单片机原理及应用课程教学改革探索与实践

王春梅 谢印忠 岳耀亮

摘  要：单片机原理及应用课程是工科专业开设的一门应用性较强的专业必修课程。文章分析了单片机原理及应用课程传统教学中存在的问题，从理论和实践两个方面，提出了以学生为中心的教学改革思路。通过理清单片机原理及应用课程教学改革基本思路，分别从教学内容、教学组织方式、课程考核评价、实验教学方法以及课程设计等方面，分析了单片机原理及应用技术课程教学改革的措施，通过改革持续改进以满足新形势下对高质量应用型人才的需求。上述教学改革探索与实践，旨在逐步提高学生的综合素质能力，为学生毕业后走向社会、胜任岗位奠定良好的基础。

关键词：单片机原理与应用技术；教学改革；实验教学；课程设计

中图分类号：G642   文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）29-0109-04

工程教育认证制度是保证工程教育质量和发展的关键，是一种国际通用性的管理体系。中国于2016年6月正式签署《华盛顿协议》，该协定对中国本科工程教育学位的认定产生了深遠影响，表明我国工程教育在国际上的地位和认可程度得到了进一步提高，对于中国工程教育认证质量和国际竞争能力提高具有重大作用。单片机原理及应用课程是工科专业一门重要的专业必修课程。通过对单片机的内部结构、基本原理和应用技能的学习，培养学生在设计、开发、调试、应用等领域的实践创新能力和逻辑思维能力，从而提高其专业技能，为后续的专业教育和实践应用奠定良好的理论和实践基础［1］。由此可知，单片机原理及应用课程改革势在必行。

一、传统的单片机原理及应用课程教学存在的问题

（一）理论和实践脱节

单片机原理及应用这门课程涉及单片机的基本操作、编程语言、I/O、中断的应用、定时计数器的应用以及串口通讯等内容。通过实验/课程设计等实践教学，可以使学生更好地记住相关知识点，从而使学生能够更好地掌握相关理论，以达到对理论知识的验证，从而提高学生的实践应用能力。但是，目前高校单片机原理与应用技术课程的理论和实践教学之间还存在一定的脱节，学生对单片机理论知识的理解不够深入，无法使用相应的开发工具进行单片机应用系统的开发和设计，影响了单片机课堂教学效果。

（二）教学方式单一

由于受传统教育观念影响，部分教师采用了单一的教学方式，并且有些教师照本宣科，强行将理论知识灌输给学生，忽略了学生的学习体验，造成学生对单片机原理的学习兴趣不足，实践技能也没有得到充分锻炼，不能把所学的知识应用到实际中，使学生难以获得招聘单位的青睐。

（三）教学模式落后

本研究对单片机原理及应用教学模式进行探索发现有任务驱动型、工学结合型、理实一体化、教学一体化等教学模式。虽然不能将单片机原理及应用技术教学模式全部总结出来，但是从以上几种教学模式来看，说明了单一教学模式并不能适应单片机的教学要求。由于单片机原理及应用技术是一门实践和应用性较强的课程，作为工科专业的核心课程，教学目的在于让学生了解MCS-51的结构和应用设计方法、典型外围接口应用技术、C51的结构及应用程序设计方法、单片机应用程序设计、单片机控制程序设计等方面的教学，内容上表现为理论和实践具有一定复杂性。从课程特性角度来看，复杂性体现在理论性、实践性和实用性相互融合［2］。因此传统单一的教学模式显然是无法完成全部教学任务，达成教学目标。

（四）教学模式的创新不够

每一种教学模式都有其可取之处，但是如何借鉴，还需任课教师创新性地运用。因此在单片机原理及应用技术的教学实践中，教师要在原有基础上创新教学方式。比如，工学结合一体化是一种深受广大教师欢迎的工学结合教学模式，尽管其方法和应用具有一定规律，但教师并不能完全照搬。由于学情和教学内容的不同，实验设计、实验方案等都会有一定差异，对实验结果的分析也会有较大影响。因此，在教学过程中，任课老师需要在借鉴中进行创新性应用。

二、单片机原理及应用课程教学改革基本思路

（一）重视实验全过程

实验全过程是实现一个完整单片机应用系统的开发过程，根据实验任务的要求，设计出一个合适、合理的硬件系统，并以此设计相应的软件系统。经历测试、分析、修改、测试等相关步骤后，达到实验任务要求，并最终完成整个实验项目。在每一次、每一台单片机的实验中，不管是简单的、论证性的、设计性的或综合性的实验过程，都可以将其当作一个单片机的应用实例，或将其当作一个实际工程认真对待，以此积累工程实践经验。

（二）强化硬件电路设计

首先，在单片机应用系统中，硬件电路的设计必不可少，而传统的实验常常忽视这一环节。一些实验板或实验箱已经提前安装好硬件电路，一些实验已经选定了某个接口，只需要将指令中的程序下载到实验板上，就可以完成任务要求。这样一来，学生在做完实验后，往往都不知道其中的原理和过程。事实上，相同的实验课题或项目，可以用不同硬件电路构成，也就需要使用不同的软件来驱动硬件。其次，通过硬件电路设计，能够更好地了解单片机的工作原理，掌握单片机软硬件的相互关系，这也是学习和掌握单片机的基本原理，尤其是掌握单片机应用系统设计的关键环节［3］。为了强化硬件电路设计训练，教师可以采取以下措施：要求学生按照项目要求，完成硬件电路设计，然后进行软件设计；要求学生在实验报告中，利用仿真软件将整个实验的硬件电路绘制出来，并对其工作原理进行简要说明。

（三）突出个性化培养理念

高校教师面向的是不同的学生，学生由于个体差异可以分为研究型、应用型、潜能型。其于个人的兴趣爱好的差异，只有在实验中突出个性化的教学观念，即根据学生的不同类型、兴趣爱好，提供不同的实验课题，才能让学生获得最大的学习收获。可以从三个层面反映个体化的教育观念：第一，在同一实验中，实验主题的设置多样化；第二，灵活的实验个数选取。学生可以根据自身基本条件，自由选择或不选择实验问题；第三，实验小组自主划分。小组可以是一个人，也可以是多人，由此，能力差的学生可以通过学生间的讨论，互相帮助解决问题，也可以培养和锻炼学生的合作精神。

三、单片机原理及应用课程教学改革措施

（一）教学内容改革

高校要推进单片机原理及应用课程的教学改革，必须从理论与实践两个方面着手，首要任务是强化教学内容改革。首先，在理论教学中，要全面了解理论内容所包含的所有知识点，并用模块化的方式表达理论知识，增强知识点间的相互联系，促进学生对单片机相关知识的理解，降低单片机的学习难度，提高课堂教学的效果。总结起来，在单片机理论教学方面，可将其分为四大部分：第一是硬件部分，包括单片机的硬件结构和内部原理；第二是软件部分，主要是由单片机指令系统和汇编语言以及C51组成；第三是采用单片机定时计数器、中断系统以及串行通信等功能；第四是扩展模块，在此基础上，提出基于单片机硬件系统的软件设计，并总结该系统的开发与设计要点。该单元部分由浅到深，层层递进，在掌握基础理论知识后，再进行综合、拓展式教学，将会起到事半功倍的作用［4］。

其次，在实践教学中，教师要根据不同模块，进行相应的实验设计，使理论与实践相结合，推动单片机课程教学水平的提高。在软件设计方面，教师要给学生更多的自由设计空间，使学生能更好地发挥主体性和主动性，帮助学生明确自己的设计内容；在教学过程中，通过合理的选择和引导，使学生在学习过程中注重理论与实践相结合，加深学生对单片机及其应用有更深刻的理解。学生在学习过程中也会感受到一种成就感，他们学习热情空前高涨，职业素养和综合素质也会随之提高。

（二）教学组织方式改革

首先，采用以项目为导向、以任务为驱动的教学模式。每一堂课都是以任务为主线，围绕主线对所涉及的知识、技能进行教学。教师在课堂上发挥引导作用，以学生为中心，一边授课，一边进行相应的教学活动。由此可以看出，在教学组织方式实施过程中，教师和学生都有清晰的思路，并且清楚地认识到了教学目标。教师课前向学生分配作业，学生利用业余时间通过网络课程提前学习理论知识做好相关的准备工作，初步确立学习目标，并对预习作业进行分析。在此过程中，学生对该轮课程的目标有了初步认识，而不是被动地接受教师的“填鸭式”灌输。在课堂上，学生和教师共同对项目进行分析，教师可以在此期间传授相关的知识［5］。其次，以现场示范的方式进行教学。比如，在进行单片机控制广告灯教学时，当学生对任务目的有了清晰的认识后，教师可以通过现场演示的方式来展示任务的执行效果，并对所需要的知识进行逐步分析。教师将本次项目中所需要的知识点进行详细地讲解，演示如何将其应用到项目设计中。这种现场示范的教学方式，不但可以使学生不再死记硬背，还可以使学生了解工程上的项目如何实施。最后，采用团队协作的方法进行教学。采用以任务为主线、教师为主导、学生为主体的教学模式，能够增强学生的学习积极性。在单片机原理及应用技术的教学中，把班级中的学生分为若干组，在制订任务方案时，小组成员共同参与讨论、修改并完成设计方案，教师根据小组给出的方案进行对比，确定最终教学内容。在执行该教学内容时，可以分小组进行讨论，以提高学生的专业素质和团队合作意识。

（三）课程考核评价改革

学生比较看重考试成绩，因为优异的考核成绩不仅可以使自己的能力得到认可，还能够获得奖学金、保研资格、荣誉称号等奖励，此观点会使学生的学习变得功利，只为了应付考试而取得较高分数，可能学生也会采取一些不正当的手段获取好的成绩。以往的考试都是以期末测试为主，导致学生的学习成绩很好，但是实践能力却相对较弱。为推动单片机原理及应用课程改革，课程考核评价也需要进行相应的改革。为了强调实践的重要性，突出学生的实际运用能力，本课程总分=课堂表现成绩（50%）+期末考试成绩（50%），采用过程化考核方式。在项目驱动的教学模式下，所有课程都是围绕项目进行，完成任务后，可以对学生的学习成绩进行记录和打分。相关标准可以根据项目完成的难易程度、质量和对所涉及知识的表述能力来确定。通过教学实践发现，学生的期末考试分数与课堂表现成绩具有一致性。因此，改變教学模式，可以使学生更多地关注和重视课堂表现，优化学习风气，使学习成绩能够有效反映学生的实际水平［6］。

（四）实验教学方法改革

通过验证性实验和设计实验帮助学生在初级阶段把教科书中抽象的理论知识以具体的形式展现出来，将实验与教学内容有机地融合在一起，使学生加深对单片机原理和结构的认识。经过反复的实践，各小组成员的积极性和团队合作意识逐渐增强。为提高学以致用的意识，增强实践效果，教师在教学中期有计划地安排学生完成各种综合性实验项目，由学生自己设计并进行综合性实验，当遇到不明白的问题时，学习实践小组可以随时参考有关学习资料，并将其运用于实验，使学生更好地了解有关单片机的基本概念。在实验教学中，学生是学习的主体，既要主动地掌握基本的单片机理论，又要积极地培养自己实践和综合应用能力，建立起属于自己的知识结构与体系［7］。充分调动学生的积极性，勇于面对问题，勇于解决问题，善于合作创新。鼓励学习成绩优异的学生组成团队参加校级、市级、国家级各类学科竞赛，以赛促教、赛教融合，以多种形式进行创新创业比赛，提高学生的综合素质和动手能力，加强理论与实践的综合运用，培养学生的创新创业精神，实现理论知识的实践和应用。

（五）课程设计改革

单片机原理及应用的课程设计，是培养学生运用系统开发和解决实际工程问题能力的一个重要环节。课程设计安排于理论课的后两周或下个学期前两周，由学生自行组队并选择题目。学生还可以自行拟题，题目要求选有实用价值、与物联网技术相结合的主题。教师在教学计划期间，主要负责教学组织和设计指导。项目组由2至3名学生组成，每位学生都有明确的分工和职责，项目组组长负责协调最终成品的调试和设计报告的编写。例如某课程设计的研究项目要求采用ESP32单片机模块，各种实用传感器，以太网通讯、蓝牙、RFID、NFC无线传感器等相关的技术与模块。设计项目需经教师审核后方可进行，学生可参考有关设计文件及资料，确定最终设计方案，并制作电路板、编写系统软件、系统测试并完成课程设计报告。课程设计评审以小组现场答辩方式进行，评分标准包括方案合理性、作品创新与实用性、设计报告完整性。最后，以实践表现、答辩表现等为依据，对学生的课程设计进行评价。课程总分=教师评价分数（包括作品分数，设计报告和答辩表现）×70%+学生评价分数×30%。

四、结语

单片机原理及应用课程是本科阶段工科专业的必修课，课程内容涉及数字电子技术、模拟电子技术、通信技术、程序设计、电子CAD等知识。学生的學习成效将直接关系到其将来在电子或电气领域中解决实际问题的能力。随着时代的发展，社会与行业对高校单片机原理与应用技术课程教学改革提出了新要求。通过改革教学内容、教学组织方式、课程考核评价、实验教学方法以及课程设计等方面，提升单片机原理与应用技术教学的有效性，引导学生紧随时代的步伐，适应国民经济的发展以及复杂的市场要求，为企业输送更多的实用人才，为有关领域发展提供专业技术支持。

参考文献：

［1］ 匡畅. 基于翻转课堂的单片机教学改革设计与实践［J］. 中国多媒体与网络教学学报（中旬刊），2022（09）：29-32.

［2］ 陶彬彬，胡徐胜. 新工科专业建设中的单片机课程教学改革与实践探索［J］. 电脑知识与技术，2021，17（35）：243-245.

［3］ 严晓波，梁毅，夏大文，等. 基于新工科的高校单片机教学模式改革与实践［J］. 创新创业理论研究与实践，2021，4（19）：63-65.

［4］ 顾亚龙，马远新. 单片机理论与实践的创新教学分析［J］. 电子技术，2021，50（07）：194-195.

［5］ 谢佩军. OBE理念下单片机虚拟仿真实验教学改革研究［J］. 计算机时代，2021（06）：91-94.

［6］ 梁波，田亚立. 信息化教学模式在单片机教学中的应用研究［J］. 中国教育技术装备，2019（09）：108-110.

［7］ 王春梅. 基于单片机课程的“讲学训”一体同步实践教学模式的探究［J］. 教育现代化，2019，6（78）：260-263.

（责任编辑：淳洁）

基金项目：本文系临沂大学2021年度校级教学改革研究项目“工程教育视角下线上线下混合式教学的研究与实践——以单片机原理及应用课程为例”（项目编号：JG2021M11 ）；山东省本科教学改革研究项目“新工科视域下《单片机原理及应用》课堂教学改革与探索”（项目编号：M2022296）研究成果。

作者简介：王春梅（1979—），女，硕士， 临沂大学自动化与电气工程学院电气工程系副主任，副教授，研究方向为智能控制、电力电子；谢印忠 （1970—），男，博士，临沂大学自动化与电气工程学院副教授，研究方向为自动控制、光电精密测试技术；岳耀亮（1971—），男，硕士，临沂大学自动化与电气工程学院大学副教授，研究方向为智能控制。