工程教育专业认证背景下“单片机原理及应用”课程实验教学改革研究

张 典 庄克玉 张奇志

（青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266061）

0　引言

我国从2015年开始开展工程教育专业认证试点工作，目的是为了工程教育改革，提高工程教育毕业生的质量，同时促进该教育国际认同和提升我国工程技术人才的国际竞争力和影响力。2016年6月，我国正式加入《华盛顿协议》，这标志我国的工程教育体系得到了国际组织的认可，教育部、财政部在“实施本科教学工程”的意见指出，将明确建立自动化、测控等专业认证体系作为主要建设内容之一。因此，全国很多有工程背景的高等院校纷纷开展工程教育专业认证工作。青岛科技大学的自动化专业是山东省特色专业，培养适应现代科学技术与经济社会发展需要，理论与实践相结合，科学素质与人文素质协调发展，具备控制理论与控制工程技术的高级工程技术人才。

为契合目前专业认证的大背景，自动化专业的培养方案、课程体系、教学目标和方法、考核方式等均需要做出重大改革。本文以青岛科技大学自动化专业的“单片机原理及应用”课程为例进行工程教育专业认证背景下的教学改革研究。

1　课程特点及存在的问题

自动化专业专业主要研究工业生产过程中的自动控制理论及实现技术，自动化单元技术和集成技术。它以自动控制理论为基础，以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具，面向工业生产过程自动控制及各行业、各部门的自动化。它具有控制与管理结合，强电与弱电并重，软件与硬件协调等鲜明特点，是多学科交叉的宽口径工科专业。“单片机原理及应用”课程是自动化专业的必修专业基础课，总学时是48学时，其中包括课堂32学时，实验16学时。课程融合了数字电路、高级语言、控制原理等相关课程知识，同时也是一门实践性很强的课程。从现代工程认证的角度看传统的课堂模式，存在诸多弊端，具体如下：

（1）该课程知识面宽，内容抽象枯燥，教师的讲解和学生的学习难度都比较大，教师课堂讲授为主的传统教学模式，学生被动地接受知识，不利于发挥学生学习的主动性，严重影响教学效果。目前我校该课程主要教学内容包括MCS-51单片机寄存器结构、引脚功能、总线与时序、存储器扩展、指令系统、程序设计、接口电路等。实验使用SXL-100B+(PCI)实验箱，实验箱内硬件结构已经固定，实验项目也主要是由生产商预先给出，实验内容难以突破实验箱的限制，某些创新性的实验项目无法开出，与工程认证的思想相违背，同时维护实验箱很不方便[1-2]。

（2）“验证性”的实验教学方式

传统模式的实验课程中，验证性实验过多，实验项目倾向于对理论讲述知识的验证，没有趣味性的实验，几乎没有创新性的实验，与工程教育专业认证指导思想相违背，不能充分发挥学生的主观能动性，无法培养创新性工程师。在实验过程中，学生完全参照实验指导书，每2人一组，按部就班地输入指令和连线操作，在实验设备上观察应出现的特定现象等，学生几乎没有独立思考和设计创新的机会[3-4]。

从以上几点可以看出，以往的“单片机原理及应用”教学轻视了动手能力的培养，也忽视了团队协作精神和终身学习的能力的提升，与专业认证的理念要求有很大差距。本研究正是在以上几点不足的基础上提出的。

2　工程教育专业认证背景下教学改革思路

2.1　课堂教学的改革

“单片机原理及应用”课堂教学占32个学时，为了取得良好的课堂效果，根据专业特色和要求，选定一本合适自动化专业的教材。教研室课题组老师们反复研究，最终选择姜志海编著的 《单片机原理及应用》（第4版），本书从教学的角度出发，系统、全面地介绍51系列单片机的基本知识，是一本重在原理与应用、兼顾理论的实用教程。主要内容包括：概述、51系列单片机硬件结构、单片机指令系统、汇编语言程序设计、中断及定时器/计数器应用基础、串行口应用基础、并行扩展接口技术等。在上课过程中，彻底改变了传统“满堂灌”式的教学模式，采用设问、研讨式的教学方式，使学生从被动学习变主动学习，其主要方法是在每节课前，根据课程各部分的知识点提出问题，可以将学生分成几个讨论小组，让学生查阅资料，然后通过在实验课上讨论和陈述观点使学生牢固掌握知识点，充分调动学生的主动性和积极性，活跃教学气氛，提高教学效果。

2.2　实验教学改革

根据工程教育专业认证指导思想的要求，课程实验教学改革使学生具备掌握单片微机指令系统、硬件结构、程序设计等方面的知识。具体实施如下：

（1）验证性实验教学：在课堂教学过程中，根据课堂讲授和实验指导书设置实验内容和实验要求，学生根据课堂所学知识作好实验预习，并在实验课上进行验证。教师应在实验课上与学生分析实验现象和实验结果，解决实验过程中遇到的问题，让学生掌握实验验证理论的分析过程和方法，加深理解指导实践、实验验证理论的过程。

（2）项目式开发实验教学：经历几次验证性实验后，比如汇编语言排序实验、简单的I/O接口实验，学生能够按照实验指导书进行程序输入、硬件连线的操作后，迫切希望自己动手设计一个有点难度的实验。此时可以要求学生完成一些项目式开发实验，可以设计利用8255实现LED显示实验、8253定时/计数实验、以及难度更大的十字路口交通灯控制实验、直流电机调速实验等实验。在具体实验项目中，不设定标准答案，只要学生能够正确实现功能即可。经历过项目式开发实验后，学生能够进一步加深对本课程的认知和理解，极大提高了学生的创新热情和自信心。

实验教学内容应引导学生充分发掘和选取合适的项目课题，充分调动大学生的主观能动性，发扬团队合作精神，是学生学习效果达到课程大纲的要求，同时具备了终身学习的能力。在项目开发类的实验中，可以将一个复杂的实验项目分成几个相对独立的小项目，通过小项目的训练学生能够实现掌握复杂项目的能力，使得学生既有整体的认识，又有专业的训练，进而在校园里就能获得较为丰富的工程实践经验。

3　教学大纲的修订

针对传统“单片机原理及应用”课堂教学和实验教学出现的种种弊端，学院组织自动化专业教研室和专业教师对本课程的教学大纲做了较大修订。对于课程的性质、目的和教学任务做了较为详细的规定，课程性质为自动化专业的专业必修基础课，是一门面向工程应用、具有很强的实践性、创新性的课程。教学目的是通过本课程的学习，学生能够掌握单片微机的硬件结构、指令系统、引脚功能、系统扩展、高级语言程序设计等方面的知识和每个章节需要讲述的内容太；同时给出了4点教学目标：

（1）了解单片微机发展历程和现代单片机的发展趋势。

（2）掌握现代单片微机体系结构、引脚功能、程序设计等方面内容。

（3）能够利用单片微机开展工程设计和实验设计、并给出正确答案。

（4）学生通过此课程的学习，具备团队合作能力和终生学习的能力。

4　考核方式改革

学生考试成绩不仅是学生最为关心的焦点之一，也是用人单位作为对毕业生能力评价的一个重要标志。在传统的教学模式下，学生的考试成绩由期末一张试卷评定，忽略了学生学习的过程评价，在工程教育专业认证的背景下，这种考试模式的弊端显得尤为突出。我院召集了自动化专业教研室的教师及涉及到自动化专业课程的老师一起，探讨专业认证背景下，如何改革课程的考核方式，根据“单片机原理及应用”课程特点及专业特点，具体改革方式如下：

学生的最终成绩是由平时成绩和期末考试成绩构成。具体分配如下，实验课程分为8个实验（6个验证性和2个项目式开发实验），每个实验满分10分，8个实验共80分，实验报告占20分，这两个成绩占总成绩的60%，期末考试成绩满分100分，占总成绩的40%。具体公式如下：

5　总结与展望

“单片机原理及应用”实验课程是是一门理论性比较强，且与工程实践联系相对紧密的课程。论文给出了传统课堂讲授方式、课程考核的弊端，引出工程教育专业认证背景下的该课程实验教学改革方式。专业认证要求以成果为导向、以学生为中心，建立持续改进机制的理念，逐渐被我国高等院校工程类专业所接受。通过本学期的实验教学取得了良好的效果，参与自动化专业工程认证培训的教师们也受益匪浅，实现了由过去“填鸭式”的教学模式转为学生自主学习的模式，逐步与国际工程教育接轨。教师们一直认为在今后的教学课程中，凡是涉及到工程类专业的课程，均按照工程认证方式进行讲授，同时也定期走访用人单位，对本课程进行持续改进，提高毕业生的就业能力，以满足国内外对于工程类人才需求。

【参考文献】

［1］齐灿,邓维.CDIO 模式下《计算机操作系统》课程教学改革与探索[J].教育教学论坛，2013(3)：52-53.

［2］张蕾,王兴华,陈越洋,党华.基于 CDIO模式实验教学改革的问题及对策[J].教育教学论坛，2015,7：79-80.

［3］周蕊.《微机原理》课程教学方法改革研究[J].科技创新导 报 ，2014,10：125-126.

［4］李珍香，李全福.基于CDIO 模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践[J].实验室科学，2013,16(1)：65-68.