席文平 藍(lán)和慧

摘 要 針對(duì)目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，制定相應(yīng)的教學(xué)改革目標(biāo)和具體的改革措施，提出優(yōu)化教學(xué)計(jì)劃、展示優(yōu)秀學(xué)生作品、引入實(shí)物制作環(huán)節(jié)、采用綜合成績(jī)?cè)u(píng)定和舉辦校內(nèi)學(xué)科競(jìng)賽等方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，消除畏難心理，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)物制作；教學(xué)改革；智能機(jī)器人；學(xué)科競(jìng)賽

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）06-0111-03

Research on Experimental Teaching Reform of Microcontroller Principle and Interface Technology//XI Wenping， LAN Hehui

Abstract According to the existed problems in the experimental tea-

ching of microcontroller， some corresponding teaching reform targets

are made. A few methods are put forward such as optimizing teaching

program， displaying excellent students' productions， adopting micro-

controller production， developing comprehensive assessment and holding academic competitions， to stimulate students' interest in lear-

ning， eliminate the fear， strengthen innovation consciousness and improve practical ability.

Key words microcontroller； experimental teaching； object making； teaching reform； intelligent robot； academic competition

1 引言

單片機(jī)作為集成電路技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展帶來(lái)的產(chǎn)物，憑借其體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天、工業(yè)控制、移動(dòng)通信、家用電器以及智能機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程作為各工科院校測(cè)控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化和電氣工程等專業(yè)的必修課，要求學(xué)生不僅要具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)要具備良好的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程能力。這些能力的提升，一個(gè)重要的手段就是借助課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，將理論知識(shí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)更加系統(tǒng)緊密地結(jié)合在一起，讓學(xué)生真正做到“學(xué)、干結(jié)合”“主動(dòng)學(xué)習(xí)”“主動(dòng)實(shí)踐”，這也可以為學(xué)生后續(xù)的課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽及就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

單片機(jī)作為一門應(yīng)用性專業(yè)課，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，其前續(xù)課程涉及模電、數(shù)電、C語(yǔ)言等硬件和軟件兩個(gè)方面的內(nèi)容，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)強(qiáng)度比較大，部分基礎(chǔ)差的學(xué)生也因此產(chǎn)生畏難心理，而且一些單片機(jī)教學(xué)中存在的問題會(huì)加劇這樣的趨勢(shì)。

教學(xué)重理論而輕實(shí)踐 國(guó)內(nèi)高校單片機(jī)教學(xué)普遍注重理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)長(zhǎng)只占到總學(xué)時(shí)的15%～20%。較為普遍的做法是，教師按照書本內(nèi)容制訂教學(xué)計(jì)劃，依次講授單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接口設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口通信和擴(kuò)展等內(nèi)容，然后借助單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱安排2～3個(gè)以LED為主要現(xiàn)象的流水燈、定時(shí)器中斷、交通燈實(shí)驗(yàn)等，最后組織一次期末考試，這樣一學(xué)期的單片機(jī)教學(xué)任務(wù)就算完成了。這樣做的后果，一方面，學(xué)生沒有接觸過(guò)系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，動(dòng)手實(shí)踐能力得不到有效鍛煉；另一方面，學(xué)生為了應(yīng)付考試，輕視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)理論知識(shí)死記硬背，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依附于理論教學(xué)的錯(cuò)誤心理。

理論教師和實(shí)驗(yàn)教師缺乏溝通 很多高校有專門的實(shí)驗(yàn)教師從事單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，理論課教師并不參與其中。雖然不同的專業(yè)有不同的理論課教師，但是由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限，一個(gè)實(shí)驗(yàn)教師往往需要承擔(dān)多個(gè)不同專業(yè)的教學(xué)任務(wù)，這就容易造成實(shí)驗(yàn)教師和理論課教師之間存在溝通不足的問題。一般情況是，理論課教師先制定教學(xué)日歷，實(shí)驗(yàn)教師再根據(jù)教學(xué)日歷制訂出實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃。由于實(shí)驗(yàn)教師沒有多余的精力去旁聽理論課，只能根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是實(shí)驗(yàn)教師對(duì)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握程度并不了解，多數(shù)時(shí)候需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容再進(jìn)行一次知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)，這樣就會(huì)造成重復(fù)性教學(xué)，占用大量的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)考試存在形式主義 實(shí)驗(yàn)考試作為檢驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的一個(gè)重要手段，在很多高校并沒有開展，或者只是流于形式。實(shí)驗(yàn)教師主要根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分，給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。就這兩個(gè)環(huán)節(jié)而言，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)操作往往是根據(jù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)修改來(lái)的，學(xué)生只要把書本例程錄入并進(jìn)行少量修改，就可以得出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；而實(shí)驗(yàn)報(bào)告更是不盡如人意，學(xué)生之間從預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理到實(shí)驗(yàn)心得都會(huì)出現(xiàn)抄襲情況，甚至有多份實(shí)驗(yàn)報(bào)告完全雷同的現(xiàn)象。因此，必須進(jìn)行考試方法改革，全面提升實(shí)驗(yàn)考試的質(zhì)量，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)考試的紀(jì)律性，強(qiáng)化學(xué)生自主思考、自主完成實(shí)驗(yàn)的能力。

3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的

綜合單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，力求通過(guò)單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在現(xiàn)有的教學(xué)資源內(nèi)達(dá)到以下五點(diǎn)目標(biāo)：

1）消除學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程中的“畏難”心理；

2）培養(yǎng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣，從“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”；

3）因材施教，針對(duì)學(xué)生不同的學(xué)習(xí)程度設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)考核方法；

4）進(jìn)行考試方法改革，提高實(shí)驗(yàn)考試的比重，力求達(dá)到“教、學(xué)、做一體化”；

5）培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科競(jìng)賽能力，讓學(xué)生在完成作品設(shè)計(jì)的同時(shí)，做到精益求精[3-4]。

4 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法

優(yōu)化教學(xué)計(jì)劃 根據(jù)教學(xué)日歷制訂合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)，安排出2～3個(gè)典型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和1～2個(gè)創(chuàng)新綜合性實(shí)驗(yàn)。借助有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)原理的欲望，逐步培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計(jì)和軟件編程能力，并注重知識(shí)點(diǎn)之間的遷移和整合。如在一個(gè)兩學(xué)時(shí)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，可以從8位流水燈開始，擴(kuò)展到16位流水燈，再加入按鍵控制和蜂鳴器報(bào)警等。這樣逐步將基礎(chǔ)模塊的應(yīng)用融合起來(lái)，不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也會(huì)激發(fā)學(xué)生的探索欲望，逐漸消除學(xué)生的畏懼心理。

在實(shí)驗(yàn)課、實(shí)操環(huán)節(jié)及后續(xù)課程設(shè)計(jì)中，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，不拘泥于一種方法，讓學(xué)生經(jīng)歷自主選件、電路連接、軟件編程、綜合調(diào)試等開發(fā)設(shè)計(jì)的各個(gè)流程，并將個(gè)人的創(chuàng)新思維融入其中，提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)實(shí)踐的能力。

展示優(yōu)秀作品 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目涉及面較廣，包含信號(hào)類、控制類、儀表類等，制定這些題目也可以為學(xué)生參加電子類學(xué)科競(jìng)賽或者申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目打基礎(chǔ)。每一種類型的題目，都會(huì)有一些學(xué)生做得非常優(yōu)秀，在基本功能完成的基礎(chǔ)上增加擴(kuò)展功能，而且硬件設(shè)計(jì)合理、軟件編程精練。對(duì)于這樣的作品，實(shí)驗(yàn)教師可以在課程設(shè)計(jì)結(jié)束以后，在征得學(xué)生同意的前提下，將這些作品放置在實(shí)驗(yàn)室的展墻上，注明作者、年級(jí)、實(shí)現(xiàn)功能等信息。

在對(duì)下一屆學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教師可以將優(yōu)秀作品在課堂上進(jìn)行演示、傳閱和程序要點(diǎn)的講解。有了這些優(yōu)秀的模板，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)物制作和課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，也就有了興趣和標(biāo)桿，會(huì)激勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的作品，以傳承的理念為以后的學(xué)生演示。

自主選擇實(shí)物制作或?qū)嶒?yàn)考試 針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)程度，在原有實(shí)驗(yàn)考試的基礎(chǔ)上，引入實(shí)物制作環(huán)節(jié)。在教學(xué)計(jì)劃過(guò)半的時(shí)候，由理論課教師和實(shí)驗(yàn)教師共同制定實(shí)物制作題目和設(shè)計(jì)要求，然后由學(xué)生抽選一道題目進(jìn)行實(shí)物制作，為期一個(gè)月。一個(gè)月期滿后，由教師進(jìn)行考核。考核分為演示、答辯和功能修改三個(gè)環(huán)節(jié)，按比例計(jì)分。選擇實(shí)物制作的學(xué)生不必再參加最后的實(shí)驗(yàn)考試。

在實(shí)物制作環(huán)節(jié)，采用以學(xué)生為主體、教師輔助指導(dǎo)的形式。開始階段，指導(dǎo)教師根據(jù)理論知識(shí)點(diǎn)介紹實(shí)物的設(shè)計(jì)步驟和模塊化設(shè)計(jì)方法；第二階段，由學(xué)生自行查閱資料和確定方案，教師要引導(dǎo)學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)資源（如中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普等網(wǎng)站）查閱與實(shí)物相關(guān)的期刊；第三階段，學(xué)生利用Keil和Proteus軟件做好軟件仿真；第四階段，借助Altium Designer等軟件完成硬件電路設(shè)計(jì)，在硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行程序編寫和綜合調(diào)試。

對(duì)于基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，可以不選擇制作實(shí)物，而是在課程結(jié)束后參加實(shí)驗(yàn)考試。實(shí)驗(yàn)考核在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，按難度分為A、B、C三檔：A檔題目難度等同于實(shí)物制作，要求設(shè)計(jì)出具有多種功能和指標(biāo)要求的作品；B檔題目主要涉及外部中斷、定時(shí)器中斷、串行通信、數(shù)據(jù)采集和顯示等的綜合運(yùn)用；C檔題目為L(zhǎng)ED、按鍵、蜂鳴器、矩陣鍵盤等簡(jiǎn)單模塊的綜合使用。其中，A檔總分為100分，B檔總分為85分，C檔總分為70分，并且按照實(shí)驗(yàn)接線、程序編寫、實(shí)驗(yàn)修改和實(shí)驗(yàn)結(jié)果四個(gè)環(huán)節(jié)按比例計(jì)分。

采用綜合成績(jī)?cè)u(píng)定法 結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法的第三項(xiàng)，提出“筆試+實(shí)物制作或?qū)嶒?yàn)考試+實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的綜合成績(jī)?cè)u(píng)定方法，三者比重分別為60%、30%和10%。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，學(xué)生試卷成績(jī)只占到最終成績(jī)的60%，而實(shí)驗(yàn)比重則上升至40%。與傳統(tǒng)試卷考試方法相比，這種綜合成績(jī)?cè)u(píng)定的方法更側(cè)重學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的考核[5]。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，選擇實(shí)物制作的學(xué)生，在進(jìn)行后續(xù)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候并不需要再重新選擇題目，而是可以繼續(xù)對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)物進(jìn)行功能上的完善或改進(jìn)。這樣做，一方面節(jié)約了課程設(shè)計(jì)的周期，讓學(xué)生有較多時(shí)間進(jìn)行寫作能力的錘煉和學(xué)科論文的轉(zhuǎn)化；另一方面可以在一定程度上緩解實(shí)驗(yàn)室的壓力，讓實(shí)驗(yàn)室有更多的開放時(shí)間供學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

舉辦校內(nèi)學(xué)科競(jìng)賽 實(shí)驗(yàn)教師作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程改革的直接參與者，除了從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)組織、教學(xué)管理等方面進(jìn)行改進(jìn)外，還可以申辦校內(nèi)學(xué)科競(jìng)賽，主要針對(duì)省級(jí)和國(guó)家級(jí)的“大學(xué)生電子競(jìng)賽”等與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程密切相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽。在申辦競(jìng)賽之后，可以對(duì)學(xué)生開展競(jìng)賽培訓(xùn)，將單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)與C語(yǔ)言、模電、數(shù)電等課程系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，以此提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，注重培養(yǎng)學(xué)生“精益求精”的思想，同時(shí)也為省級(jí)和國(guó)家級(jí)的學(xué)科競(jìng)賽做好人才儲(chǔ)備。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近兩年的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)院學(xué)生單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)物作品數(shù)量較以往增加了約60%，質(zhì)量明顯提升，申報(bào)學(xué)科競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的學(xué)生數(shù)量顯著增加。在RoboMasters全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“恩智浦”杯大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽、遼寧省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽等學(xué)科競(jìng)賽中先后榮獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)五項(xiàng)、省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)八項(xiàng)的優(yōu)異成績(jī)，充分體現(xiàn)了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的積極影響。

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