以项目为中心的单片机实验教学目标及方法探讨

刘波

[摘 要] 针对传统单片机实验以知识结构为主线开展教学中所存在以教师为中心的问题，对围绕工程项目组织单片机实验教学的方法进行了实践。实践中发现项目驱动式教学中存在的最大问题是学生找不到切入点。为此，提出单片机实验教学的目标为培养学生以下三个方面的能力：一是将复杂问题抽象为简化模型的能力;二是综合软硬件进行系统集成的能力;三是总结实验和文字表达的能力。以上教学目标可通过选定合适的实验内容、合理的时间安排、实验预习、实验过程控制、实验报告成绩评定等环节来实现。

[关键词] 单片机实验;实验教学;单片机教学;实践能力;案例教学法

[基金项目] 2021—2024年国家自然科学基金项目“波浪与柔性压电膜系统的非线性耦合作用研究”（12072306）

[作者简介] 刘 波（1973—），女，云南通海人，学士，厦门理工学院机械与汽车工程学院实验师，主要从事单片机与图像处理研究。

[中图分类号] G647   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）22-0141-04       [收稿日期] 2021-01-21

一、引言

随着计算机的飞速发展，单片机技术已广泛应用于现代工业、农业、仪器仪表、汽车电子系统、家用电器、玩具及个人信息终端等诸多领域。培养机电类本科生应用单片机技术解决工程实际问题的能力是现代科学技术发展的需要。因此，“单片微机原理及应用”在机电类本科教学中是一门基础课程。

传统单片机教学一般是以单片机的知识结构为主线，把单片机知识系统分成硬件结构、指令系统、软件编程、单片机系统的扩展和各种外围器件的应用，最后再讲一些实例。此种教学结构，学生普遍感到难学。而单片机实验课则采用传统物理、化学实验课的方法，即以教师为中心，学生在规定的时间内，用统一的模式，按照指导书上规定的步骤做相同的实验。实验课目的也主要是为了验证理论。有的教师认为要做单片机实验，必须要先学习完书本上安排的章节，而有的学校也常常将实验教学安排在学生学习完全部理论知识后。但是，单片机不同于物理、化学等基础理论课程，而是一门应用性很强的课程。根据单片机课程的特点，笔者认为单片机实验主要目标是培养学生的工程能力，应突破课本章节的限制，以项目为中心组织教学，并贯穿在理论教学的全部环节之中。

针对单片机传统教学存在的问题，已有不少教师提出改革单片机传统教学的建议[1-5]。这些教师根据各自不同的教学经验，提出了不少有益的思想观点。在这些思想基础上，结合笔者多年单片机本科实验教学实践，在分析以项目为中心组织单片机实验教学中存在问题的基础上，提出教学目标，并对实现教学目标的教学环节进行了探讨，以供同行参考。

二、单片机实验教学目标

单片机实验教学应培养学生的能力而不是灌输知识已成为大多数教师的共识[5-7]。通过单片机实验教学课能培养什么样的能力呢？人的能力有多种，如观察能力、抽象能力、分析能力、总结能力、逆向思维能力、解决问题的方案制定能力、简洁的文书编写能力等。显然，仅靠单片机实验一门课不可能培养学生所有的能力。笔者认为单片机实验教学目标应结合各高校单片机实验条件、师资状况、学生素质等因素最大限度地培养或提高学生各方面的能力。

厦门理工学院定位于应用技术大学，强调学生的工程能力和动手能力。学校具有良好的实验条件。目前，已拥有单片机仿真实验系统，该仿真实验系统由板上仿真器、实验仪、仿真软件、开关电源构成。本实验系统主机上有丰富的实验电路模块和灵活的组成方法，既可以和MCS51、MCS96CPU也可以和8088/8086CPU组合完成各种实验。同时，学院丰硕的应用科研成果也为开展项目驱动式教学奠定了基础。

为将应用型科研成果转化为教学资源，让学生能在现有教学实验设备上实现。将较复杂的工程问题进行简化，这是开展项目驱动式教学的关键。基本思想是“麻雀虽小、五脏俱全”。由于学时限制，教学项目工作量不宜过大，要让学生有完成的可能性，同时达到工程训练的目的。这一过程的训练，可培养将复杂问题抽象为简化模型的能力。

应用单片机实现的工程项目，一般都涉及编写汇编语言或C++语言程序（软件）及電路设计（硬件）。因此，综合软硬件进行系统集成的能力是单片机实验教学的另一目标。

本科生在基础课学习阶段，撰写项目报告的训练较少。作为工科专业学生，今后工作中可能遇到项目申请、策划书、进展报告、结题报告等大量文档撰写工作。因此，培养学生进行总结和文字表达能力十分必要。完成单片机模拟项目后，让学生撰写总结报告可实现这目标。

综上所述，以项目为中心的单片机实验教学主要培养或提高学生以下几个方面能力：一是将复杂问题抽象为简化模型的能力;二是综合软硬件进行系统集成的能力;三是总结和文字表达的能力。

三、教学环节

针对目前单片机实验教学的特点，在实验内容和时间安排、实验预习、实验过程、实验报告成绩的评定环节采取了严格的控制方法和灵活的教学组织方法。

（一）实验内容和时间安排

在安排实验前，实验教师将和任课教师、学习委员沟通，了解该班学生理论知识掌握的情况和大部分学生的特点，针对该班特点在实验内容及时间安排上进行调整。在实验内容的选择上强调硬件实验的重要性及实验内容的连贯性和综合性。在此基础上，结合工程项目设计模拟实验项目，估算完成模拟实验项目所需的时间。在时间安排上，分为课内学时和课外学时。课内学时是固定的，而课外学时则具有灵活性和多样性。

1.硬件实验内容的选择。在设计模拟实验项目时，首先确定实验设备。在实验设备确定后，进行模拟项目设计。以LAB6000微控制仪[8]  （P14）为例，可开出的软件实验和硬件实验都比较多。软件实验一般是验证性的，例如数据排序等实验。在做此类实验时，学生一般不会关注硬件，得到的锻炼较少，解决不了实际问题。学生一般对硬件电路不熟悉，以前接触的程序实验往往更多地关注编程的技巧，没有软硬件结合的概念。针对这种现象，可设计一个模拟项目（例如，交通灯控制模型、电子琴模型、电子钟模型、电子日历等）。学生通过完成模拟项目，可将软件（自己编写的程序）与硬件（实验设备）结合起来完成一种或几种功能。这样，学生更有兴趣去完成相应的实验。