胡 冀，邵李煥，高惠芳

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018)

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單片機(jī)系列課程教學(xué)及實(shí)踐的改革和探索

胡 冀，邵李煥，高惠芳

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018)

摘要：隨著我國(guó)“創(chuàng)新性國(guó)家”戰(zhàn)略思想的實(shí)施，使得培養(yǎng)高質(zhì)量的電子專業(yè)工程技術(shù)人才成為高校電子專業(yè)教學(xué)中無(wú)法回避的課題。文章以提高高校電子類和近電子類專業(yè)學(xué)生工程應(yīng)用創(chuàng)新能力為目標(biāo)，在單片機(jī)系列課程的教學(xué)和實(shí)踐方面開(kāi)展了相應(yīng)研究和探索。通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法、課程測(cè)評(píng)方法、課程反饋手段三個(gè)方面進(jìn)行改革，為背景、能力、興趣愛(ài)好和職業(yè)目標(biāo)等各不相同的學(xué)生提供豐富多樣的教學(xué)和學(xué)習(xí)方式，有效地提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；課程改革；創(chuàng)新能力；工程應(yīng)用

我國(guó)提出了“創(chuàng)新性國(guó)家”的戰(zhàn)略思想，使得創(chuàng)新性人才培養(yǎng)成為高校教學(xué)工作的重點(diǎn)內(nèi)容［1］。如何培養(yǎng)高質(zhì)量的電子專業(yè)工程技術(shù)人才已經(jīng)成為電子專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)工作的重中之重。高質(zhì)量的創(chuàng)新人才需要具備深厚的理論功底以及提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的工程實(shí)踐能力［2］。各個(gè)高校一直在推進(jìn)相關(guān)的教學(xué)改革，創(chuàng)建課堂教學(xué)新模式，想方設(shè)法提升電子專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，但從結(jié)果來(lái)看，都不太理想［3 -6］。其原因主要是電子專業(yè)是一門(mén)應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行信息控制和信息處理的學(xué)科，其涵蓋了社會(huì)的諸多方面。學(xué)生要學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)物理知識(shí)、基本電路知識(shí)、電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、單片機(jī)組成原理、通訊原理、傳感器原理等理論課程還要?jiǎng)邮衷O(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試硬件電路以及用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制等實(shí)踐類課程。由于涉及的理論課程較多，相互獨(dú)立割裂，學(xué)生們很難有更多的時(shí)間用在實(shí)踐性課程學(xué)習(xí)上，從而導(dǎo)致理論與實(shí)踐相脫離。筆者以單片機(jī)系列課程作為理論課與實(shí)踐課相結(jié)合的紐帶，進(jìn)行教學(xué)與實(shí)踐的改革和探索，以期幫助電子專業(yè)學(xué)生更好地掌握電子專業(yè)課并能理論與實(shí)踐相結(jié)合地熟練應(yīng)用于電子系統(tǒng)創(chuàng)新性產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

一、當(dāng)前我校電子專業(yè)相關(guān)課程設(shè)置情況

我校電子專業(yè)的課程主要由專業(yè)課程和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成。主干理論課程包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、電路原理、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、信息理論與編碼、單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)等；主要實(shí)踐性教學(xué)包括電子工藝實(shí)習(xí)、金工實(shí)習(xí)、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。目前上述課程設(shè)置存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.偏重理論知識(shí)教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)偏少。部分學(xué)生很難將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。

2.電子專業(yè)的專業(yè)課程教學(xué)沒(méi)有形成相對(duì)完整的體系。在日常教學(xué)過(guò)程中，模擬電路、數(shù)字電路、電子測(cè)量、電路分析、信號(hào)與系統(tǒng)、單片機(jī)原理等專業(yè)課程都是獨(dú)立教學(xué)，老師按教學(xué)大綱講授課程知識(shí)，課程之間相對(duì)“隔離和獨(dú)立”不會(huì)涉及到相關(guān)課程內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候僅能了解該門(mén)課程的相關(guān)知識(shí)，這種獨(dú)立的課程教學(xué)方式很難使學(xué)生將所學(xué)的各門(mén)知識(shí)有機(jī)的銜接整合在一起，更不用說(shuō)能靈活運(yùn)用了。

3.目前單片機(jī)是電子專業(yè)學(xué)生必備的開(kāi)發(fā)工具，由于模擬電路、數(shù)字電路等前導(dǎo)課程的教學(xué)計(jì)劃等原因，目前我校第三學(xué)年第一學(xué)期開(kāi)設(shè)單片機(jī)理論課，第三學(xué)年第二學(xué)期末才開(kāi)設(shè)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，也就意味著電子專業(yè)的大部分學(xué)生要在入學(xué)兩年后才能接觸到單片機(jī)，很多學(xué)生在第三學(xué)年結(jié)束時(shí)才能掌握單片機(jī)，根本談不上使用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，同時(shí)也錯(cuò)過(guò)了大學(xué)生電子競(jìng)賽等各類提高創(chuàng)新能力的比賽。經(jīng)過(guò)大量調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍認(rèn)為“單片機(jī)其實(shí)已經(jīng)算不上難入門(mén)的硬件了，不應(yīng)該放在大三才學(xué)?！薄半娮訉W(xué)生大三才會(huì)單片機(jī)實(shí)在難以啟齒”“大一學(xué)單片機(jī)完全有必要，大一學(xué)完C語(yǔ)言之后就可以學(xué)單片機(jī)了。如果大一學(xué)年就掌握了單片機(jī)，則可以有更多的同學(xué)參與電子競(jìng)賽的競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)。”

二、單片機(jī)系列課程教學(xué)改革探索

隨著課程改革的深入進(jìn)行，在越來(lái)越注重學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力的同時(shí)，也在積極探索提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的途徑。目前我校選擇提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的方法之一，是針對(duì)參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)。該方法受眾面很小，很難讓大部分學(xué)生受益。為此，筆者從教學(xué)內(nèi)容和方法、課程測(cè)評(píng)方法、課程反饋手段三個(gè)方面進(jìn)行了改革和探索。

（一）教學(xué)內(nèi)容和方法探索

首先在第一學(xué)年第二學(xué)期增加一門(mén)《單片機(jī)概念與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》的課程，與《模擬電路》和《數(shù)字電路》課程同期進(jìn)行教學(xué)，該課程提前幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的概念，學(xué)生有了系統(tǒng)的概念后，在學(xué)習(xí)《模擬電路》、《數(shù)字電路》等相關(guān)課程時(shí)，會(huì)更好地思考如何將學(xué)到的理論知識(shí)用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，從而提高了個(gè)人的學(xué)習(xí)興趣和認(rèn)知能力。其次對(duì)《單片機(jī)課程設(shè)計(jì)》實(shí)踐課內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)改革，以期提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于易學(xué)易用，難點(diǎn)在于單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣且難以理解和掌握。因此，可以適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)行的教學(xué)計(jì)劃。以往都是先學(xué)習(xí)單片機(jī)原理，再進(jìn)行單片機(jī)實(shí)踐，效果并不理想。應(yīng)在教學(xué)安排上做適當(dāng)調(diào)整，在第一學(xué)年第二學(xué)期新增32學(xué)時(shí)《單片機(jī)基本概念與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》課程，第二學(xué)年第一學(xué)期開(kāi)設(shè)48學(xué)時(shí)單片機(jī)理論課，第二學(xué)期末開(kāi)設(shè)32學(xué)時(shí)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)課程，第三學(xué)年開(kāi)設(shè)32學(xué)時(shí)創(chuàng)新實(shí)踐課程。具體論述如下：

第一階段，在第一學(xué)年第一學(xué)期新增《單片機(jī)基本概念與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)。由于模擬電路和數(shù)字電路課程在大一下學(xué)期才開(kāi)始講授，同期開(kāi)設(shè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程是存在一定難度的。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了32學(xué)時(shí)的“基于Arduino的電子積木”選修實(shí)驗(yàn)課程，涵蓋多彩LED燈實(shí)驗(yàn)、數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、按鍵實(shí)驗(yàn)、傾斜開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)、光控聲音實(shí)驗(yàn)、溫度檢測(cè)報(bào)警實(shí)驗(yàn)、串口通訊實(shí)驗(yàn)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)、紅外遙控實(shí)驗(yàn)等十余個(gè)實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)單介紹單片機(jī)是什么、怎么用，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要教授同學(xué)們用各種現(xiàn)有的模塊搭建電路，以及用C語(yǔ)言進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)。由于使用“Arduino電子積木”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以完全不需要了解單片機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和相關(guān)寄存器，也可以不懂外圍模塊，只需掌握簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言知識(shí)就可以輕松上手；同時(shí)由于開(kāi)源，有興趣的同學(xué)可以通過(guò)資源整合，能夠加快創(chuàng)作作品的速度及效率。

第二階段，在第二學(xué)年第一學(xué)期開(kāi)設(shè)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程，其中理論教學(xué)33學(xué)時(shí)，15學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于在第一學(xué)年，同學(xué)們通過(guò)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程建立起了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念，掌握了模擬電路和數(shù)字電路的工作原理，同學(xué)們對(duì)單片機(jī)的工作原理會(huì)產(chǎn)生極大的好奇心。此時(shí)進(jìn)行單片機(jī)原理的理論課程教學(xué)可以幫助他們建立起單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)、了解單片機(jī)的工作原理及單片機(jī)接口技術(shù)等概念；再通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，可以鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)能力以及提高編程能力。

第三階段，在單片機(jī)原理課程后緊接著的短學(xué)期，我們嘗試推行智能小車開(kāi)發(fā)平臺(tái)［4］用于單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革。現(xiàn)在市面上普通單片機(jī)學(xué)習(xí)板沒(méi)有一種像智能小車一樣，可以把所學(xué)的技術(shù)遷移和融入到工程實(shí)際中，智能小車的組成包括：小車本體模塊可鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)小車車模；由單片機(jī)、傳感器、執(zhí)行器等構(gòu)成的智能小車控制電路是一個(gè)完整的測(cè)控系統(tǒng)控制電路；智能小車的軟件設(shè)計(jì)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，可以說(shuō)是沒(méi)有最好，只有更好，適合學(xué)生自由發(fā)揮自己的創(chuàng)造性和提高編程能力。學(xué)習(xí)板不可能具備這些功能，只有一個(gè)具備高性能的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，才可以學(xué)到這些工程實(shí)際技術(shù)。該課程以5層次難度遞進(jìn)、水平螺旋上升進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，降低和分散了學(xué)習(xí)難點(diǎn)；前瞻后顧、新舊關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生逐漸掌握全部開(kāi)發(fā)技術(shù)。

智能小車開(kāi)發(fā)平臺(tái)課程設(shè)計(jì)包括：

1.智能小車車體設(shè)計(jì)

我們通過(guò)兩個(gè)階段幫助學(xué)生設(shè)計(jì)和制造自己的小車。第一階段，講述目前常見(jiàn)的幾種小車車體結(jié)構(gòu)，如雙電機(jī)前驅(qū)+萬(wàn)向輪、單電機(jī)后驅(qū)+舵機(jī)前驅(qū)轉(zhuǎn)向、4電機(jī)4驅(qū)車等；第二階段，學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)自己心目中最炫的小車本體。此階段為實(shí)物設(shè)計(jì)與制作階段，培養(yǎng)學(xué)生們的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力。

2.智能小車直線競(jìng)速

安裝好小車車體和單片機(jī)開(kāi)發(fā)板后，小車需要?jiǎng)悠饋?lái)。用程序控制小車前進(jìn)便是最簡(jiǎn)單的任務(wù)。此階段需要同學(xué)們調(diào)試系統(tǒng)電路是否工作正常，并編程控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。可以培養(yǎng)學(xué)生們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。同期，進(jìn)行小車競(jìng)賽比賽，可增加課程的趣味性可競(jìng)爭(zhēng)性。

3.智能小車循跡

加裝紅外收發(fā)對(duì)管進(jìn)行黑白線檢測(cè)，分別要求學(xué)生依次實(shí)現(xiàn)2對(duì)、4對(duì)、6對(duì)。同期進(jìn)行小車循跡比賽。此階段由于加入了檢測(cè)模塊，與單片機(jī)和執(zhí)行器一起構(gòu)成了一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。此階段需要模擬電路、數(shù)字電路、傳感器技術(shù)以及單片機(jī)等課程綜合應(yīng)用。不但要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，還要根據(jù)不同的狀況進(jìn)行決策，難度比第二階段有所增加。同學(xué)們?cè)谠O(shè)計(jì)和競(jìng)賽的過(guò)程中，理論與實(shí)踐完美地結(jié)合到了一起。

4.智能小車避障

加裝超聲波傳感器檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)小車避障。同期進(jìn)行小車避障比賽。此階段設(shè)計(jì)難度也隨避障場(chǎng)地難度的增加而增加。

5.遙控小車

加裝紅外遙控器TC9012和紅外接收頭HS0038，實(shí)現(xiàn)小車的精準(zhǔn)操控。

第四階段主要任務(wù)是通過(guò)一系列由淺入深的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程激發(fā)學(xué)生對(duì)單片機(jī)工作原理及應(yīng)用產(chǎn)生濃厚的興趣，水到渠成地導(dǎo)入單片機(jī)原理課程，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)單片機(jī)設(shè)計(jì)課程、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐課程，進(jìn)一步提升學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

（二）測(cè)評(píng)方法的探索

當(dāng)前，學(xué)生成績(jī)考核多以試卷測(cè)試為主要手段。該考評(píng)方法只能檢驗(yàn)學(xué)生理論知識(shí)掌握程度，而對(duì)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的檢驗(yàn)則略顯不足。為此，我們引入另外一種基于競(jìng)爭(zhēng)模式的考評(píng)方式［7］。即課程結(jié)束后，由任課老師對(duì)小車車體設(shè)計(jì)、小車直線競(jìng)速、小車快速循跡、小車操控等內(nèi)容進(jìn)行測(cè)評(píng)。對(duì)優(yōu)勝者，由學(xué)院頒發(fā)優(yōu)勝者證書(shū)并進(jìn)行表彰；保留指標(biāo)最好的作品，在學(xué)院大廳開(kāi)辟專門(mén)的展示臺(tái)進(jìn)行作品展示；設(shè)有冠軍榜和記錄榜，用以發(fā)布每年的冠軍得主和作品最好記錄。這樣即滿足學(xué)生的好勝心，又能激發(fā)他們的創(chuàng)新熱情。

（三）教學(xué)反饋手段的探索

學(xué)生對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)的反饋是教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在課程教學(xué)中后期，學(xué)生對(duì)本課程有了良好的認(rèn)識(shí)，這個(gè)時(shí)間段進(jìn)行反饋調(diào)研可以收獲學(xué)生們最真實(shí)的感受。為此，我們?cè)黾恿藢W(xué)生反饋環(huán)節(jié)，在課程中后期，針對(duì)本學(xué)期課程教學(xué)內(nèi)容和改革方案，在學(xué)生中進(jìn)行調(diào)研，收集學(xué)生對(duì)本學(xué)期單片機(jī)課程學(xué)習(xí)的收獲、期望等書(shū)面意見(jiàn)和建議，以期對(duì)下一學(xué)年的教學(xué)工作進(jìn)行改進(jìn)。

三、總結(jié)與展望

促進(jìn)課堂教學(xué)從灌輸課堂向互動(dòng)課堂轉(zhuǎn)變、從封閉課堂向開(kāi)放課堂轉(zhuǎn)變、從知識(shí)課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變，是新時(shí)期對(duì)教育工作者的新要求［8］。此次教學(xué)改革探索通過(guò)創(chuàng)新推廣以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，關(guān)注課程對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的達(dá)成度，倡導(dǎo)啟發(fā)式、討論式等互動(dòng)研討式教學(xué)，確保教與學(xué)真正“活”起來(lái)、“動(dòng)”起來(lái)。通過(guò)此次改革與探索，2014 -2015學(xué)年第一學(xué)期期末，我校參加單片機(jī)教學(xué)改革的100余名同學(xué)中，期末考試優(yōu)良率達(dá)70%，效果明顯。時(shí)代在變，我們培養(yǎng)學(xué)生的方式和手段也要變。作為高校教師，我們要不斷完善和創(chuàng)新培養(yǎng)學(xué)生能力的教學(xué)和實(shí)踐方式方法，從而使我校電子專業(yè)人才培養(yǎng)得以持續(xù)永久的發(fā)展。

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curriculum Reforms on MCU Series Courses

HU Ji，SHAO Li-huan，GAO Hui-fang
（School of Electronics&Information，Hangzhou DianziUniversity，Hangzhou Zhejiang 310018，China）

Abstract：The imP1ementation of the“innovation country”strategy brings an inevitab1e Problem to the e1ectronic Professional teachers in the universities about how to cu1tivate high qua1ity engineering students in their e1ectronic Professional teaching.In order to imProve the application and innovation abi1ity of the engineering e-1ectronic majors of our university，the curricu1um reforms on MCU series courses are carried out.The reforms focus on the teaching content and methods，the assessmentmethods and the feedback methods，by offering various teaching and Practice methods for the engineering e1ectronic majors with different backgrounds，capacities，interests and career objectives，which effective1y increases their engineering application abi1ity and their innovation abi1ity as we11.

key words：MCU；curricu1um reforms；innovation abi1ity；engineering application

作者簡(jiǎn)介：胡冀（1977 -），男，湖北潛江人，講師，人工智能、機(jī)器視覺(jué).

基金項(xiàng)目：浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目（KG2015127）；浙江省高等教育學(xué)會(huì)高等教育研究課題（KT2015032）；杭州電子科技大學(xué)教學(xué)模式改革項(xiàng)目（ZX140110307013）

收稿日期：2015 -01 -23

中圖分類號(hào)：G420

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1001 -9146（2016）01 -0075 -04

DOI：10.13954 /j.cnki.hduss.2016.01.013