基于ETPP模式的单片机原理与接口技术课程实践教学改革探索

马春燕 郑丽君 贾燕冰

基金项目：2022年山西省高等学校教学改革创新项目“应对疫情《单片机原理与接口技术》融合式ETPP实践教学探索与实施”（J20220150）；2021年山西省高等学校教育教学改革创新项目“电气工程一流专业建设研究与实践”（J2021113）

第一作者简介：马春燕（1966-），女，汉族，河北唐山人，工学博士，教授，硕士研究生导师。研究方向为智能监测监控技术、新能源发电及控制技术。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.031

摘  要：针对单片机原理与接口技术课程在传统实践教学过程中，学生受规定时间、固定地点、指定实验设备的限制，实践与创新热情不能充分发挥的问题，该文以学生发展为中心，以提高学生实践能力为核心，构建ETPP渐进式从理论到实践、从仿真到实操的新型实践教学模式，打造完整的实践教学生态和全过程综合考核评价体系。学生使用51系列、STC15系列、Arduino UNO R3和STM32四种单片机便携式实验装置和多种传感器及外设模块，随时随地学习并实践，激发主动学习和探索实践的热情。实践教学表明，ETPP 模式能够更好地培养实践能力强、创新能力强、符合社会需求的复合型创新型新工科人才，具有良好的教学效果。

关键词：单片机；ETPP模式；实践教学；便携式实验装置；评价体系

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0131-04

Abstract： In the traditional practical teaching process of  SCM Principle and Interface Technology， the students are assigned to finish appointed experiments in fixed place on fixed time using allocated experimental device and their enthusiasm for practicing and innovating cannot be brought into full play. With student development as the center and focusing on improving students' practical abilities， the new practical teaching mode of ETPP progressive from theory to practice and from simulation to practical operation is constructed， and a complete practical teaching ecology and a comprehensive assessment system for the whole process are created. Students use four types of SCM portable experimental devices， including the 51 series， STC15 series， Arduino UNO R3 and STM32， as well as various sensor and interface modules， to learn and practice anytime and anywhere， inspiring the enthusiasm for active learning and exploration practice. Practical teaching has shown that the ETPP model can better cultivate composite innovative new engineering talents with strong practical and innovative abilities that meet social needs and has achieved good teaching effects.

Keywords： single chip microcomputer（SCM）; ETPP mode; practical teaching; portable experimental device; evaluation system

随着中国特色现代化建设对专业人才的要求越来越高，培养实践和创新能力强、符合社会发展需求的复合型新工科人才的重要性越来越显著。同时，“双一流”建设不仅需要培养学生具备扎实的理论基础，还必须重视学生的实践能力，强调将理论知识运用到具体应用实践之中[1]。因此，实践教学改革势在必行。

单片机原理与接口技术是一门理论与实践紧密结合的应用型课程，教学目标是通过该课程的理论学习、知识积累、实践应用与设计创新等环节的培养，使学生全面掌握单片机的结构及工作原理、汇编语言程序设计及可编程接口电路设计的方法，提高软件编程和硬件设计能力，为进一步独立分析解决工程实践问题、开展新技术创新奠定扎实的基础，培养学生严谨、负责的工作作风，增强社会责任感[2-3]。

单片机便携式实验装置也称作“口袋实验室”，俗称“口袋机”，将实验设备微型化，便于携带，允许学生自选时间和场合进行实践操作，具有“小身材、大能量、开源性”的优点[4-5]。2014年，“口袋实验室”由斯坦福大学克利夫顿（Clifton）首次提出，很快便得到了耶鲁大学、斯坦福大学和TI公司的大力支持，并完成了多款产品的研发设计并推广应用[6-7]。国内，北京杰创永恒科技有限公司、上海宏晶科技有限公司、普中科技有限公司等也先后开发出多种单片机便携式实验装置，并在高校逐步推广使用[8]。

一  实践教学现状

单片机原理与接口技术是电气工程及其自动化专业的专业基础课，实践教学包括实验、课程设计、专业实训三个环节。传统的实践教学通常在实验室进行，学生需在指定时间、固定地点，使用特定的实验设备，完成教师规定的实验，以演示性、验证性实验为主。然而，传统的实验设备是按照规定的实验项目设计的通用型实验箱，单片机和接口芯片的型号，以及元器件的参数、位置、连接方式和数量都已固定，不具备二次设计开发的功能，同时，实验箱体积大、携带不便，不可能人手一套。另外，由于学生人数较多，通常实践教学与课堂理论教学不同步，很难保证学生在有实验激情和思维灵感的时候进行动手实践，主动探索实践的热情受到限制[9-10]。因此，需要对传统实践教学模式进行改革。

二  ETPP实践教学模式

单片机原理与接口技术实践教学改革以学生发展为中心，从基础实验（Experiment）、综合实验（Training）、实操训练（Practice）到项目实战（Project），构建ETPP渐进式实践教学模式，循序渐进地从理论到实践、从仿真到实操，打造完整的实践教学生态。ETPP实践教学模式构架如图1所示。

图1  ETPP实践教学模式构架

（一）  基础实验（Experiment）

基础实验与理论教学同步进行，学时不限，使用Keil+Proteus软件进行虚拟仿真，包括基础性软件和硬件仿真实验、设计性软件和硬件仿真实验。基础性仿真实验提供程序流程图、参考程序、硬件电路图，设计性仿真实验只给出设计思路，要求学生绘制程序流程图、编写程序、设计硬件电路图，目的在于充分发挥学生的潜在能力，拓展思维，提升分析和解决问题的能力。

在这一阶段，学生刚刚接触单片机，需要从基础性软件仿真实验开始：①使用Keil软件与理论教学同步学习汇编语言指令，目的在于学习并掌握汇编语言指令的格式、执行过程、观察寄存器和存储器内容的变化，所学即所得。②在掌握单片机结构和汇编语言指令的基础上，学习并掌握汇编语言程序的结构和设计方法，绘制程序流程图，编写顺序结构、分支结构与循环结构程序，进行设计性软件仿真实验，熟悉仿真实验的方法和步骤，提高分析、解决问题的能力。③在完成软件仿真实验的基础上，进行单片机中断系统、定时器/计数器、键盘、按键和LED显示器等基础性硬件仿真实验，使用Proteus软件进行芯片和元器件的选择及线路连接，编写程序并进行Keil+Proteus联合调试，旨在掌握单片机最小系统的结构，进行简单的定时、计数、输入/输出硬件仿真实验，进一步提高发现问题、解决问题的能力。④学习并掌握单片机扩展外部存储器（RAM、ROM、E2PROM）和可编程接口芯片（82C55、DAC0832、DAC1210、ADC0809、ADC574）的方法，进行设计性硬件仿真实验，使用Proteus软件进行硬件电路设计，编写程序并进行Keil+Proteus联合调试，掌握单片机应用系统的设计方法和软硬件联合调试技术，有效提升发现问题、解决问题的能力，培养细心、耐心、严谨的工作作风。基础实验见表1。

（二）  综合实验（Training）

单片机虚拟仿真实验可以有效帮助学生快速学习单片机结构、汇编语言程序设计、可编程芯片的扩展方法，掌握建立单片机最小应用系统的构成和设计理念。但是，仿真实验并不能全部真实再现现实中各种电器元件的实际电气特性。因此，在仿真实验的基础上，必须使用单片机实验装置进行实体实验。

综合实验与理论教学相结合，在实验室实验课上进行（8学时）。使用实验室QSDP-X1型单片机开发综合实验箱和DCP-SCM01单片机最小系统，认知所学单片机CPU、可编程接口芯片和元器件名称、型号及电气特性，熟悉硬件综合实验的过程，亲自动手连接电路，下载并运行程序，掌握单片机应用系统的硬件电路设计、软件编程及软硬件联合调试的方法与步骤。完成开关控制发光二极管、矩阵式键盘输入数据、LED数码管动态显示、定时器/计数器输出波形、ADC0809模数转换、DAC0832模数转换、串行数据与并行数据之间转换，以及异步串行通信等实验。通过综合实验，可以有效提高学生软硬件联合调试及使用万用表、示波器等测试仪器的能力。

（三）  实操训练（Practice）

综合实验通常是在指定时间、固定地点，学生使用特定的实验设备、完成教师规定的实验。不能充分发挥学生的能动性并积极投入到单片机的学习和实践中来。随着单片机便携式实验装置的广泛应用，学生可以不受时间、地点的限制，想学习就学、想实践就实践。

实操训练在课程设计环节进行（2周）。学生可以根据所选设计题目，自主选用51单片机、STC51系列单片机便携式实验装置和多种传感器及外设模块，进行系统方案设计、软件编程、电路连接和软硬件联合调试，完成一个单片机应用系统设计。课程设计题目涉及家用电器控制器、智慧交通、工业过程控制等领域，包括20个贴合实际工程应用的设计题目，鼓励学生创新设计、丰富控制功能，旨在培养和训练学生的综合设计能力，体现课程的高阶性和创新性。课程设计题目和传感器及外设模块见表2。

（四）  项目实战（Project）

项目实战在专业实训环节完成（2周）。学生可以选用Arduino UNO R3单片机便携式实验装置+智能四轮小车、STM32单片机便携式实验装置+传感器及外设模块，完成智能小车寻迹避障控制系统、多台智能小车协同控制系统、基于STM32单片机环境温湿度检测控制系统等实际应用项目的设计与开发，培养团队协作意识，提高创新能力。

Arduino UNO R3单片机实验装置以ATmega328P微处理器为核心，STM32单片机实验装置以STM32F103ZET6为主核心，它们与AT89S52单片机结构有所不同，需要对I/O接口和内部资源进行重新设置才可以进行相应的实验。选用这两种便携式实验装置完成单片机应用系统的项目设计与开发，可以有效提升学生自主学习的能力，体现创新性和挑战度。

三  实践教学考核评价体系

在实践教学过程中，以提高学生实践能力为核心，摒弃一份“实验报告”或“一本设计说明书”定成绩的考核方式，对实践教学的全过程进行考核评价，构建“设计过程+成果展示、线上+线下、教师点评+学生互评”的综合考核评价体系。有效调动学生的积极性和主动性，在整个实践过程中“动起来、忙起来”，每个环节都不能懈怠。以课程设计实践教学环节为例，综合考核评价体系见表3。

表2  课程设计题目和传感器及外设模块

四  结束语

本文以培养学生实践能力，提升学生创新能力为初衷，以学生发展为中心，进行了基于ETPP模式的单片机原理与接口技术实践教学改革，从理论到实践、从仿真实验到实操训练，构建完整的实践教学生态。学生使用单片机便携式实验装置、多种传感器及外设模块，边学习、边实践，从基础实验、综合实验、实操训练到项目实战，体现了实践教学的高阶性、创新性、挑战度。通过全过程综合考核评价体系，激发学生学习和实践的积极性，创造人人皆学、处处能学、时时可学的实践教学环境。在实践教学过程中，进行全过程考核评价，注重各个环节的能力培养，不再仅仅以一份“实验报告”或“一本设计说明书”作为评分依据。

2023年春季学期，电气工程2101—2109班共314人，52.6%、28.8%、12.1%和6.5%的学生分别借用51系列、STC15系列、Arduino UNO R3、STM32单片机便携式实验装置和多种传感器及外设模块，积极主动地进行课程设计。对ETPP实践教学模式满意度调查统计结果：“一般”占比10.12%，“比较满意”占比31.45%，“满意”占比58.43%，其中，53.87%的学生取得优良的总评成绩，取得良好的实践教学效果。

参考文献：

[1] 冯洋.基于实践创新能力培养的“单片机原理及应用”课程改革与实践研究[J].高教学刊，2015（15）：87-88.

[2] 王桥，冀慎统，马敏耀.以应用能力培养为目标的实践类课程教学改革——以“单片机原理与应用”课程为例[J].高教学刊，2017（15）：106-108.

[3] 刘艳，秦昌明.“口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2015，32（8）：212-215.

[4] 王国霞.实践教学中应用口袋教学的研究与实践[J].高等理科教育，2016（6）：121-125，115.

[5] 滕召胜，唐求，温和.单片机口袋实验室在实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2017，34（10）：223-225.

[6] 漆强，刘爽.基于嵌入式系统的“口袋实验室”设计[J]．实验技术与管理，2015，32（12）：97-102．

[7] 马春燕，郑剑海，王淑红.“单片机原理与接口技术”混合式教学探索与实践[J]．教育教学论坛，2019，19（50）：168-170.

[8] 腾召胜，高云鹏.基于口袋实验室的单片机实验教学改革[J].电气电子教学学报，2018，40（4）：117-120.

[9] 王中明．“口袋实验”教学方式探索——基于《单片机原理》课程[J].江汉大学学报（自然科学版），2019，47（3）：265-269.

[10] 马春燕，郑剑海，王淑红.基于“口袋机”的“单片机原理与接口技术”课程开放式教学探索[J].实验技术与管理，2020，37（4）：16-19，27.