单片机原理及接口技术实验教学改革研究

席文平 蓝和慧

摘 要 针对目前单片机实验教学中存在的问题，制定相应的教学改革目标和具体的改革措施，提出优化教学计划、展示优秀学生作品、引入实物制作环节、采用综合成绩评定和举办校内学科竞赛等方法，激发学生的学习兴趣，消除畏难心理，增强创新意识，提高动手实践能力。

关键词 单片机；实验教学；实物制作；教学改革；智能机器人；学科竞赛

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）06-0111-03

Research on Experimental Teaching Reform of Microcontroller Principle and Interface Technology//XI Wenping， LAN Hehui

Abstract According to the existed problems in the experimental tea-

ching of microcontroller， some corresponding teaching reform targets

are made. A few methods are put forward such as optimizing teaching

program， displaying excellent students' productions， adopting micro-

controller production， developing comprehensive assessment and holding academic competitions， to stimulate students' interest in lear-

ning， eliminate the fear， strengthen innovation consciousness and improve practical ability.

Key words microcontroller； experimental teaching； object making； teaching reform； intelligent robot； academic competition

1 引言

单片机作为集成电路技术与微型计算机技术高速发展带来的产物，凭借其体积小、价格低、稳定可靠等优点，已经在航空航天、工业控制、移动通信、家用电器以及智能机器人领域得到广泛应用[1-2]。单片机原理及接口技术课程作为各工科院校测控技术与仪器、自动化和电气工程等专业的必修课，要求学生不仅要具备扎实的理论基础，同时要具备良好的硬件设计和软件编程能力。这些能力的提升，一个重要的手段就是借助课内实验，将理论知识和实践环节更加系统紧密地结合在一起，让学生真正做到“学、干结合”“主动学习”“主动实践”，这也可以为学生后续的课程设计、学科竞赛及就业打下坚实基础。

2 单片机实验教学的特点及现状

单片机作为一门应用性专业课，具有较强的理论性和实践性，其前续课程涉及模电、数电、C语言等硬件和软件两个方面的内容，所以学生的学习强度比较大，部分基础差的学生也因此产生畏难心理，而且一些单片机教学中存在的问题会加剧这样的趋势。

教学重理论而轻实践 国内高校单片机教学普遍注重理论知识，实验教学的时长只占到总学时的15%～20%。较为普遍的做法是，教师按照书本内容制订教学计划，依次讲授单片机的内部结构、接口设计、中断系统、定时/计数器、串口通信和扩展等内容，然后借助单片机实验箱安排2～3个以LED为主要现象的流水灯、定时器中断、交通灯实验等，最后组织一次期末考试，这样一学期的单片机教学任務就算完成了。这样做的后果，一方面，学生没有接触过系统的单片机应用设计，动手实践能力得不到有效锻炼；另一方面，学生为了应付考试，轻视实验教学，对理论知识死记硬背，产生实验教学是依附于理论教学的错误心理。

理论教师和实验教师缺乏沟通 很多高校有专门的实验教师从事单片机的实验教学，理论课教师并不参与其中。虽然不同的专业有不同的理论课教师，但是由于实验教学资源有限，一个实验教师往往需要承担多个不同专业的教学任务，这就容易造成实验教师和理论课教师之间存在沟通不足的问题。一般情况是，理论课教师先制定教学日历，实验教师再根据教学日历制订出实验教学计划。由于实验教师没有多余的精力去旁听理论课，只能根据个人经验编写实验指导书，设计实验内容。但是实验教师对学生知识点的掌握程度并不了解，多数时候需要根据实验内容再进行一次知识点复习，这样就会造成重复性教学，占用大量的实验课时间。

实验考试存在形式主义 实验考试作为检验学生动手实践能力的一个重要手段，在很多高校并没有开展，或者只是流于形式。实验教师主要根据学生的实验操作和实验报告两部分，给出实验成绩。就这两个环节而言，单片机实验操作往往是根据课内实验修改来的，学生只要把书本例程录入并进行少量修改，就可以得出实验现象；而实验报告更是不尽如人意，学生之间从预习环节、数据处理到实验心得都会出现抄袭情况，甚至有多份实验报告完全雷同的现象。因此，必须进行考试方法改革，全面提升实验考试的质量，加强实验考试的纪律性，强化学生自主思考、自主完成实验的能力。

3 单片机实验教学改革的目的

综合单片机实验教学的特点和现状，力求通过单片机课程的实验教学改革，在现有的教学资源内达到以下五点目标：

1）消除学生学习单片机课程中的“畏难”心理；

2）培养学生对单片机课程的学习兴趣，从“要我学”变为“我要学”；

3）因材施教，针对学生不同的学习程度设计多种实验考核方法；

4）进行考试方法改革，提高实验考试的比重，力求达到“教、学、做一体化”；

5）培养学生的学科竞赛能力，让学生在完成作品设计的同时，做到精益求精[3-4]。

4 单片机实验教学改革方法

优化教学计划 根据教学日历制订合理的实验教学计划，在有限的实验学时内，安排出2～3个典型设计性实验和1～2个创新综合性实验。借助有趣的实验现象激发学生探究实验原理的欲望，逐步培养学生硬件设计和软件编程能力，并注重知识点之间的迁移和整合。如在一个两学时的设计性实验中，可以从8位流水灯开始，扩展到16位流水灯，再加入按键控制和蜂鸣器报警等。这样逐步将基础模块的应用融合起来，不同的实验现象也会激发学生的探索欲望，逐渐消除学生的畏惧心理。

在实验课、实操环节及后续课程设计中，鼓励学生自主设计实验方案，不拘泥于一种方法，让学生经历自主选件、电路连接、软件编程、综合调试等开发设计的各个流程，并将个人的创新思维融入其中，提升学生主动学习、主动实践的能力。

展示优秀作品 单片机课程设计和毕业设计的题目涉及面较广，包含信号类、控制类、仪表类等，制定这些题目也可以为学生参加电子类学科竞赛或者申请大学生创新创业训练计划项目打基础。每一种类型的题目，都会有一些学生做得非常优秀，在基本功能完成的基础上增加扩展功能，而且硬件设计合理、软件编程精练。对于这样的作品，实验教师可以在课程设计结束以后，在征得学生同意的前提下，将这些作品放置在实验室的展墙上，注明作者、年级、实现功能等信息。

在对下一届学生进行实验教学过程中，实验教师可以将优秀作品在课堂上进行演示、传阅和程序要点的讲解。有了这些优秀的模板，学生在进行实物制作和课程设计的时候，也就有了兴趣和标杆，会激励学生设计出更加优秀的作品，以传承的理念为以后的学生演示。

自主选择实物制作或实验考试 针对学生的学习程度，在原有实验考试的基础上，引入实物制作环节。在教学计划过半的时候，由理论课教师和实验教师共同制定实物制作题目和设计要求，然后由学生抽选一道题目进行实物制作，为期一个月。一个月期满后，由教师进行考核。考核分为演示、答辩和功能修改三个环节，按比例计分。选择实物制作的学生不必再参加最后的实验考试。

在实物制作环节，采用以学生为主体、教师辅助指导的形式。开始阶段，指导教师根据理论知识点介绍实物的设计步骤和模块化设计方法；第二阶段，由学生自行查阅资料和确定方案，教师要引导学生借助网络资源（如中国知网、万方、维普等网站）查阅与实物相关的期刊；第三阶段，学生利用Keil和Proteus软件做好软件仿真；第四阶段，借助Altium Designer等软件完成硬件电路设计，在硬件基础上进行程序编写和综合调试。

对于基础较弱的学生，可以不选择制作实物，而是在课程结束后参加实验考试。实验考核在实验箱上进行，按难度分为A、B、C三档：A档题目难度等同于实物制作，要求设计出具有多种功能和指标要求的作品；B档题目主要涉及外部中断、定时器中断、串行通信、數据采集和显示等的综合运用；C档题目为LED、按键、蜂鸣器、矩阵键盘等简单模块的综合使用。其中，A档总分为100分，B档总分为85分，C档总分为70分，并且按照实验接线、程序编写、实验修改和实验结果四个环节按比例计分。

采用综合成绩评定法 结合实验教学改革方法的第三项，提出“笔试+实物制作或实验考试+实验报告”的综合成绩评定方法，三者比重分别为60%、30%和10%。这样做的优点是，学生试卷成绩只占到最终成绩的60%，而实验比重则上升至40%。与传统试卷考试方法相比，这种综合成绩评定的方法更侧重学生动手实践能力的考核[5]。

这里需要强调的是，选择实物制作的学生，在进行后续课程设计的时候并不需要再重新选择题目，而是可以继续对设计好的实物进行功能上的完善或改进。这样做，一方面节约了课程设计的周期，让学生有较多时间进行写作能力的锤炼和学科论文的转化；另一方面可以在一定程度上缓解实验室的压力，让实验室有更多的开放时间供学生进行自主学习和实践。

举办校内学科竞赛 实验教师作为实验教学课程改革的直接参与者，除了从教学设计、教学组织、教学管理等方面进行改进外，还可以申办校内学科竞赛，主要针对省级和国家级的“大学生电子竞赛”等与单片机实验课程密切相关的学科竞赛。在申办竞赛之后，可以对学生开展竞赛培训，将单片机课程的学习与C语言、模电、数电等课程系统结合起来，以此提升学生对知识的综合运用能力和实践创新能力，注重培养学生“精益求精”的思想，同时也为省级和国家级的学科竞赛做好人才储备。

5 结语

经过近两年的单片机实验教学改革，学院学生单片机课程设计和毕业设计实物作品数量较以往增加了约60%，质量明显提升，申报学科竞赛和大学生创新创业训练计划项目的学生数量显著增加。在RoboMasters全国大学生机器人竞赛、全国大学生电子设计竞赛、“恩智浦”杯大学生智能汽车竞赛、辽宁省大学生机器人竞赛等学科竞赛中先后荣获国家级奖励五项、省级奖励八项的优异成绩，充分体现了单片机实验教学改革对培养学生动手实践能力和创新能力的积极影响。

参考文献

[1]周冠玲，冯占英，李战.“单片机原理及应用”课程教学改革的探讨[J].中国电化教育，2012（6）：105-107.

[2]葛浩，林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理，2011，28（10）：138-140.

[3]姚健.单片机课程项目化教学改革的研究与实践[J].辽宁高职学报，2015，17（2）：51-53.

[4]朱建光，郑浩，刘本伟.单片机原理与接口技术教学改革与实践[J].武汉大学学报：理学版，2012（S2）：188-190.

[5]郭栋，白锐，王春霞.激发大学生主观能动性 提高动手实践能力[J].中国现代教育装备，2016（5）：42-44.

[6]蓝和慧，张健.谈指导教师在大学生创新团队中的作用[J].辽宁师专学报：社会科学版，2015（6）：124-125.