崔勇?袁海文?王秋生?劉穎異

摘要：單片機課程具有緊密聯(lián)系實際、內(nèi)容豐富等特點，針對該課程教學(xué)中存在的實際問題，提出了基于卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)下的教學(xué)改革的具體方法。通過建立完整的課程知識體系和實踐體系，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和工程實踐能力。提出的教學(xué)方法適合于單片機專業(yè)課程的教學(xué)實踐。

關(guān)鍵詞：單片機；教學(xué)方法；卓越工程師

作者簡介：崔勇（1982-），男，河南漯河人，北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，實驗師；袁海文（1968-），男，陜西扶風(fēng)人，北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，教授。（北京 100191）

基金項目：本文系2011年北京航空航天大學(xué)教學(xué)改革項目“‘單片機原理及應(yīng)用課程探索和實踐”（項目編號：400379）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0080-02

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)的進步，單片機作為一種傳統(tǒng)的嵌入式微控制器也在不斷地向前發(fā)展。單片機技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、檢測技術(shù)、儀器儀表、智能交通、電力電子、家用電器等各個領(lǐng)域。[1-3]目前，高等學(xué)校自動化、電子、通信、計算機等專業(yè)也都開設(shè)了單片機類課程，同時對單片機的教學(xué)研究也日益深入，涉及教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、實驗研究等諸多領(lǐng)域。[4-8]

2010年，教育部基于國務(wù)院《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2010年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的相關(guān)內(nèi)容，提出了卓越工程師培養(yǎng)計劃。該計劃的主要目標(biāo)是：面向工業(yè)界、面向未來、面向世界，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅實的人力資源基礎(chǔ)，增強我國的核心競爭力和綜合國力。[9]該目標(biāo)要求未來的工程師能夠同時兼?zhèn)涔こ虅?chuàng)新和工程實踐能力。基于北京航空航天大學(xué)航空航天特色及研究型大學(xué)的定位，以及授課教師在工程技術(shù)方面的豐厚經(jīng)驗，在卓越工程師培養(yǎng)計劃中，更側(cè)重于培養(yǎng)工程研究型、工程創(chuàng)新型的高端拔尖人才和“兩領(lǐng)人才”（領(lǐng)軍人才和領(lǐng)導(dǎo)人才）?！皢纹瑱C原理及應(yīng)用”課程的改革正是圍繞創(chuàng)新思維和工程實踐兩大能力的培養(yǎng)和提高而開展，從而培養(yǎng)出學(xué)術(shù)研究型的工程科學(xué)家、研發(fā)人員和設(shè)計工程師。本教學(xué)改革針對“單片機原理及應(yīng)用”課程的具體特點和存在的實際問題，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新拔尖人才的卓越工程師為目標(biāo)，對“單片機原理及應(yīng)用”課程的改革進行了初步探索。

一、“單片機原理及應(yīng)用”課程的特點及現(xiàn)狀

“單片機原理及應(yīng)用”課程具有如下特點：實踐性強，“單片機原理及應(yīng)用”課程本身對學(xué)生的理論基礎(chǔ)要求不是很高，它側(cè)重于具體技術(shù)在工程中的應(yīng)用；技術(shù)更新快，單片機誕生至今已經(jīng)有幾十年的歷史了，在當(dāng)今這個信息飛速發(fā)展的社會中，單片機技術(shù)也不是一成不變的。單片機的性能不斷提高、功能不斷加強、類型更加多樣；入門較難，“單片機原理及應(yīng)用”課程以“模擬技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“電路基礎(chǔ)”、“微機原理”、“計算機編程語言”等作為先修課程并且與它們聯(lián)系緊密，是綜合性較強的課程，這給學(xué)生的入門帶來了一定的困難。

“單片機原理及應(yīng)用”課程在本校自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院已經(jīng)開設(shè)了二十幾年，目前，該課程存在如下問題：教材內(nèi)容滯后，以往采用的教材大都是基于傳統(tǒng)的8051單片機進行編寫的，課程的教學(xué)安排也是按照教材內(nèi)容講述，而單片機技術(shù)的發(fā)展卻是日新月異，如何解決教材陳舊與單片機技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾，是“單片機原理及應(yīng)用”教學(xué)改革中需要重點解決的；教學(xué)方式陳舊，傳統(tǒng)的教學(xué)方式以教師講授為主、學(xué)生上課認(rèn)真聽課，課下配以一定學(xué)時的實驗，這樣的教學(xué)方式使得教師與學(xué)生的互動性較差，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；考核方式單一，傳統(tǒng)的考核方式還是以期末閉卷考試為主，這樣會造成學(xué)生的被動記憶，難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，合理的考核方式改革迫在眉睫。

二、“單片機原理及應(yīng)用”課程改革的內(nèi)容

結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計劃，“單片機原理及應(yīng)用”課程的改革以培養(yǎng)工程能力強和具有創(chuàng)新思維能力的人才為目標(biāo)，注重理論知識在實踐中的應(yīng)用，體現(xiàn)對科學(xué)研究能力的培養(yǎng)。

1.“單片機原理及應(yīng)用”課程理論教學(xué)的改革

教師在“單片機原理及應(yīng)用”的理論教學(xué)過程中，不僅應(yīng)該讓學(xué)生掌握基本的理論基礎(chǔ)知識，更應(yīng)該注意引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，還需要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性解決問題的能力。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，本校在確保完成教學(xué)大綱要求的內(nèi)容基礎(chǔ)上，對“單片機原理及應(yīng)用”課程的結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，同時對傳統(tǒng)的課程教學(xué)方式和考核方式進行了改變。

（1）課程內(nèi)容的調(diào)整。傳統(tǒng)的單片機功能單一、處理速度較低、存儲空間少，因而需要利用單片機的“三總線”（數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）架構(gòu)進行功能的擴展。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在相同封裝甚至更小封裝的單片機芯片上集成了更多功能模塊，使得單片機的處理速度和存儲能力已經(jīng)今非昔比，進而造成基于“三總線”架構(gòu)進行并行擴展的應(yīng)用逐步減少，所以教師在課堂講授中只對并行擴展進行簡單介紹，使學(xué)生達到了解的程度即可，同時增加并著重介紹基于SPI總線、I2C總線等串行擴展介紹。另外，由于現(xiàn)代單片機處理速度的提高、存儲空間的增加、開發(fā)環(huán)境編譯器性能的提升，匯編語言在單片機的開發(fā)中已經(jīng)不再占有主導(dǎo)地位，取而代之的是大量的基于C語言的單片機程序。因此在教學(xué)中只讓學(xué)生了解匯編語言的優(yōu)缺點、熟悉基本的指令格式、能夠進行簡單的編程，同時掌握匯編與C語言的混合編程方法即可。在單片機編程語言的講授中，重點介紹嵌入式C語言與基于PC機的C語言的異同點。此外，對一些已經(jīng)不具有實用價值的芯片，如D/A芯片-DAC0832，A/D芯片-AD0809等，在課堂上不做介紹，而講授一些較為常用的外部接口芯片，如基于“1-wire”總線的DS18B20溫度傳感器，基于串行接口擴展的A＼D、D/A、鍵盤控制、顯示控制以及存儲芯片。最后，在教學(xué)內(nèi)容上增加了對Proteus軟件的介紹，該軟件能夠在計算機上模擬單片機的運行，方便學(xué)生在課下進行自學(xué)以鞏固課堂內(nèi)容。課程內(nèi)容的調(diào)整能夠拓寬學(xué)生的知識面，真正實現(xiàn)知識性、實用性、新穎性、靈活性的有效統(tǒng)一。

（2）課程教學(xué)方式的變革。傳統(tǒng)的教學(xué)方式多為填鴨式教學(xué)，該方式以教師講授知識為主導(dǎo)，學(xué)生只是聽課和記筆記。這種方式不能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也不能引導(dǎo)學(xué)生做出創(chuàng)新性思考。而現(xiàn)代教學(xué)較為推崇“研究型”教學(xué)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中增加更多的互動環(huán)節(jié)，積極引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進行深入挖掘，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索能力，但是不能完全否定“傳統(tǒng)型”教學(xué)方式?！皞鹘y(tǒng)型”教學(xué)方式非常重視基礎(chǔ)知識的講授，能夠給學(xué)生打下堅實的課程認(rèn)知基礎(chǔ)，所以教師應(yīng)在“單片機應(yīng)用及原理”課程的授課中將“研究型”與“傳統(tǒng)型”教學(xué)方式合理地結(jié)合，既側(cè)重基礎(chǔ)知識的講授，也要引導(dǎo)學(xué)生積極思考、勤于實踐。這樣既避免了學(xué)生只會考試不會實踐的缺點，同時也為學(xué)生的工程實踐活動打下堅實的理論基礎(chǔ)。

（3）考核方式的變化。改閉卷考試為開卷考試、并增加開放性題目的設(shè)置，深入考查學(xué)生對知識的靈活應(yīng)用程度而不是考查學(xué)生對知識的記憶能力；引入多重評價體系避免單一評價指標(biāo)對學(xué)生的限制。改革后的課程考核結(jié)合開卷考試、實驗考核以及開放性自選作業(yè)考核三種考核方式。改閉卷考試為開卷考試是因為“單片機原理及應(yīng)用”課程是一門應(yīng)用性大于理論性的課程，它側(cè)重于學(xué)生對單片機這門工具的掌握并能將其應(yīng)用到實踐中的程度，而不強調(diào)學(xué)生對知識點的記憶，開卷考試更能夠考查出學(xué)生對知識的靈活掌握能力。同時，借助實驗環(huán)節(jié)的考核，來加強學(xué)生的動手實踐能力。最后在平時布置一些開放性自選作業(yè)，讓學(xué)生選擇自己感興趣的內(nèi)容進行深入學(xué)習(xí)，這些開放式的作業(yè)大都是讓同學(xué)借助Proteus仿真軟件來實現(xiàn)一些小的功能。仿真軟件的使用讓學(xué)生不再受限于有限的實驗課時和實驗器材，使其能夠更加多方面、靈活、深入地學(xué)習(xí)單片機知識。

2.“單片機原理及應(yīng)用”課程實踐教學(xué)的改革

工程實踐能力的培養(yǎng)一方面要求學(xué)生能將課堂所學(xué)知識轉(zhuǎn)換為實踐動手能力，另一方面還要讓學(xué)生具有初步的實際工程開發(fā)意識和能力。所以在實踐教學(xué)過程中，實驗環(huán)節(jié)和科技競賽環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)基礎(chǔ)實踐能力，而科研進課堂能夠進一步提高工程實踐能力。

（1）合理配置實驗內(nèi)容。實驗環(huán)節(jié)對大多數(shù)學(xué)生而言仍是將課堂知識轉(zhuǎn)化為實踐能力的重要環(huán)節(jié)。在保證實驗學(xué)時的基礎(chǔ)上，通過提高綜合性設(shè)計實驗在實驗環(huán)節(jié)中的比例，來培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題能力，同時通過一定的基礎(chǔ)性實驗，學(xué)生較快地熟悉單片機的開發(fā)流程和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。另外，教師可以將實驗指導(dǎo)書提前發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生通過Proteus仿真軟件提前在自己的計算機中搭建出實驗指導(dǎo)書中的單片機硬件系統(tǒng)，然后根據(jù)實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容進行編程，并進行仿真調(diào)試。調(diào)試通過后學(xué)生再在實驗室的真實硬件平臺上進行驗證。這樣做一方面可以使學(xué)生掌握仿真軟件的使用，另一方面可以節(jié)省出大量的實驗時間，從而在有限的實驗學(xué)時內(nèi)安排更多的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生進一步加深對單片機的理解。

（2）推進科研成果進課堂。“單片機原理及應(yīng)用”作為一門應(yīng)用性、實踐性極強的課程，需要授課教師有較為豐富的工程經(jīng)驗，并能夠?qū)⑦@些經(jīng)驗以及科研成果引入到“單片機原理及應(yīng)用”課堂上。這樣一方面可以提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣；另一方面，可以使學(xué)生知道單片機用到哪里、為什么用、如何用、怎么更好地用。同時，在授課中可以以單片機為核心，引導(dǎo)學(xué)生建立初步的工程實踐意識，掌握初步的工程研究和工程創(chuàng)新方法。

（3）引入最新技術(shù)。目前，越來越多的公司每隔固定時間都會舉行一些產(chǎn)品研討會。在研討會上都會結(jié)合自己公司的單片機產(chǎn)品來介紹一些實際的工業(yè)界使用案例，同時也會介紹單片機產(chǎn)品的最新發(fā)展方向和最新產(chǎn)品。因此，教師收集一些單片機相關(guān)研討會的信息，并根據(jù)授課進度以及學(xué)生對單片機的掌握程度挑選一些合適的研討會，鼓勵學(xué)生積極參加。從反饋的情況來看，學(xué)生對參加此類研討會有著非常濃厚的興趣，他們不僅可以學(xué)習(xí)到單片機的具體應(yīng)用，也可以通過跟現(xiàn)場的設(shè)計工程師進行交流，進一步加深對單片機在工業(yè)界使用情況的認(rèn)識，促使他們有更大的興趣和動力在課堂上學(xué)習(xí)單片機，從而形成一個積極的良性循環(huán)。

（4）鼓勵參加科技競賽。目前，國家以及各個高校各自都在舉辦一些學(xué)生科技競賽，期望通過這些競賽調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)到實踐能力的轉(zhuǎn)化。單片機作為一種通用的微型控制器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、軍事等各個行業(yè)都能夠得到應(yīng)用，因此單片機非常適合學(xué)生參加科技競賽。在教學(xué)過程中，引導(dǎo)并鼓勵學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)新性思維，結(jié)合所學(xué)知識積極參加相關(guān)的科技競賽，通過競賽達到學(xué)有所用、學(xué)有所獲的目的。

三、教學(xué)改革的效果

采取上述措施后，經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐，學(xué)生普遍反映對“單片機原理及應(yīng)用”的學(xué)習(xí)有了更大的興趣，能夠更好地掌握并應(yīng)用所學(xué)的知識，同時通過眾多的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生非常容易將課堂知識進行轉(zhuǎn)換。另外有多名學(xué)生利用所學(xué)的單片機知識參加了全國電子設(shè)計大賽、機器人大賽、校級SRTP項目、校級“馮如杯”科技競賽等，并在這些大賽中獲得了較好的名次。

四、結(jié)論

隨著單片機技術(shù)的迅速發(fā)展，“單片機原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)改革也勢在必行。針對目前“單片機原理及應(yīng)用”教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本校研究型大學(xué)的定位，以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)對“單片機原理及應(yīng)用”教學(xué)改革內(nèi)容進行了詳細地闡述。通過具體的改革方法加強了學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)和工程實踐能力的訓(xùn)練。本教學(xué)研究工作經(jīng)受了實踐的考驗，贏得了相關(guān)教師和學(xué)生的一致認(rèn)可。本論文受到北京航空航天大學(xué)教改項目的支持，特此表示感謝。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）