面向工程能力培养的单片机课程教学与实践方法

神显豪+梁贵芹

摘要：当前大多数高校的单片机课程的教学模式主要还是以课堂授课和验证性实验为主，与企业的实际工程应用存在部分脱节的弊端，因此本文以提升学生工程能力为目的，分别在理论教学、实验教学以及课后指导等环节，采取相应的教学和实践措施来强化培养学生的工程能力的单片机教学方法。

关键词：单片机；教学；工程能力

1 目前单片机教学在工程能力培养上存在的问题

随着单片机在社会中的应用越来越广，企业对单片机领域的人才有较大的需求[1]。但在高校人才培养计划中，与单片机人才培养密切相关的是单片机原理及应用等相关课程，也逐步在探讨与开展“理论教学+实践教学”的单片机教学模式，并已有多个高校为单片机专门安排了专门的实验教学学时，该教学方法从一定程度上改善了学生的动手能力，但实验与工程应用相对脱节，学生并未掌握单片机系统的设计方法[2]，同时在教学过程中缺乏对学生工程概念的培养以及企业项目开发流程的指导，培养出来的学生缺少综合开发能力，与企业所需要的具有工程能力人才具有很大差距。因此，故本文探讨了一种基于工程能力培养的单片机教学方法，即在教学过程中有步驟有计划地引入企业项目开发的基本流程，并指导学生如何根据流程来开展项目开发工作，培养学生的工程观念以及工程能力，与企业的用人需求相一致。

2 单片机教学中工程能力的具体体现

工科学生的工程能力包括知识的学习与应用能力，思维判断与分析能力，工程设计与实践能力，表达与交流能力以及创造与创新能力[3]。对于单片机课程而言，注重培养的工程能力主要体现在：一是对单片机理论知识的学习及将其应用到单片机系统设计与开发中的能力；二是可根据单片机系统需求说明书，结合单片机理论知识，设计出符合工程需求的单片机系统的能力；三是在前期积累基础上的升华，对专业知识的融汇贯通，并可在系统的设计与开发中，具有优化系统的能力—创新能力。

3 单片机教学中培养工程能力的具体措施

我校电子信息专业在第五学期开设《单片机原理与应用》课程，该课程特点是硬件与软件并重，理论与应用相结合，同时还涉及多个学科，信息量大且课时少[4]。根据单片机课程的特点，结合我校电子信息专业学生从前期已学习课程而具有的知识储备（前期学习储备课程详见表1），以及单片机的教学与实践，同时从课堂理论教学环节、实验室的实践教学环节以及课后指导环节，采取相应的措施来培养学生工程能力。

（1）理论教学环节工程能力的培养

通过改变教学策略—将传统的以教为主的理论教学模式，转变为教-学-做一体的教学模式，增强学生知识的学习与应用能力，提升实际工程问题的分析与解决能力。

在教学过程中，除了教师对理论知识的讲解，并引入相关案例，使学生加深对知识的理解外，还引导学生如何自己着手来设计具有一定功能的单片机系统。促使学生有效融入本课程的学习，提升动手能力以及创新能力。具体实施步骤如下：

首先，在课堂教学初始阶段，可结合单片机系统在我们实际生活中的一些应用实例，同时通过讲解应用实例中的单片机系统的开发步骤，并引入企业单片机应用系统开发的流程（详见图1）。使学生对本课程有一个较为全面的认识，了解本课程的学习方向以及今后的就业方向，减少职业陌生感，提高学生学习兴趣。比如在讲到单片机内部机构，引脚以及单片机硬件系统时，除了结合单片机实际应用案例进行深入分析之外，鼓励学生在课后就自己自主搜集感兴趣并已应用在实际中的单片机系统的资料，了解该产品的需求说明书，以及企业如何根据需求对该产品进行设计，使学生对单片机系统的具体应用与设计过程有较为深入的了解，也对从事单片机系统设计这一方面的工作有直观的了解。另外，还鼓励学生将之前在《电子系统仿真技术》中关于protues软件平台的使用知识，以及在《电子电路工程实践》中学习的如何制作与调试PCB板的知识，与在本门课程中学习的单片机系统知识进行融会贯通，积极动手设计单片机硬件系统，并在protues上进行单片机系统的仿真，增强对单片机系统硬件的理解，特别是整个硬件系统的工作机制和如何根据所设计的硬件系统的需求，来设计符合系统硬件性能的单片机系统。

其次，在课堂教学时，除了遵循教学大纲教学要求外，将企业单片机项目开发的实际使用的技术，与本课程所学知识进行对比讨论，并在对在企业工作所需的，但在教学大纲中未涉及或涉及较少的知识，进行有效补充。比如在讲到指令系统、汇编语言程序设计时，可补充如何使用keil软件来开发单片机系统的软件，以及如何在keil中验证自己所写的代码是否正确，并可通过单片机内部寄存器和单步执行来查看一下执行一些指令过程中，寄存器内部信息的变化，使学生更为深入了解单片机指令系统，指令系统的工作过程以及汇编语言的程序设计与运行过程。另外由于汇编语言本身的局限性，目前企业在开发单片机系统时，普遍采用单片机c语言，为了学生知识可与企业需求同步，在教学中结合学生前期所学的《c语言程序设计》课程，指导学生如何将c语言与单片机系统软件设计结合起来，引导学生采用单片机c语言来开展单片机系统的软件设计，并在实践课上进行运行验证，实现知识的融会贯通。

（2）实践教学环节工程能力的培养

目前我校单片机实验教学学时仅为为12学时，在后续的实践环节，考虑到各个学生对课程知识的掌握程度不同，在单片机实践教学环节采取验证实验与自主设计相结合的方式来开展实践课—实验教学环节采用验证性实验和自主设计性实验两个部分来构成，加强学生的工程设计与实践能力。

验证性实验环节在实验箱上进行，且实验项目具有完整的实验程序源代码，相对于之前的学生只需单纯地对实验代码进行运行，观察实验箱对应的硬件之外，学生还需要根据教师的要求，对代码进行相应的修改，并能清晰说明整个代码的运行流程以及修改依据，有效锻炼学生分析代码的能力以及表达能力。

自主设计实验环节仍然是在实验箱上进行，但教师在上相应的实践课之前，需要对该次课所用的源码进行有效梳理，删减掉一些功能性代码，同时对需要学生自行增加的代码，提供必要的注释，提前提供给学生，使学生能有较为充裕的时间来复习理论知识，并可充分思考如何解决实践课的问题。这样，学生不仅能更深领会该实践课要实现的系统功能，并能在通读已经提供的代码和结合系统功能，对缺少的代码补充完整。可有效锻炼学生读写程序的能力，还有解决问题的能力。而且在上实践课时，学生是有备而来，可以尽快地投入到实验中，如果有深思已久，却仍然无法解决的问题，可与老师一起探讨如何解决问题，直到问题解决，增加学生成就感的同时，还可以提高学生分析与解决问题的能力，促进师生的沟通与交流，提高学生的表达与交流能力。

（3）课后指导环节中工程能力的培养

通过加强《单片机原理与应用课程》与电子信息专业实践教学环节相结合，可有效弥补单片机课程本身信息量大但课时偏少的问题。本专业第2学期开始，陆续开设了认识实习（第二学期）、电子电路工程实践（第三学期），对后续的单片机学习提供了相关的知识储备，并与单片机课程开设的同一学期，开设了智能电子仪器设备设计与实践，学生可参考单片机课堂上学习的单片机系统设计流程来开展实践环节的智能电子仪器设备的需求分析与软硬件的设计，同时，在该实践中对于具体产片的硬件设计与制作，数据采集过程中的A/D，D/A转换，以及数据显示等部分内容，可帮助学生在单片机学习过程中，对单片机硬件系统，A/D、D/A转换接口、显示接口的理解，并通过该实践，学生可根据产品的需求，对产品功能以及性能的實现方式有极大的自由，学生可根据自己的想法以及对当前产品资料的查阅，然后对需要设计的产品进行自主创新，提高学生的创新能力。同时第五学期学习的单片机课程知识以及工程能力，可很好地服务于第六、第七学期开设的电子系统设计创新与实践、先进电子制造实践与生产实习，乃至学生最终的本科毕业设计。

4 结语

通过在《单片机原理与应用》理论教学、实验教学以及课后指导三个环节加强学生工程能力的培养，学生不仅可以更好地掌握理论知识，还可以将理论知识有效地运用到具体的单片机系统的分析中，同时在设计具体的单片机系统时，不再忙乱无章，而是有意识地根据单片机系统开发的基本流程，来逐步开展系统的分析与设计。学生的工程观念以及实际工程项目开发能力显著提高，同时增强学生对未来就业的信心，为将来的就业打下一定基础。

参考文献：

[1]何新洲，肖学玲.任务驱动教学法在单片机教学中的应用[J].湖北成人教育学院学报，2011（11）：128-129.

[2]吴定会，纪志成.单片机原理与应用课程教学的改革与实践创新[J].江南大学学报（教学科学版），2008，6（28）： 68-70.

[3]，祝海林，张炳生，胡爱萍等.工科学生工程能力培养体系的探索[J].江苏工业学院学报，2008（4）：69-73.

[4]金红，蒋存波.单片机课程教学的探索与实践[J].电气电子教学学报，2013，35（2）：44-46.

基金项目：广西高等教育教学改革工程项目（2014JGA148）