约时间。在安排定时器实验时，可以该电饭锅为原型，用定时器实现不同按键对应不同的定时器值，并可实现时间的设置。同时，要求学生在模拟该款电饭锅中时间设置时，通过数码管来实现数字的显示。单片机课程教学通过与生活电器的应用来结合，有助于把枯燥的知识生活化、实用化，而且所探讨的例子是生活中常见的，对提高学生学习单片机课程的知识和具体技术有较大价值，也有助于激励学生独立思考和模拟实现其他感兴趣的生活电器的功能。

2.7 细致设计公平有效的课程考核方式，突出考核的有效性和激励性

细致设计公平有效的课程考核方式是保持学生学习单片机课程的持续动力，在具体设计上需要突出课程考核的有效性和激励性。在理论考核模块中，笔者认为闭卷考试较为合适，基于高职院校学生普遍基础较差的情况，可在考前适当复习，但坚持不给学生原题，可以讲解类似的题型和修改题目参数，这样可以防止部分靠死记硬背但不会应用和不甚理解的学生成绩的过高，同时也不会让总体成绩过低。在实验考核模块中，为了防止相互间的抄袭，可以引入录屏的方式。录屏软件有绿色免安装版的，可以随时使用，通过在实训室内中电脑屏幕上本身有编号。进行单片机实验教学时，学生需要把电路设计和程序编写的过程完整录屏下来，而不仅仅提交最终的电路图和程序，这样可以有效防止抄袭的产生。为了解决部分基础较差学生无法独自进行电路设计和程序编写的问题，可允许学生参考别人的程序甚至模仿，但不允许直接考虑。虽然是模仿别人的程序，但基础较差学生通过模仿来进行了整个流程，包括元器件选取、元器件的连线和程序代码的每一行的输入，也学习和进步了。但为了区分程序原创和模仿，除了录屏，还进行时间登记，并向学生说明提交实验结果（包括电路图和源程序）的快慢直接和实验成绩挂钩，这样兼顾了学习好的学生的成绩区分度和学习基础薄弱学生的学习方式问题。通过在单片机理论考核模块和实验考核模块上的改进，可以形成公平有效的课程激励，促进学生积极和有效学习单片机课程。

3 结语

本文根据高职院校单片机应用开发的课程特征和目前教学过程存在的问题以及笔者多年的教学经验，提出了单片机课程教学的改革及建议。单片机应用开发课程改进要点包括：紧跟技术发展和近期热点需求，及时更新教学内容；引进具有企业工作背景的在编教师和兼职教师，加强教师队伍的下企业培训；教学方法多样化，融合仿真教学、网络教学和移动互联方法；进行单片机应用资源库建设，碎片化资源应用开发及案例库的建设和共享；把电子产品系统制作等技能大赛部分内容引入教学实践中；以及细致设计公平有效的课程考核方式，突出考核的可实现性和激励性等方面，有助于提高单片机应用开发课程的教学效果和提升学生的技能。

[1] 李斌.Protues仿真在高职单片机课程教学中的应用[J].辽宁高职学报,2016,19(1): 55-57.

[2] 王英辉,孙文福.单片机课程改革及新教学模式的研究[J].轻工科技,2017,1:138-141.

[3] 冉会中.高职教育中单片机课程教学的问题与对策[J].成都纺织高等专科学校学报,2010,27(2): 31-32.

[4] 周杰红.技工院校单片机课程教学探讨[J].教育前沿,2013,12: 104-105.

Research on course teaching of MCU application development for electronics and information technology major in high vocational colleges

CHEN Yousheng, CHEN Yu, GUAN Mingxiang, CUI Yingjie
（School of Electronics and Communication Technology, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, P.R. China）

MCU application development is a core course of electronic major in higher vocational college. By combining the teaching practice and the characteristic of the electronics and information technology major and its courses, this paper discusses the existing the problems and shortcomings in the current course teaching and process of MCU application development. It also explores the teaching reform of MCU from the aspects of teaching objectives, curriculum content, curriculum teaching mode and teachers' structure which aims to adapt the course to the development of technology and the cultivation of students' active learning and project development skills.

MCU application development; electronics and information technology; higher vocational colleges

TP368.1-4；G712.4

A

1672-6332（2017）02-0050-06

【责任编辑：羊玲】

2017-04-21

深圳信息职业技术学院第六批教育教学研究课题（项目编号：2016jgqn02）；广东省高等职业院校珠江学者岗位计划资助项目（2016）

陈又圣（1985-），男（汉），广东德庆人，博士，讲师。主要研究方向：电子信息，信号处理，电子耳蜗，医疗仪器设计。E-mail: chenyoushengtsinghua@aliyun.com