“单片机原理与应用”课程教学研究和改革

摘要：在现代社会信息化、数字化、万物互联的大背景下，传统的教学方式很难达到理想的教学效果。针对“单片机原理与应用” 课程信息量大、抽象难懂、学时少、实践能力要求高等问题，文章提出了一种基于PBL（Problem Based Logic）贯穿式项目的三级分类培养仿真教学法，将物料计数器作为贯穿式项目融入所有章节的学习，以问题为导向将其分为基础功能（一级）、扩展功能（二级）和创新功能（三级）并以教师仿真演示为辅、学生仿真实操为主进行项目练习。同时，对课堂教学设计、实施手段、考核方式等方面也进行了改革。实践结果表明，该方法激发了学生对前期理论知识的学习热情，对学生快速上手、入门单片机，增强动手实践能力具有重要的作用。

关键词：PBL；贯穿式项目；三级分类培养；单片机

中图分类号：TP39 文献标志码：A

0 引言

在当前教育改革的浪潮下，传统的教学模式正面临着前所未有的挑战。尤其是在信息技术、数字化和万物互联快速发展的社会背景下，“单片机原理与应用”这门课程的理论教学现状更是凸显出种种问题。作为机械电子工程的专业核心课程，该课程对于培养学生的动手实践能力、创新意识和团队合作精神具有重要作用。然而，由于课程内容的信息量大、抽象难懂以及学时有限等问题，学生普遍面临着“眼高手低”的困境，即理论知识掌握不牢固，实践操作能力弱，难以快速入门和深入学习［1］。

为了解决上述问题，本文提出了一种基于PBL贯穿式项目的三级分类培养仿真教学法。该方法通过将物料计数器项目作为贯穿式项目，融入所有章节的学习中，以问题为导向将其分为基础功能、扩展功能和创新功能3个层级。同时，采用教师演示为辅、学生实操为主的教学方式，强化学生的实践操作能力和问题解决能力。此外，对课堂教学设计、实施手段及考核方式也进行了相应的改革，更加注重学生的能力培养。

实践证明，这种教学法能够有效激发学生的学习兴趣，帮助他们快速理解并应用前期学习的理论知识，显著提升学生的动手实践能力。这不仅为解决传统教学中存在的问题提供了一种有效的解决方案，而且对于提升学生的整体学习效果和实践能力具有重要意义。

1 课程概述与教学现状分析

本节首先对“单片机原理与应用”课程进行了课程概述，并对课程目标、教学内容2方面内容进行了详细介绍，最后对教学现状进行了深入的剖析。

1.1 课程概述

“单片机原理与应用”是机械电子工程的专业核心课程，主要为大二学生开设。采用OBE理念［2-3］，以成果为导向，即学生毕业后能干什么来确定课程目标。最终确定的知识目标为：掌握计算机的基本知识，掌握单片机硬件构成和基本原理，掌握常用汇编及C语言的程序结构和编程环境，掌握小型单片机系统的开发过程与实现方法。能力目标为：具备分析功能搜集资讯的能力，具备单片机应用产品的方案设计能力，具备单片机应用的硬件电路设计能力，具备单片机系统的软件程序编写能力，具备单片机系统的软件程序和硬件电路的调试能力，能进产品装配、焊接、制作和功能测试。素质目标为：培养耐心细致的工作态度和团队合作精神，培养规范的操作习惯，树立安全意识，培养学生创新意识，树立社会责任感和使命感。

以项目式仿真为载体，以能力目标实现为主线强化知识目标和素质目标的达成。教学内容分为38课时的理论，10课时的实验和2周的实践。

1.2 课程教学现状分析

但是针对前期枯燥的理论课程，老师如何教学，学生如何快速上手、快速入门，都是大难题。在单片机课程的教学实践中，观察到学生普遍存在理论认知与实践技能不匹配的现象。当授课内容涉及关键概念和难点时，教师会特别强调其重要性并要求学生深入理解。虽然多数学生在课堂上能够跟随教师的讲解节奏进行互动，表现出一定的理解程度，但在随后的测验和实际操作中，他们的表现通常未达到预期标准。这一现象揭示了学生在理解应用方面的不足以及学习主动性的缺乏，这些因素是导致学生学习成效不佳的主要原因。进一步分析显示，学生的动手能力相对匮乏，但擅于应对书面考试以获取高分，这对于一门高度重视实践能力的课程来说，显然无法满足教学目标的要求［4］。

2 教学改革方案设计

为了解决上述问题，笔者参考专业认证的各项理念，围绕支撑毕业要求的课程目标，进行了以下3个方面的教学改革设计。

2.1 采用基于PBL贯穿式项目的三级分类培养仿真教学法

本文提出了一种基于PBL的贯穿式项目三级分类培养仿真教学法。

2.1.1 贯穿式项目的确定

通过梳理教材中10个章节的全部知识点，从各类单片机应用案例中选择确定了物料计数器作为贯穿式项目并从第三周开始仿真实操练习。“物料计数器的设计”项目可贯穿到教材中多个章节的多个知识点的学习，如第3章和第4章的汇编语言和C语言程序设计，第5章的KeilC51集成环境的使用，第6章的Proteus软件的使用，第7.2节的定时计数器，7.4节的中断系统，8.2节的数码管的静态和动态显示，8.3节的LCD液晶显示屏节，8.4节的独立按键和矩阵键盘，第9章的AD、DA转换器，第10章的单片机应用系统的开发设计。将其功能不断扩展、更新、变种，物料计数器的实现几乎可以涵盖和衔接整个单片机课程教材的第1章到最后一章即第10章所有知识点的内容，如图1所示。

2.1.2 基于PBL问题导向的三级分类培养

以问题为导向将物料计数器项目要求分为基础功能、扩展功能和创新功能3个层级，鼓励学生根据不同的学习基础和能力，完成不同的内容。

其中，基础功能为一级功能，要求所有学生必须完成。包括：来料检测、统计次数（外部中断法）和显示料数。

扩展功能为二级功能，要求一部分学生课上、课后自主完成。主要包括：（1）传送带送料控制（传送带启停控制产线是否加工来料）；（2）预制打包物料数目（比如修改设置10个一捆打包，或50、100等一捆打包）；（3）打包提醒提示；（4）多位物料统计和显示；（5）显示设备多样化（比如从OLED换成LCD显示）；（6）控制打包机打包等。

创新功能为三级功能，需要考虑是否商品化、市场化，是否可变种升级，是否有做项目、参加比赛和申请专利的可能性。学生在不同周次用不同章节的知识点完成的基础功能仿真动画，如图2所示。包括：第3、4周，小灯控制和2款软件的使用；第5、6周，声光报警系统；第7周，独立按键查询；第8、9周，定时计数器；第10、11周，中断系统；第12周，数码管；第13周，液晶显示器等知识点。经过扩展后，可完成功能更全的物料计数器。

2.1.3 教师演示为辅学生实操为主的仿真教学

通过机房仿真，实验室调试和焊接实验室实物制作的多个平台的层层加码，学生对物料计数器、直流电机调速控制等项目，也有更多的经验和受益。

2.2 采用基于过程的六步法实施实验实践教学

实验和实践内容采用基于过程的六步法，通过6个有序的步骤来引导学生完成实验实践，包括：（1）资讯。查找资料确定任务。（2）计划。制定计划和工作流程初步拟订方案。（3）决策。确定整体设计方案。（4）实施。完成硬件电路和软件程序设计完成调试。（5）检查。进行仿真运行和测试完善和改进设计与制作。（6）评价。对任务完成情况进行考核评价。

整个过程学生较感兴趣，可以有效地实现实物的制作与调试，包括：物料计数器、自动浇花器、汽车倒车雷达、简易电风扇、万年历、电子密码锁、电子时钟、智能手环、智能台灯、简易电子秤等。

2.3 教学手段和教学资源多样化

通过生活案例引出单片机的概念，如由倒满水的杯子溢出，引出定时器的溢出。除了在学习通、慕课开放多个视频资源，每节课会提前一周在QQ群发布学习目标以及课后答疑［5］。采用视频法导入物料计数器的项目要求，对来料检测、统计次数、显示料数有初步的直观概念，并演示动画，进一步强调每10个一组打包以及一位数码管显示料数。教师演示为辅，讲清思路后，学生实操为主。在实现手段上，注重细节，将故事法、类比法、翻转课堂、过程激励法等多种教学方法融合，且将学习通平台、QQ群公告等资源合理利用，给学生创造更多的学习途径［6］。针对课程内容的所有知识点进行了课程思政的深入思考，将思政元素融入并贯穿到课程始终。

3 教学考核与改革效果评价

课程评价中过程考核和期末考试各占比50%，其中加分政策鼓励了学生的积极性。最终的学习效果较好，部分学生的毕业设计作品完成度较高，在相关比赛（如飞思卡尔智能车、大学生机器人比赛、机械创新设计大赛等）也获得了较好的成绩；部分学生进入电路设计、单片机调试等岗位，深受企业好评。

4 结语

为解决“单片机原理与应用”传统的复杂枯燥的理论教学方法，激发学生的学习兴趣和效果，提高培养应用型人才的质量，本文提出了基于贯穿式项目的三级分类培养仿真教学法，以物料计数器作为典型案例进行贯穿教学并在每节课设计不同层次的教学内容和目标，以满足不同学生的需求。利用仿真软件来模拟单片机的工作原理和应用场景，让学生在没有实际硬件的情况下也能上机实验。采用基于过程的六步法实施实物调试的实验实践教学，并将教学手段和教学资源多样化，从课堂提问、课堂仿真实验完成度和作业完成度以及期末考试情况来看，学生的学习热情和效果有了较大的提高。通过以上教学改革，效果最明显的是，从课堂上涌现了一批对单片机控制和应用感兴趣的学生，积极参加相关比赛并取得了不错的成绩。同时，本文的研究不仅有助于推动“单片机原理与应用”课程的教学改革，也为其他技术含量高、信息量大、理论与实践并重的课程提供了有益的参考和启示。

参考文献

［1］杨艳玲，+0JWHOamSzSlQTondT3zkODdKsgZhZWu2lzQq4Ey1WY=彭红霞，彭显琪.循序渐进式教学方法在“Python程序设计”课程中的应用［J］.无线互联科技，2024（3）：95-99.

［2］何东彬，祁瑞丽，朱艳红.基于OBE和竞赛的“人工智能导论”课程改革探索：以工程教育认证为背景［J］.无线互联科技，2024（8）：106-109，124.

［3］郑晓东，朱薇.基于双导向的深度OBE教学模式研究与设计［J］.无线互联科技，2023（14）：129-132.

［4］黄恒一，付三丽.混合“线上”+“线下”嵌入式课程考核改革研究［J］.无线互联科技，2023（16）：150-153.

［5］吴秋，胡伟.基于Python高级语言程序设计的“金课”建设分析［J］.无线互联科技，2023（11）：138-140.

［6］孟锦涛，汪婵，刘晓伟，等.基于线上线下的“微机原理与接口技术”混合式教学改革与实践［J］.无线互联科技，2023（11）：141-145.

（编辑 沈 强）

Research and reform on the teaching of “Microcontroller Principles and Applications” course：

three level classification training simulation teaching method based on continuous projects

LIU Jie， WU Yang， ZHANG Yaqin， LI Manman

（School of Intelligent Equipment Engineering，Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract： In the context of modern society’s informatization， digitization， and the interconnection of all things， traditional teaching methods are difficult to achieve ideal teaching results. This article proposes a three-level classification training simulation teaching method based on Problem Based Logic （PBL） continuous project to address the problems of large amount of information， abstract and difficult to understand， few class hours， and high practical ability requirements in the course of “Microcontroller Principles and Applications”. The material counter is integrated into all chapters of the learning as a continuous project， and is divided into basic functions （level 1）， extended functions （level 2）， and innovative functions （level 3） with a problem oriented approach. The project practice is supplemented by teacher simulation demonstrations and student simulation practical operations. At the same time， reforms have been made in classroom teaching design， implementation methods， assessment methods， and other aspects. The practical results show that this method has stimulated students’ enthusiasm for learning theoretical knowledge in the early stage， played an important role in quickly getting started with microcontrollers， and enhancing their hands-on practical abilities.

Key words： PBL; through project; three level classification cultivation; single chip