应用型本科院校单片机课程教学的实践研究

侯凯文 朱永琴 朱 佩

黄河交通学院智能工程学院，河南 焦作 454950

0 引言

应用型本科院校以培养应用型人才为主，要求学校注重培养学生对知识的应用能力，增强学生的实践能力，能适应行业需求，解决工程中的实际问题。单片机具有体积小、价格低、应用方便、抗干扰能力强等优点，在工业控制、仪器仪表、家用电器、通信设备等领域应用广泛。我校智能工程学院、机电工程学院的多个专业均开设单片机课程，在物联网工程、电气自动化等专业学科的课程中，单片机课程是一门承上启下的专业课程，涉及领域广，对综合知识的应用能力要求较高，同时也是应用型本科院校培养学生学习嵌入式系统开发设计的重要学科，对培养应用型人才这一目标具有现实意义。

1 单片机课程的特点及现状

单片机课程需要学生具备“学以致用”的能力，要求学生学习单片机的基本概念、内部结构、I/O口、中断、定时器/计数器、串口等理论知识，同时掌握单片机接口电路的设计，熟悉仿真软件、实验箱或开发板的使用。另外由于该课程知识还包含了C语言、电路、数字电子技术、计算机基础等内容，所以对基础知识掌握较好的学生，更容易学习单片机知识，有利于提高其学习兴趣。基础知识薄弱的学生，教师应该给予更多有针对性的帮助，避免发生学生因畏难情绪而放弃的现象。

在传统的单片机课程教学过程中，教师普遍重视课程的理论教学，较多地围绕单片机基本概念、内部结构以及中断系统、定时器、计数器、串口通信等基本原理进行讲解。在教学大纲制定时，通常理论课时远多于实验课时，对学生实践能力的要求不高，实验数量较少，学生没有更多的可选项，并且实验内容简单，仅通过交实验报告的方式进行实践能力考核，对学生缺乏约束力，造成学生在心理上不重视实验。

课堂上基本采用教师讲、学生听的教学模式，教学方式基本采用多媒体演示的方式，学生一直处于被动接受知识的状态，容易产生学习枯燥、无聊的心理，课堂理论教学效果欠佳。在实验教学环节，通常采用实验台或Keil、Proteus仿真软件相结合的教学方式，实验台体积较大，实验元器件固定，并且每个案例都有固定的操作流程和实验结果，实验多以验证性实验为主，对学生来讲容易产生思维定式，不利于学生创新意识的培养。电路仿真软件容易出现闪退、仿真效果与实际差异较大的现象。

另外，在学生思想道德培养方面。近些年来，教育部门强调要重视大学生思想道德的教育，充分发挥思政课优势，同时要求在专业课程中融入思政元素，培养高素质人才。单片机课程是我校物联网工程专业的基础课。将思政元素融入单片机课程的课堂教学中，在学生学习单片机知识的同时，培养学生的爱国主义精神、社会责任感、创新意识，培养全面发展的高素质人才，这是我校作为应用型本科院校对单片机课程教学提出的新要求。在期末考核时，单片机课程的考核方式基本以期末闭卷考试为主，总成绩一般由期末成绩和平时成绩组成，平时成绩由考勤、作业、课内实验组成，实验成绩在总成绩中的占比较小，不能达到通过实验培养学生动手能力的目的。综上所述，单片机课程教学的改革，对提高学生实践动手能力，培养创新意识，树立家国情怀，培养应用型人才这一目标具有现实意义。

2 单片机课程教学改革与实践

2.1 优化教学内容

单片机课程的培养目标是要求学生掌握单片机的内部结构，引脚功能和中断、定时器/计数器、串口等功能部件的原理及应用，学会C51编程和系统调试。通过课程学习，具备基本的单片机系统开发能力。该课程要求学生具备基础的电路和C语言等知识，而应用型本科院校的生源学习能力和基础知识掌握程度参差不齐，因此，在实际教学过程中，教师要梳理各个章节的重难点内容，明确教学目标，始终秉承因材施教的原则，考虑学生的个性化和差异化，确保教学效果的针对性。首先，可以将教学目标分为两个层次，基础入门版和进阶提升版。针对基础知识掌握薄弱的学生，在课堂教学时放慢教学节奏，适当补充相关基础知识，提供相关基础知识的学习渠道，仅要求了解单片机的基本工作原理和一些简单的单片机接口电路设计。优化实验内容，在开展验证性实验的同时适当开设设计性和综合性实验，培养基本的单片机系统开发能力和实际问题解决能力。以此逐渐培养学生的学习成就感，激发其学习兴趣，提升其学习动力，为进一步学习单片机知识奠定良好的基础。

其次，对于基础知识掌握较好的学生，采用进阶提升版的教学目标，要求学生在熟悉单片机基础知识的同时，重点掌握单片机接口技术的应用，如定时器/计数器、串口通信、DAC转换器、I2C总线等，减少验证性实验开出率，增加设计性和综合性实验项目。同时鼓励学生学习16位、32位或其他非8051内核单片机的使用，提供更多的课程设计项目和学科竞赛机会，丰富学生的实践经验。另外，鼓励此类学生向其他同学分享学习经验和学习方法，营造共同学习、共同进步的班级氛围。

2.2 实验教学方式改革

单片机课程的实验教学环节是培养学生动手能力和单片机应用能力的关键，同时也是检验理论教学效果的主要依据。这就要求教师要重视实验教学内容，明确实验教学目标，优化实验教学方式。学生要端正实验学习时的态度，了解实验要求，做到多思考、多提问。在实验教学内容中，教师要不断地丰富实验教学案例库，依据实验内容包含的知识点和实验方法的不同，把实验项目分为验证性实验、设计性实验和综合性实验，同时将题目分为必做和选做两个级别，在完成实验教学目标的同时，给学生更多的选择空间，培养学生的开放性思维。

实验室是单片机课程实践教学环节的重要场地，通常教师会根据现有实验条件，采用实验箱和软件仿真结合的教学模式，实验内容简单且方式固化，实验台本身体积较大，实验课时间有限，学生通常无法在特定时间内完成实验，影响实验教学效果。针对以上情况，提出“口袋实验室”的实践教学模式，改变单片机课程实验教学过度依赖实验场所的现状。口袋实验室是指实验教学过程中使用“口袋式”开发板的教学方法，该开发板仅有半张A4纸大小，不仅包含单片机最小系统、LED灯、按键、蜂鸣器、数码管、AD转换、温度传感器等硬件资源，还留有LCD1602显示屏、红外遥控、直流电机、超声波检测模块以及其他常用外设资源的接口，同时该开发板采用模块化设计，易拆装，方便学生携带及课外时间学习。学生还可以根据实验室现有资源，自主进行单片机最小系统电路和其他所需硬件电路的焊接。开发板只需1根USB线，通过下载软件，就可实现开发板的供电、程序下载和系统调试。与只能在特定时间做验证性实验的实验台相比，口袋实验室的教学模式更能让学生深入、开放地掌握和运用所学知识，以此来优化单片机课程的实践教学。

2.3 理论教学方法改革

单片机理论知识较为抽象，仅通过教师讲、学生听的教学方法无法激起学生的学习兴趣，教学效果不理想。线上线下混合式教学的方法改变以往学生的学习方式，极大地提高学生自主学习能力。教师可在超星学习通等网络教学平台建立一个虚拟班级，同时把学习任务和PPT、案例库、微课视频等教学资源上传到虚拟班级。

在课前，学生通过教师发布的学习任务，明确本章节自己的学习目标，有针对性学习新知识，并收集课前学习中遇到的问题。针对遇到的问题，可以通过微信或钉钉与教师进行沟通解答或自主查阅资料解答。教师引导、辅助学生完成课前预习工作，同时通过在线测试题检验学生的预习情况，收集共性问题进行课中解答。

在课中，教师根据课前预习情况把学生分为若干个小组。课堂教学以学生分享课前所学知识为主，以教师多媒体教学、案例演示为辅。对于新知识，学生自主学习能力不同，教师可以通过多媒体或案例演示的方式进行课程的知识梳理，明确课堂目标和重难点内容，讲解基本原理和应用方法。学生进行组内讨论，相互分析、解决各自在本节内容学习过程中遇到的问题。组内讨论环节之后，每一组派出一位代表进行小组之间的问题解答，组内成员可以进行适当补充。在学生讨论结束后，教师对本节课程进行总结，针对小组间的共性问题进行逐一解答，根据课堂学习情况有针对性地对学生进行指导。对于基础知识薄弱的学生，提供更多的基础知识学习路径和学习方法，适当优化教学目标，帮助学生建立单片机学习兴趣。而对于学习能力较强的学生，教师应丰富课堂教学内容，激发其开放性思维，充分发挥学生的学习潜力。

在课后，学生根据在虚拟班级中发布的试题进行课后测验，教师及时反馈测验结果，对知识掌握不熟练的学生进行课后指导，帮助其完成重点内容的学习，培养学生学习自信心。

在线上线下混合教学方法的指引下，不仅促使学生更有效地学习知识和技能，还有力地培养学生团队协作能力和自主学习能力。

2.4 以赛促学，赛教融合

大力支持学生参加学科竞赛，发挥学科竞赛的引导作用，是培养应用型人才的又一重要路径，同时对提升学生对单片机的实际应用能力和动手能力，促进教学改革，提高应用型本科高校的办学水平意义重大。

学科竞赛主要是学生课外知识的竞赛，同时也是社会对学生专业能力需求的一种体现。对学生而言，积极参加学科竞赛，既能巩固在学校中学习的理论知识，查漏补缺，又能学习课本外的知识，提升个人的知识储备，还可以收获和其他高校学生进行技能切磋、共同学习、相互提升的机会，极大地提高了学生工程实践能力和社会竞争力。例如，全国大学生电子设计大赛，参赛院校多，知识覆盖范围广。比赛要求学生组队在规定的时间内完成选题、系统方案设计、电路设计、元器件选型、焊接、编程调试、作品提交等工作，是对学生综合能力的巨大考验。学生在比赛过程中提升了课外知识储备，对学生应用单片机知识帮助较大。通过对有参赛经验的学生跟踪观察发现，他们的问题分析能力和对单片机的综合应用能力，提升都非常明显，在毕业时更受用人单位的青睐。

学科竞赛不仅是对学生综合实力的检验和提升，对师资队伍建设也有积极的促进作用。在指导学生参加各类学科竞赛时，对教师来说也是一次共同学习、能力提升的机会。以比赛为契机，通过参观、学习交流，汲取其他高校的先进实践教学理念和参赛经验，弥补自己教学过程中存在的不足，使教师走出自己的舒适圈，改进传统教学方法和教学理念，逐步向应用型教学转变。在提升教师教学方法的同时，学科竞赛也有利于丰富教师的知识储备，提高教师科研能力。很多学科竞赛是由企业和教育部门共同举办，企业产品中的热门技术应用会被引入到竞赛中，教师在指导学生的同时，也学习了先进技术，有效地提升了个人的知识储备和教学思想。随着工业物联网、智能制造等技术的提出，单片机在物联网和智能控制领域的应用飞速发展，单片机课程的教学目标也理应跟随技术的发展，与时俱进。同时学科竞赛有助于教师获取单片机主流的开发技术和发展现状，并将单片机知识融入课程教学中，让学生所学知识更能贴近生活，从而满足社会的需求。因此，在单片机课程教学改革中引入以赛促学、赛教融合的教学思想，鼓励和指导学生积极参与学科竞赛，对学生综合应用能力和教师教科研能力提升都有很大的帮助。

2.5 融入课程思政

《高等学校课程思政建设指导纲要》中明确指出，专业课程是课程思政建设的基本载体。要深入梳理专业课教学内容，结合不同课程特点、思维方法和价值理念，深入挖掘课程思政元素，有机融入课程教学，达到润物无声的育人效果。

单片机作为一门专业基础课，要求教师在单片机教学过程中，不仅要求学生掌握单片机基本的原理和实践应用，还要培养学生良好的思想品德，把立德树人贯穿于单片机专业课程教学当中，培养全方位发展的综合型人才。单片机课程思政元素的挖掘，需要教师根据教学内容明确思政目标，将思政内容渗透到单片机教学内容的每个知识点。例如，在讲解单片机的特点及发展趋势时，可联系当前国内以华为“麒麟”芯片、“鸿蒙”系统为首的国产集成电路行业发展现状，激发学生对单片机的学习热情和爱国斗志，教导学生要肩负起国家复兴的重任，做好社会主义接班人。在讲解单片机的中断系统时，通过中断优先级的概念，引导学生在学习和生活过程中，要分清主次，能够在诸多矛盾中抓重点、抓关键，把时间花在“刀刃”上。

同时要求教师在授课过程中，要树立立德树人的榜样，将爱国主义情怀、奋斗精神、社会责任感、社会主义核心价值观等育人理念潜移默化地转移给学生，激励学生拥有正确的人生观、价值观，使学生明白拥有良好思想品德的重要性。课程组还邀请马克思主义学院专业教师做思政顾问，指导单片机课程教师共同发掘本课程中的思想政治元素，让学生在学习单片机知识、提高个人能力的同时，也能感受到国家的日益强大，将爱国、爱党、爱民的感情深埋于学生心中，做一个合格的新时代社会主义接班人。

2.6 考核方式改革

结合单片机课程对学生动手能力和应用能力要求较高的特点，针对单片机期末考核方式单一、重理论、轻实践的情况进行改革。教师在出题时，应增加案例分析、单片机硬件电路设计和编程方面的主观题分值，同时增加课内实验在平时成绩中的比例，优化实验项目，增加设计性、综合性实验数量。改变仅依据实验报告得出课内实验成绩的考核方式，重视学生的实验操作过程，在期末时学生提交一个单片机应用系统设计，作为课内实验考核的一部分。同时在教学过程中，随堂布置1～2个课程相关小实验，并对学生实验结果做出评价，有针对性地指导学生解决在实验过程中遇到的问题。

综上所述，对单片机课程考核方式的改革，主要是把课内实验放在课程考核的核心位置，目的是让学生重视课内实验，从而提高学生对单片机知识的综合应用，并能够掌握系统硬件电路设计和程序调试。既可以对学生的平时成绩做出客观评价，又能培养学生的实践能力和应用能力。

2.7 实施实验室开放改革

实验室是学生进行实践学习和课程设计的主要场所，实验室开放对单片机课程实验教学和培养学生单片机综合系统设计能力有重要意义。学校积极推进实验室开放，完善实验室开放制度，通过实验室开放积极开展校内学科竞赛，鼓励教师积极参与实验室开放项目的制定。选拔有项目参赛经验的学生作为实验室助理，帮助实验室教师进行实验室开放过程中的管理工作，提高学生的实验参与感。同时实验室助理会协助教师进行实践项目指导，并对新生进行基础知识培训和实践能力训练，发挥“传帮带”的作用。通过座谈会或小课堂的形式，分享自己的项目经历和对单片机课程外知识的学习方法，从而激发学生的学习兴趣。

实验室开放项目一般由本年度计划参加的学科竞赛项目、专业综合实践项目和学生创新创业项目构成，同时支持学生自拟题目，实验内容多样化，且与课程所学知识联系紧密，特别对于实践性和应用性都很强的单片机课程来说意义重大。学生通过实验室开放项目扩展学习视野，既锻炼了动手能力和单片机知识应用能力，又检验了自己的学习效果，同时提高了实验室利用率，对单片机课程改革起到了积极的促进作用。

3 结语

结合我校应用型本科院校的特点，通过对单片机课程教学内容、实验方式、教学模式、考核方式等多方面的教学改革和探索，激发了学生对单片机课程的学习动力，提高了学生的实践能力、创新能力和岗位认知能力，为学生进一步学习单片机知识或进入社会打下良好基础。学生利用所学单片机知识积极参加全国大学生电子设计大赛、智能汽车竞赛等各类学科竞赛和大学生创新创业活动，取得了良好的成绩。用此种方法培养的学生有较多实践经验，更受用人单位的青睐。

在提升学生能力的同时，教学改革对单片机课程师资队伍建设也产生了较为积极的影响，促进了教师实践教学能力的提升，以及对学生当前的学习环境、社会需求的认知，为进一步优化单片机课程教学提供了帮助。单片机课程改革对我校培养具有动手能力、创新意识、爱国精神、社会责任感的应用型人才来说具有现实意义。