以工程应用能力培养为目标的单片机课程教学改革

杨春兰，薛大为

（蚌埠学院 电子与电气工程学院，安徽 蚌埠233030）

工程应用能力是工程师最重要的基本素质。本科教育是优秀工程师培养的重要阶段，如何培养现代化的工程技术人员是高等教育特别是高等工科院校亟待解决的问题［1］。课程教学是人才培养的重要环节，优秀的课程建设是本科教育的重要保障，灵活多样的教学方法是培养优秀人才的关键因素［2］。单片机是很多工科高校开设的专业课程，它是理论知识与实践教学紧密联系的课程。通常单片机课程教学注重讲解芯片原理及基本结构，汇编及C51编程语言，整个教学过程中工程案例较少，各部分内容相对独立。实践教学内容大多是简单的验证性实验，缺乏动手能力强的设计性和工程性实验项目，实验项目缺乏连贯性，同时对实践性环节缺乏必要的考核［3-4］。学生在课程学习过程中，很难理解单片机的抽象结构，不明白单片机的实际用途。课程结束后学生的实际动手能力及系统开发能力相对较差，很难满足企业及用人单位对相应人才的需求。经过几年的教学摸索及实践，以培养学生的工程应用能力为出发点，整合单片机教学内容，把工程项目实例贯穿于教学全过程，构建单片机模块化教学模式。教学过程中首先通过案例认识单片机，激发学生对单片机的学习兴趣。然后将工程实例置入各个教学模块中，通过案例讲解知识点，并在课堂上完成硬件电路设计和软件编程及调试，使用开发板实现案例的调试运行。最后让学生在实践过程中动手完成相应项目的设计及软硬件调试过程，增强学生的实践动手能力和创新能力。

一、理论教学改革

为了加强学生的实践能力，提高单片机课程的教学效果，将理论知识点融入到具体的项目模块中。现在的单片机系统注重便携性及低功耗，C51开发语言应用广泛，单片机串口外部设备应用较多。根据单片机系统当前的特点，删去汇编编程部分内容，优化课程教学内容，模块教学内容为：认识单片机开发电路板及相关软件，人机接口的应用，定时/计数器的应用，中断系统的应用，串行口的应用，单片机串行总线扩展应用。教学中首先让学生认识单片机，熟悉keil编译软件，演示几个小程序，让学生对单片机感兴趣，调动学生对单片机的学习热情。每个模块包含几个项目，通过项目讲解理论知识点。在教学中引入proteus仿真平台，使用proteus进行硬件电路搭建，keil进行软件调试，然后连接调试。学生在课后也可以完成仿真平台的搭建，设计一些实验项目，完成仿真系统的调试，从而加强理论知识与实践的衔接。

同时教学中使用单片机开发电路板演示具体的项目，讲解硬件电路，进行C51编程讲解及程序调试，加强系统设计教学的直观性。把工程实例贯穿整个教学讲解过程中，将单片机抽象难懂的知识形象化，实现工程实践与理论知识相融合，调动学生学习单片机的积极主动性。例如把定时/计数器的知识点嵌入到简易秒计数器的项目中，并引入定时/计数器的工程实例，洗衣机的正反转时间定时及脉搏测量仪脉搏值的计数等。通过理论知识点的实践应用，提高学生的实践动手能力及单片机的开发能力。

二、实践教学改革

首先优化实验内容，在验证型实验的基础上，增加综合性及设计型实验，锻炼学生综合运用单片机知识解决问题的能力。其次强化课程设计环节，选取工程项目课题，根据设计要求完成设计要求，最终实现单片机系统的设计及开发。最后鼓励学生参加单片机学科竞赛，提高实践动手能力及团队合作精神。

（一）优化实验内容

传统单片机课程实验大多为验证型实验，学生按照教师指导在实验箱上接线，然后下载程序观察实验现象［5-6］。为了提高学生学习的自主性，改变传统使用实验箱进行实验连线的模式，使用单片机实验开发板进行实验。单片机开发板直观性强，各个模块分布紧凑，更易于学生理解。实验内容上增加单片机综合型及设计型实验，验证性实验为理论知识模块的验证，例如小灯循环显示、数码管数字显示及蜂鸣器报警等实验项目，帮助学生熟悉单片机最小系统及开发板各个功能模块，让单片机实现基本的功能操作。综合型实验为多个理论知识模块的综合运用，例如多路抢答器、电子时钟及电机控制系统等实验项目，锻炼学生综合运用各模块知识的能力，培养学生在单片机系统设计过程中独立思考和解决C51编程及调试实际问题的能力。设计型实验为教师出题，或是学生自己设计感兴趣题目，学生根据设计要求及设计课题完成项目设计，系统调试，实现项目的功能要求，例如红外报警控制系统、温湿度控制系统等实验项目，锻炼学生单片机系统设计中解决问题的能力，提高学生单片机软件设计及调试开发能力。单片机实验项目如表1所示，表中共12个可选实验项目。某高校电气及其自动化专业实验课程20学时，其中选取验证型实验项目5个，综合型实验项目4个，设计型实验项目1个。在实验过程中，使用keil软件编译程序，然后下载到开发板调试并观察实验结果。

表1 实验项目

（二）强化课程设计环节

单片机课程设计是融合各理论知识模块的重要实践环节，是学生理论知识实践化的重要环节。学生通过课程设计实践，能够提高综合运用单片机理论知识的能力及单片机系统的开发与设计能力。以工程应用能力培养为目标，选取工程项目课题或是学生自拟合适课题，对照工程设计的要求完成项目设计。根据学生的能力差别，选取难度不同的课题，根据难度等级设定不同的难度系数。一级难度的课题难度系数为1，二级难度的课题难度系数为0.9，三级难度的课题难度系数为0.8。为了合理评定学生成绩，对考核具体内容进行细化，确定了考核指标，如表2所示。教师根据成绩考核评价指标评定学生的综合成绩，最终的课程设计总评成绩为综合成绩与难度系数的乘积，总评成绩按照优秀、良好、中等、及格和不及格五级制计算。

表2 综合成绩考核评价

课程设计中教师引导学生进行方案选取和电路设计，学生自主完成课题的设计与调试任务。根据学生的知识结构及能力差异，4到5人分成一个设计小组，由组长负责本组设计工作。小组成员分工协作，讨论选题，查找设计项目资料，进行方案比较及可行性分析，确定最终项目方案。然后根据项目设计方案选取元器件，开列出所用元器件清单。运用Altium Designer软件绘制整个系统电路原理图，使用keil软件编译程序，并用proteus进行仿真调试。由于课程设计周期为2周，时间较短，选用面包板进行电路焊接、系统调试及运行。最后完成课程设计报告撰写并进行小组答辩演示，指导教师根据课程设计报告和答辩情况进行评分。单片机课程设计实现了实践与理论知识点的融合，加强了学生小组团结合作意识，提高学生综合运用单片机知识分析解决实践问题能力及系统开发设计能力。单片机课程设计的实践对于学生后期的毕业设计选题、方案设计及系统实现起到了承接作用，同时为毕业论文撰写打下了良好的基础。

（三）鼓励学生参加学科竞赛

学科竞赛为学有余力的同学提供学习平台，通过竞赛可以培养学生对单片机学习的主动性，提高学生的动手能力及团队合作精神。依托电子协会、单片机实验室、电子创新实验室，从低年级同学中选拔学有余力的同学进行培训，组队参加校级单片机设计大赛及物联网设计竞赛，通过竞赛锻炼学生的系统设计及动手能力。通过竞赛，学生能够更好地将单片机理论知识与实践进行融合，提高学习兴趣及单片机系统的设计开发能力。

鼓励学生申报国家级及省级大学生创新项目，配备有科研经历的教师指导学生进行创新项目的申报。学生组队自己选题，收集资料进行项目可行性研究，并确定项目设计方案，最终撰写项目申请书并提交完成项目申报。在项目实施过程中，学生团队按照项目申请要求进行电路的软硬件设计，在学院开放实验室进行电路制作及调试工作，最终完成项目成果报告的撰写。鼓励学生通过项目参加相关学术交流，发表项目相关学术论文，申请项目相关专利，提高学生在校期间的创新能力及科研水平。

三、教学效果分析

以工程应用培养为目标的单片机课程教学改革模式仍然在研究阶段，但是已连续几年在某高校电子信息工程专业采用了教学改革，从而检验单片机课程教学改革效果。以其2016级电子信息工程专业1班（以下简称为“电子信息1班”）和2016级电气工程及其自动化专业1班（以下简称为“电气工程1班”）为例，电子信息1班49人，电气工程1班50人，分别进行独立教学。其中电子信息1班采用以工程培养为目标的单片机教改模式，电气工程1班仍然采用传统的单片机课程教学模式。最后采用课程设计项目——多功能数字时钟进行。学生自由分组，每小组4～5人，每个班共10个小组。考核过程分为设计过程陈述、成果展示及答辩等3个环节。考核环节按照课程设计环节要求进行系统设计陈述、设计电路调试及现场答辩3个环节。考核小组由3位具有副高职称的单片机任课教师组成，考 核小组评定结果如表3所示。

表3 考核成绩

从表3可以看出，采用以工程培养为目标的单片机教改模式的班级成绩明显优于采用传统单片机教学模式的班级。说明相对于传统教学模式，采用以工程培养为目标的单片机教改模式培养了学生综合运用单片机知识点的能力，锻炼了分析及解决单片机系统设计能力，更加全面地培养电子信息工程专业学生的工程实践能力。采用以工程培养为目标的单片机教改模式对于电子信息工程专业人才工程应用能力培养是切实可行的。

四、结论

针对以工程应用能力为目标的单片机课程改革，笔者编写了单片机原理与应用实践课程教学大纲和单片机原理与应用实验指导书，有三届电子信息工程专业学生进入教学改革实践，取得了很好的效果。从单片机理论教学和实践教学环节对课程进行改革，以工程应用能力培养为目标，重构理论教学内容，优化实验项目，强化课程设计环节，鼓励学生多参与学科竞赛，提高了学生的实践动手能力和单片机系统的开发设计能力，顺应了用人单位对单片机相关人才的需求，为社会培养更多具有单片机工程应用能力的人才。