基于ETPP模式的单片机原理及接口技术教学改革实践

杨大勇，李春泉，艾群磊，杨俊清

（1.南昌大学先进制造学院 江西 南昌 330031；2.南昌大学信息工程学院 江西 南昌 330031；3.北京杰创永恒科技有限公司 北京 102200）

随着社会经济的发展与科技的进步，社会建设对人才的要求越来越高，培养实践能力强、创新能力强、符合社会需求的复合型创新性新工科人才，重要性越来越显著。同时，建立一流的课堂，打造一流的专业，不仅需要培养学生具备良好的理论基础，还需要重视学生的实践能力，强调将理论知识运用到具体的实践之中[1]。

当前的课堂教学模式往往存在着“一短二分离三固定”的痛点：“一短”是指实践教学环节的授课时间短于理论教学环节；“二分离”其中第一个分离是指理论与实验分离，理论课讲解内容与实验课教学要求匹配度不够，内容关联性少、实验衔接性弱，第二个分离是指理论课老师与实验课老师分离，不能很好地体现理论对实践的指导意义，不能实时给予学生反馈等；“三固定”是指固定的教室、固定的时间、固定的老师。[2]

本文以培养学生实践能力，提升学生创新能力为初衷，采用ETPP渐进式实践能力培养模式，基于现有的教学设施及实验室设备，构建了一个覆盖全面、渐进式的学生综合实践能力培养体系，实施过程中取得了良好的成果，学生们的创新能力、综合实践能力均得到了显著的提高。

1 传统实践教学的问题

传统的单片机原理及接口技术课程教学，存在的问题主要有以下几点：

第一，在实验中所使用到的设备与软件比较老旧，部分实验箱硬件存在故障情况，需对现有设备进行更新。

第二，单片机原理及实验课程，主要围绕的是51系列的单片机，学生们无法通过课程及相关实验去了解一些主流的单片机，接触主流的技术，与实际应用相接轨。

第三，实验课课时较少，学生缺少足够的动手机会，对于单片机的电路设计以及编程，能够利用的训练时间非常少，学生的动手能力难以提升。

第四，理论课与实验课缺乏足够的联系，缺乏基础性实验，在理论课中学生们学到的一些理论知识，缺乏平台去尝试相关内容；在实验课中，一上来便是对单片机系统的开发，使得学生感到力不从心。在理论课与实验课之间，需要一个合适的平台让学生们了解单片机的基本知识，自己搭建单片机的简单系统，编程尝试，才能更好地在实验课中对单片机实验箱系统进行操作，收获更好的效果。

第五，实验指导书的更新不够到位，学生实验中遇到的比较常见的问题及相关的解决方案，容易重复出现，而对于具有创新性的解决方案较少提及，需要结合实际进行修改。

2 ETPP渐进式实践教学体系

2.1 ETPP渐进式实践模式的构思

ETPP的具体含义为Experiment（基础实验）—Training（综合实验）—Practice（实践训练）—Project（项目实践），即四个层次，依次递进[3]。为实现ETPP渐进式实践能力培养模式，以单片机原理与接口技术课程为核心，将ETPP的思想应用到单片机的教学之中。其一，基于现有实验课教学模式的不足，对现有的实验课教学结构进行调整，增加实验课程的学时，以消除理论课时长久以来大于实验课时长的弊端；其二，增强理论课与实验课之间的联系，在一些课程上安排理论课老师同时兼任实验课的教学；其三，针对部分仪器设备老旧问题，对相关的仪器设备及器材进行更新，购置新款的单片机实验箱；其四，以本专业的本科生课程设计及综合创新实验室的器件与设备为基础平台，构建一个课内课外相结合，线上线下相辅助的全程化、渐进式实践教学体系。

2.2 ETPP渐进式实践模式的实现

课程教学过程中，利用专业实验室的平台，借助于实验室的软件以及硬件设备，辅助正常的实验课及理论课教学，构建全程渐进式创新实践能力培养模式[4]。

2.2.1 实践准备

为更好地实现ETPP渐进式实践能力培养模式，始终坚持以学生为中心，在学生入学之初，组织新生参与本专业本科综合创新基地的宣讲，邀请基地负责人为新生介绍基地及实验室情况，鼓动学生们的热情，老师们鼓励专业的所有同学参与到相关创新基地之中，提前接触专业知识，包括但不限于单片机、电路、数字电子技术、模拟电子技术、传感器、自动控制原理等课程内容。依托于创新基地的设备，让同学们更快地接触到知识的运用层，亲身完成一些电子产品的设计，从而激发学生的兴趣，更快地融入专业之中，提升依赖感与自信心。

2.2.2 具体实施

在实验管理方面，遵循ETPP渐进式培养模式，从四个层次出发，安排学生们的实验室活动。

Experimen（t基础实验）：在实验室初期，主要由学长学姐为新生安排培训，包括电路原理、数字电子技术、模拟电子技术以及单片机等基础知识，同时针对培训内容布置相关的设计任务加以巩固，进行一些基础性的实验，为学生们打好基础，完成基本的知识储备。

Training（综合实验）：在这一阶段，学生们已经具备了基本的硬件电路知识，也对单片机的输入与输出有了一定的了解与实践，本阶段旨在进一步培养学生们对于单片机的运用能力，将单片机结合一些传感器，如红外测距传感器、温度传感器等，也要求实现一些常用的通信方式，如IIC、SPI等。学生们通过在该阶段的学习，能够对传感器及通信方式的驱动程序有更深的认知，电路设计能力也有所提高。在熟悉51单片机的开发之后，也可以借助实验室的条件去接触一些其他的单片机，如Arduino、STM32等。

Practice（实践训练）：在学习了单片机以及单片机外设、传感器、通信方式后，学生们已经具备了开发一些简易单片机系统的基础。在本阶段中，实验室会指导学生们进行一些与单片机有关的自主设计，将学生们进行分组，每组自行选题并拟定任务书，组内人员明确分工，共同完成该设计，培养学生们的团队精神与组织能力，同时通过自主查找资料，也能够提升学生们对于资料的收集能力。

Projec（t项目实践）：知识的学习，最后必须运用到实践之中，在前三个阶段所涉及的内容均属于基础知识，不具备综合性，单片机本身只是一款数据处理的工具，必须在实际应用中才能够发挥具体的价值。在项目实践阶段，学生们会接触到一些具体的实践类项目，可以通过参与到老师们的创新创业项目、科研训练项目中，借由这些具体的项目来对知识加以运用，在这个过程之中对前三个阶段学习的内容进行梳理。除参与到老师的项目之中，学生们也可以参加专业相关的学科竞赛，在课赛融合下，以学生为中心，教师为主导，进一步激发学生的兴趣，提升学生的创新实践和团队合作等多项综合能力，同时促进学科建设和专业发展[5]。

2.2.3 与实践课程相协调

专业基础课堂教学中，需要与具体的实验课程相接轨，共同配合以使ETPP模式发挥更好的效果。首先是单片机原理实验，对应于Experiment，其主要目的在于培养学生对于单片机系统的基本使用，活用单片机的I/O口完成基本的输入输出功能，驱动按键、LED等基本的外设；其次是智能仪器实验，其基于单片机原理实验，并进行了扩展，立足于51单片机的三总线原理，拓展了更多的外设，如编码键盘、显示屏等，与Training相对应，综合性较单片机实验更强；再次是单片机相关的课程设计，对应于ETPP的第三个层次Practice（实践训练），该阶段旨在锻炼学生们的综合设计能力，通过独立地完成系统硬件与软件的设计，提升自己的实践动手能力；最后是毕业设计，对应着四个层次中的Projec（t项目实践），与老师的课题与项目接轨，是对于知识的综合性创新性运用。

2.2.4 线上线下相结合

除去正常的上课时间外，在周末以及寒暑假时间，学生们往往无法有效利用时间，也缺乏解决问题的途径，本专业基于实验室平台搭建了一个小型网站，师生皆可进入到网站之中，注册成为用户，查看网站中的资料、发帖子等。老师们可以在假期通过平台，发布一些任务及资料供学生们进行学习，学生们可以在平台上提出及讨论问题，与线下教学相互补充验证[6]。

3 ETPP教学模式下的成效

面向我校电子信息类、仪器类、自动化等专业，提供必要的经费以及技术、设备等方面的支持，将单片机原理及接口技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，开展单片机课堂教学改革，扭转传统教学中存在的“一短二分离三固定”的实验实践痛点，通过ETPP渐进式、全面化的方式来培养学生基于单片机技术进行系统设计、综合创新和项目管理等的能力。

3.1 学生的实践能力成效

在近三年间，仅仪器类专业学生，多次取得国家级奖项，包括全国大学生机器人大赛二等奖一项，全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛一等奖四项，“西门子杯”中国智能制造挑战赛全国特等奖一项、全国一等奖两项，蓝桥杯嵌入式赛项全国二等奖一项，数学建模美赛一等奖一项；省级奖项有蓝桥杯嵌入式赛项江西赛区一等奖一项、二等奖两项，其他专题赛一等奖一项、二等奖多项。

3.2 教师的教学能力成效

在课程教学团队的共同努力下，单片微型计算机原理与接口技术课程先后在中国大学MOOC、学银在线、国家UOOC联盟等平台上线，取得了积极的教学效果，并获得省级精品在线课程、省级一流课程、省级本科教学成果二等奖、全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛（鼎阳杯）一等奖等荣誉。

4 总结

本文从传统的实验课教学模式的不足之处出发，指出了当前教学模式存在的“一短二分离三固定”的痛点，采用ETPP模式进行单片机原理与接口技术教学实践改革。以专业综合实验室为平台，将实验室的学习过程按照ETPP的四个层次进行划分，实现了全面的、渐进式的学生综合实践能力培养体系，并将实验室与实验课的教学进行联系，使二者达成高度的协调，能够在学院更好地进行双一流课程建设与实践，培养实践能力强、创新能力强、符合社会需求的复合型创新性新工科人才。