陶彬彬 胡徐胜

摘要：单片机课程作为电类专业的本科专业基础课程，它为以互联网和工业智能为核心的新工科专业建设提供了必不可少的理论基础和实践平台。通过分析传统的单片机教学中存在的问题，提出了一种“理论教学+随堂实验+课后实践”的教学模式。该模式是以人才培养为中心，以理论与实践的穿插式教学为手段，以综合能力培养为目标。实现了理论与实践、课内与课外的融合，促进了学生对课程和专业的理解，提升了学习兴趣，培养了工程实践能力和创新能力。最后，通过实践证明，新的教学模式取得了良好的教学效果，为新工科专业建设和人才培养提供了参考。

关键词：新工科;单片机课程;穿插式教学

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）35-0243-03

1 背景

新工科專业是指针对新兴产业的专业，如云计算、人工智能、智能制造、机器人等，也包括传统工科专业的升级改造。与“老工科”相比，“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通讯、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合。教育部正积极推进“新工科”建设，“新工科”是工程教育改革的新方向[1-2]，“复旦共识”[3]“天大行动”[4]“北京指南”[5]的发布 ，指明了我国新工科发展的方向，开拓了工程教育改革新路径。

单片机课程作为高等院校电类专业的本科专业的传统性基础课程，具有较强的实践性和工程性。为适应新工科专业建设，教师在教学过程中应时刻注意理论与实践相结合，提高教学趣味性，培养学习兴趣。该课程的学习有益于提高学生实践能力和综合创新能力，在应用型人才培养方面起到积极作用，并且能够为新工科专业建设提供实施平台和软件基础，有着承上启下，不可或缺的作用。

2 单片机教学中存在的问题和困难

单片机是一门理论性、实践性和工程性都很强的一门专业基础课，以知识点众多、课程难度系数大、操作性强等特点著称，给学生学习带来困难。首先，理论性方面，单片机课程涉及专业课范围较广，需要学生具有一定的知识面和理论基础。其次，实践性方面，单片机课程需要学生掌握软、硬件的使用方法，需要学生具有较强的动手能力。最后，工程性方面，学生没有任何工程实践经验，需要培养学生工程实践的思维方式。全国各大院校的电类专业虽然基本都开设了此课程， 但是单片机课程普遍存在教学效果不佳、学生学不懂、用不了等情况[6]，严重阻碍新工科专业建设的效果。造成这一切的原因可以归纳为以下几点。

2.1 教学内容缺乏衔接[7]

单片机课程是一门综合性较强的课程。在教学的过程中需要使用到诸如“C语言程序设计”“数字电路基础”“模拟电路基础”等前置基础课程的相关知识，对前置课程起到巩固与加深理解的作用。也能够为后续的 “计算机控制”“运动控制”“计算机控制”等专业核心课程课提供具体的实施载体。因此，单片机在新工科专业的学生培养过程中起到承上启下的关键作用。但是即便有前置理论课为基础，在单片机的教学过程中需要使用到极为广泛的知识点，其中普遍存在理论基础与实际应用存在较大差距的情况。单片机老师需要在教学过程中针对这些差距进行额外讲解，完成课程知识点之间的过渡，否则就会造成学生对课程理解不深，学习效果差等情况，进而影响教学效果。

2.2 理论教学方式单一

大多数院校对于这门理论性和应用性都很强的课程通常仅安排32学时理论教学时间。由于教学内容较多，知识点广泛，任课教师多采用“课堂PPT”的教学模式。该模式下，教师以PPT形式为学生讲授知识点，而这种教学方式过于抽象，不利于学生理解和掌握。学生通常都是靠死记硬背的方式完成知识点的学习，这很容易让学生产生内容枯燥、空洞、课堂乏味的情绪，从而对课程失去兴趣，课堂学习效果大打折扣。为了改变此种状况，部分任课老师会搭配Proteus仿真或者现场演示等方式。此类教学方法可以在一定程度上提高学生兴趣，加深对课程的理解，但是由于仅仅是老师演示，学生在课堂上无法进一步深入接触，最终的教学效果依然不够理想[8]。

2.3 实践教学方式方法固定

大部分高校为了提高学生对单片机课程的理解，通常都会在理论课结束后开设实验或课程设计。但是，由于学生在前期理论教学过程中对知识点掌握就存在不足，再经过较长时间的遗忘，实际已经错过实践课的最佳时机，在这种对理论与实践存在脱节的情况下安排实践课的效果较差[9]。并且，实验课通常在已有的单片机实验箱上完成，学生只有在上实践课时才能接触和操作，学习和操作时间严重不足。为了尽快完成课程，学生普遍存在只会按照实验手册按部就班地下载程序，看实验现象的情况[10]。而课程设计，通常也是任课老师下达任务书方式，学生按照任务书去完成既定设计。由于课程没学懂，学生制作的课程设计版本单一，存在大量雷同现象。因此实践课效果并不理想，不利于对学生创新及综合应用能力的培养。

2.4 考查方式单一

单片机原理及应用课程通常采用考试的方式来评价学生的学习效果。但该本课程教学的目的并不是让学生死记硬背概念，而是要让学生通过学习单片机课程应掌握单片机的设计方法。具体来说，包括以下几方面：

1）硬件电路设计方面要求学生对数字电路、模拟电路、电力电子技术等电路知识有基本认知能力，能够熟悉常规电子元器件并掌握使用方法，能够熟练阅读电路原理图和PCB电路板图和元器件说明书。

2）编译环境方面能够熟悉编译环境的安装、配置和相关驱动程序的安装。能够熟练使用编译软件建立工程，完成程序编译、下载和调试仿真。

3）软件方面需要学生具有严谨的编程逻辑，熟练掌握C语言语法，能读懂范例程序，并根据需要进行程序的移植和修改，更进一步地需要学生独立完成程序整体设计和代码的编写与调试。

4）软硬件联调方面需要掌握电烙铁、万用表、示波器等常规工具的使用方法，具有基本的调试思路与技巧。

因此，单纯通过考试成绩评价学生本门课的学习效果是极其不合理的，无法实现对学生的学习效果的全面评价，也不利于综合能力培养。

3 单片机教学改革措施

3.1 教学改革思路

教学改革的目的是实现教学创新，其内容主要包括课程体系、教学模式、教学方法和评价方式等方面的改革，其实质应是教学理念的改革。在教学改革过程中应充分以学生为中心，把握学生知识结构的特点，根据学生的认知规律适时调整教学方法，从众多知识点当中寻找核心、突出重点，以培养学生综合能力为目标，为新工科专业建设和人才培养而努力。

3.2 课程体系改革

单片机课程的较为经典的课程体系是按照单片机的基本组成原理进行讲解，包括处理器、运算器、存储器、基本外设等。该方式思路严谨，章节关系清晰，但是理论性过强，学生不易接受和理解。本文提出以工程案例为主线，以实现功能应用为目标，以软硬件协同实验为基本手段。在教材选用上应注意选取偏向应用的教材，并将单片机芯片的说明书和实验板的电路原理图作为课程辅助材料。在教学过程中，首先对工程目标按照基本功能进行分析和拆解，将分解出工程任务与基本功能单元（图1）相对应;然后从基本功能单元入手，讲述该单元所对应的电路原理和控制方法;再针对该基本功能单元完成验证性实验，进一步加强对知识点的理解，并在实验过程中学习软件编程和硬件调试的基本方法;最后以“搭积木”的方式将新功能添加到系统当中完成功能组合，通过不断丰富系统功能以实现工程目标。教学过程中引入工程设计的基本思想，围绕设计目标讲理论，通过加大实践性教学比例促进学生对单片机的工作原理的理解，进而熟悉和掌握工程设计的基本过程和方法。

3.3 教学模式改革

传统的先讲理论后做实践的教学模式很容易导致理论知识和实践活动之间存在一定程度上的割裂。这就导致理论教学过于抽象，而实践教学理论支撑不足的问题。因此，本文削弱理论教学和实践教学之间的界限，在讲解每一个基础理论之后立刻安排随堂实验，可以有机地将理论与实践相结合，既可以理论来指导实验，也可以通过实验来验证基本理论，甚至可以通过实验中存在的问题来引起学生思考，进而引出新的知识点。这种理论和实验穿插进行的教学模式通过实验将知识点串接起来，使得教学过程完整有效。这种通过理论指导实践，实践验证理论、补充理论的方式，加深了学生对理论知识的理解，促进了理论与实践相结合，锻炼了学生“发现问题，排查问题，解决问题”的工程实践能力。这种将理论教学与实践教学穿插进行的方式打破了传统的理论教学枯燥无味、实践教学效果差的尴尬局面，有助于教师掌控课堂节奏，吸引学生的注意力，通过理论和实践相互印证，起到良好的教学效果。除了随堂实验之外，教师也可以根据课程内容设置趣味性的课后实践任务交由学生独立完成，学生通过在网络上自主进行资料收集工作并对收集的资料筛选和总结，最终用于指导实践任务的完成。该方法有效地提高了学生独立思考和资料收集的能力。这种“理论教学+随堂实验+课后实践”的教学模式是以理论为基础，实践为补充，课内与课外相融合，在学生掌握基础理论的基础上，进一步提升学生对课程的理解。

3.4 教学方法改革

教学方法的调整对教学效果具有深刻的影响。本文采用了理论讲解与随堂实验相结合，二者穿插进行方式进行教学。在理论教学中强调基本概念、基本实施方法和基本设计思路。在实验教学中使用理论支撑实验，通过实验反过来验证理论，支持理论。这一阶段实现了理论到实际的转变，强化了学生对知识点的理解，提升了软硬件调试能力。在学生的基础理论夯实，并具有一定动手能力之后，实验教学就可以由课堂验证性实验上升到简单功能设计，由独立功能电路拓展到系统综合应用，由模仿编程转变到自主设计。在不断解决并完善实践系统的过程中，让学生体验到学习的价值与魅力，进一步地提高学生学习的积极性和热情。最后通过参加学科竞赛和创新实践项目进一步提升能力和开阔视野。这种步步深化、层层提升的方式，最终达到激发学生学习兴趣、夯实理论基础、提高实践能力、培养自主学习能力、诱导创新能力的目的。

3.5 评价方式改革

通过本课程的学习，学生应能够掌握单片机的基本理论，能够归纳总结知识点间的相互关系，培养出良好的学习方法和学习习惯。因此，考试并不是学习本课程的最终目的，而是学习掌握知识的手段，是为了培养学生独立思考、归纳总结的能力，最终掌握学习方法。本课程采用“课堂成绩+课后实践+开卷考试+学科竞赛”的方式（表1）取代传统的以考试作为主的评价方式，实现对学生学习效果的综合性评定。该评价方式贯穿了整个课程学习阶段，包括了课内和课外的学习效果，兼顾了理论知识和实践能力的评估，更注重学生工程实践能力和创新水平的培养，达到了综合评价的目的。

4 结束语

单片机课程是一门综合性应用型课程，在教学过程必须充分将理论教学与实践教学相结合，通过案例与实验来激发学生的学习兴趣，通过课后实践和学科竞赛使得课程学习时间得以延伸。通过对本课程的教学改革，使学生对单片机系统组成、工作方式和编程方法得以充分理解，有效地提高学生的自主创新能力和工程设计能力。如图2，自从2019年实施本课程的教学改革以来，我院学生申请各类大学生创新创业实践项目数量有明显提升，参加电子设计类学科竞赛的积极性也得到了普遍提高，成绩也呈逐年上升态势。由此可见，教学改革所取得的成效对创新型和应用型人才培养具有重要意义，对新工科学科建设具有良好的促进作用。

参考文献：

[1] 张凤宝.新工科建设的路径与方法刍论——天津大学的探索与实践[J].中國大学教学，2017（7）：8-12.

[2] 赵继，谢寅波.新工科建设与工程教育创新[J].高等工程教育研究，2017（5）：13-17，41.

[3] 教育部高教司.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[4] 教育部高教司.“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[5] 教育部高教司.新工科建设指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[6] 唐波，龚雪娇，朱瑞金，等.新工科建设下的单片机原理及应用课程建设与改革研究[J].黑龙江科学，2019，10（7）：20-22.

[7] 龙顺宇，杨伟，吴路光，等.新工科+PBL模式下的单片机课程项目式教学实践[J].物联网技术，2018，8（11）：112-113，115.

[8] 朱学华.基于Proteus的单片机课程教学模式探索[J].电子测试，2018（2）：75-76，68.

[9] 富雅琼，吴霞，陈锡爱，等.单片机口袋实验室的开发与实践应用[J].现代电子技术，2018，41（12）：40-43.

[10] 叶成彬，郭志雄，孔令棚.增强型单片机教学与人才培养方式改革探讨[J].自动化技术与应用，2016，35（10）：149-152.

【通联编辑：谢媛媛】