刘艳霞， 范同顺， 杨清梅， 丁凤喜

(北京联合大学 自动化学院， 北京 100101)

单片机类课程创新教学模式改革

刘艳霞， 范同顺， 杨清梅， 丁凤喜

(北京联合大学 自动化学院， 北京 100101)

本文针对传统单片机类课程教学中存在的问题，提出了一种创新教学模式。内容包括：以arduino为平台的教学内容改革、校企联合翻转课堂的设计、分散式自主创新平台建设、考核方式改革及管理模式的探索。实践表明，教学模式改革激发了学生学习兴趣和实践动手能力，表现在学生竞赛和毕业设计中取得较好成绩。

翻转课堂、分散式自主创新平台、双导师制

0 引言

单片机类课程已成为高校电气类、电子信息类和自动化类等专业的重要专业基础课[1]，该类课程的教学对培养学生的实践和创新能力至关重要。特别是单片机类课程实际上已成为学生参加多数科技竞赛的技术基础。必备传统单片机类课程教学模式存在如下不足之处：

(1)教学思路多从理论出发，先讲述单片机引脚特性、存储结构、指令系统等原理，枯燥且深奥这容易导致学生产生畏难情绪，降低学习兴趣。

(2)侧重于理论环节的讲授，实践训练环节明显不足，理论部分讲完之后所剩时间有限，应用部分只能在实验箱上做几个简单的小实验，无法有效帮助学生加深对理论内容的理解，更不利于锻炼其动手能力。

(3)为弥补基础实践训练的不足，多数学校在培养方案中，在实践性较强的专业课中设置了为期两至三周的集中实践环节以期弥补，但对于完成一个实用项目设计，远远不够。况且这也不利于学生根据个人兴趣，自由选择喜欢的项目重点发展。

(4)即使全校实验室全天开放，因容量有限和实验设备不同，不能满足众多本科生的需求。实践活动在时间安排上的局限性和灵活性的不足会影响学生的实践探索之兴趣。

(5)考核方式大多采用期末“一卷定输赢”的形式，结果使学生只注重期末考试，而忽视平时对知识的积累和能力的训练[2]。

基于上述分析，探索单片机类课程的教学模式改革，提高学生兴趣和实践动手能力，是一个十分必要且非常有意义的教学研究课题[3]。

1 教学模式创新

1.1教学内容改革

传统的MCS-51、AVR等系列单片机，在不具备一定理论知识的前提下，是不可能进行应用设计的，这也是大家明知理论枯燥、实践不足，但却感到束手无策。若能先从外围应用模块入手，再慢慢深入学习，不失为一种好的选择。比如设计一个具有自动巡线和避障功能的智能小车，如果先不考虑处理器的体系结构，也不关心光敏传感器、超声波传感器和电机驱动的原理，直接根据各模块厂家提供的使用手册和示例程序进行组合设计和调试，开发周期和难度都会大大降低。这有利于学生尽快取得设计成果，激发学习兴趣。

arduino作为全球最流行的开源软硬件平台，不仅为使用者封装好了AVR单片机的体系结构，也集成了多种传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境，同时汇集了“微机原理”、“单片机原理及应用”、“传感器”、“电机拖动”和“计算机控制”等课程的部分内容。最关键的是入门简单有趣，可使初学者很容易地完成一个实际项目，容易把学生的学习兴趣和动力调动起来。

当前，在物联网、自动化、软件，甚至艺术领域，纷纷开展了arduino的应用，更成为创客空间和极客工坊的主流硬件平台。

单片机类课程教学内容改革的主要思路是以arduino为平台，采用将处理器理论体系、内部结构，以及传感器和执行器原理等专业理论的系统性讲述后置，直接先从外围模块的应用入手，使学生先动手做起来，完成一个简单实用的作品；慢慢引导学生兴趣，逐步增加难度，完善设计功能，再适时地引入内核原理的分析。

1.2校企联合开设翻转课堂

在翻转课堂教学模式中，知识传授通过信息技术的辅助在课前完成，该过程和预习阶段共同构成教学阶段；而知识内化在课堂中，并在教师帮助和同学协助下完成[4，5]。这与传统课堂相比，师生的角色发生了重大变化，学生成为了学习的中心，这也回归了教育的本意[6]。

1)引入企业力量，助力翻转课堂

为促进arduino推广应用，官方发布了免费的arduino教程和授课视频。我们整理这些优质的资源，建立以视频为主的共享平台，以此帮助学生很好的完成课前预习。同时邀请arduino项目开发工程师和创客空间的培训讲师为学生授课并进行技术指导，由他们负责首期课程实施，带着学生边讲边做。

比如在为期两周的集中实践课程中，学生首先根据翻转课堂的预习要求，利用网络上丰富的arduino基础教学视频，结合arduino开发套件，先自行熟悉基础知识，下载安装arduino集成开发环境IDE。然后在课程前半部分，培训讲师带着学生做一个相对简单的作品，设计工程师提供技术指导和帮助，目标是使95%以上学生都有能力完成，产生对单片机DIY一定的兴趣和学习的自信心。课程后半部分以启发和拓展学生思路为主，发挥学生想象力，自主设计出功能更复杂和完善的小作品，使他们真正喜欢上单片机DIY，能爱不释手，课下也愿意花时间和精力做。最好为对此特别感兴趣的优秀学生配备专门的指导教师，督促指导他们后期的项目设计实践。

2)加强师资建设，保障持续发展

我们组织专业教师参与整个授课过程，在学习掌握arduino项目开发技术的同时，重点观摩创客空间培训教师的授课方式，并总结经验和问题，针对所熟悉的学生特点进行调整，帮助企业讲师顺利完成翻转课堂的实施。这不仅帮助专业教师为下期独立授课打好基础，也为他们发现、了解并在后期指导学生科技实践活动提供经验。

2 分散式自主创新平台建设

Arduino开发套件成本低、携带方便。考虑到目前学生基本都有笔记本电脑，把Arduino开发套件每人一套配发给学生使用，就可以为本专业全体学生建起一个分散式的可移动自主创新平台，如图1所示。有了该平台学生就可以充分利用宿舍、图书馆、教室等场地，提高课外零碎时间的学习效率。

图1 分散式自主创新平台

分散式自主创新平台的建设不仅有助于提高实践教学质量，也方便有能力和感兴趣的学生充分发挥潜力。对这部分学生除提供经费支持其硬件需求外，还为每名学生都配备专业指导教师。

在分散式自主创新平台上，教师也是受益，指导学生开展活动过程中，教师可以理清自己的思路，提升自己知识的全面性、系统性，实现教学相长，促进教学科研能力的提升[7]。

3 考核方式改革

以实践和项目设计为主的授课模式，不同于传统以理论为主的授课，不宜单独采用期末笔试的方式进行考核。

3.1考核方式的创新与探索

把实践性较强的单片机类课程考核分散到平时的学习过程中，是一种较科学的考核方法。具体操作可采用如下方式：

1)因材施教，差异化任务要求

学生特点和兴趣各有不同，感兴趣的课程也有所差别，要求他们同等重视和付出并不科学，不妨在布置课程设计任务时区别对待。对于本课程兴趣一般的学生，课程结束时提交一项功能相对简单但符合基本任务要求的小作品即为考核合格。

对部分能力和兴趣较强的学生，鼓励其后续设计更具创意，功能更复杂完善的作品。为保障这部分学生的后续设计顺利进行，提供专门资金支持他们购买必需的元件和器材如：传感器和执行模块等，并为他们配备专业辅导教师。同时，还可以将本课程与企业实践结合起来，学生可到校企联合的创新基地，在学校和企业导师指导下，利用创新基地资源完成项目设计。

2)分散考核

为保证每个学生实践过程及学习成果的独立性，应特别加强平时督促。所谓分散考核，即要求学生平时必须认真按照要求，完成阶段性设计任务，并记录成绩，进行过程考核。

3)期末答辩

课程设计结束时，每位学生都需要向教师汇报自己的设计思路，并讲解核心软件设计，回答教师提问，任课教师据此对学生课业成绩做出评价，并结合平时设计过程中的表现和成绩记录，给出最终该课程的考核成绩。对于理论类课程，实验和作业成绩记录可作为平时成绩；期末可采取笔试方式代替课程答辩。

4)创意展示

对优秀的设计作品不仅可以获得理想的考核成绩，还可以放入创意展示柜进行作品宣传展示，并推荐设计者参加电子大赛、挑战杯等学生竞赛活动，激励更多学生的学习兴趣。

4 管理模式探索

为更好的对课程实施过程中选拔出的优秀学生进行后期指导和督促，探索矩阵式管理和双导师制模式。

4.1矩阵式管理

矩阵式管理是指每位专业教师对所分配指导的学生实行导师制，督促他们指导整个设计过程，包括改进哪些功能，参加哪种竞赛和技术问题解决等；同时根据指导教师自身专长划分硬件电路、软件编程、算法研究等几个组，负责全体学生设计过程的咨询和指导。通过矩阵式管理，即做到责任明确，由充分发挥师资优势，形成互帮互助，团结奋进的良好学习型氛围。

4.2双导师制

双导师制是指为每位学生配备校内导师的同时，另外集体配一名校外企业导师。校内导师比较了解自己学生的特点，具有丰富的指导经验，便于对学生的督促和日常指导。企业导师接触面较广，请他们每周固定时间到学校和学生见面，除指导学生平时没有解决的难题外，重点启发学生的设计思路，并利用资源优势，带领学生到企业参观学习别人设计的应用产品，拓展学生视野，激发设计灵感。实行双导师制，可充分发挥校企合作、专兼结合的优势，保障实践教学质量。

5 结语

单片机类课程具有实践性很强的特点，为此，我校从教学内容、教学模式、教学平台、考核方式、管理模式等方面对单片机类课程进行了全方位改革和探索。重点利用Arduino入门简单有趣，软硬件开源，视频教程等学习资源丰富的优势，实现翻转课堂设计，提高学生学习兴趣和实践动手能力；建立分散式自主创新平台方便学生充分利用课余时间；实行矩阵式管理和双导师制保护并充分激发学生后续研发动力，并通过作品展示和竞赛活动激励更多学生。

自本教学项目改革以来，已有多名学生获得校级和市级电子大赛和挑战杯竞赛奖项，并有3人获得优秀毕业设计，多人申请实用新型专利。创新教学模式改革对其他类课程也起到了一点带面的示范作用。学生带着自己设计的作品去参加企业招聘和面试，增强了学生自豪感和自信心，提高了学生就业竞争力。

[1] 张兰红,陆广平. 我校“单片机”课程的教学改革[J],南京:电气电子教学学报,2014,36(1): 26-27,34.

[2] 邢晓敏,李贻涛. 调整师生角色定位_创新教学模式[J],南京:电气电子教学学报，2015,37(3):7-8,35.

[3] 曲贵波等．单片机课程实践教学的研究与探索[J],哈尔滨：黑龙江教育学院学报,2013,32( 2) : 55-56.

[4] 张金磊,王颖,张宝辉．翻转课堂教学模式研究[J]．杭州:远程教育杂志 2012,(4):46-51.

[5] 曾贞．反转教学的特征、实践及问题[J]．北京:中国电化教育2012,(7): 114-117.

[6] 董兴法等. 网络资源引导电子信息类课程翻转课堂研究[J],南京:电气电子教学学报,2015, 37(2):8-10.

[7] 王金龙,蔡跃明. 高校青年教师教学和科研协调发展的探讨[J],南京:电气电子教学学报, 2015,37(2):3-5,90.

ANovelTeachingModeReformofSingleChipComputerCurriculum

LIUYan-xia,FANTong-shun,YANGQing-mei,DINGFeng-xi

(InstituteofAutomationBeijingUnionUniversity,Beijing100101,China)

Aiming at the problems existing in the teaching of traditional SCM curriculum, this paper proposes an innovative teaching model. The main contents are as follows: the reform of teaching content based on arduino platform, the design of school-enterprise combination flip-flop classroom, the construction of decentralized independent innovation platform, the reform of examination mode and the exploration of management mode. Practice shows that the reform of teaching mode has aroused student′s interest and practical ability, in competition and graduation design to achieve better results.

flip-flop classroom; decentralized independent innovation platform; Dual tutor system

2016-10-09;

2016-11-22

北京联合大学研究生教育类教研项目--不确定性人工智能创新教学模式研究(NO. JY2016Y086) 刘艳霞(1976-)，女，博士，副教授，主要从事电气工程及其自动化专业的教学和与研究. EMAIL: yanxia.liu@163.com

G420

A

1008-0686(2017)05-0042-04