高校单片机系列实验课程创新改革

2022-07-09秦贵和

科技视界 2022年15期

黄玥刘通秦贵和黄威

（1.吉林大学公共计算机教学与研究中心，吉林长春 130012；2.吉林大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130012；3.长春一汽通信科技有限公司，吉林长春 130011）

1 研究背景

我国单片机发展从1986年算起至今已近35年。最初国内的一些大学和研究所开展了8080/85、680 等8 位微处理器的研究和应用。到20 世纪80年代末，单片机课程被搬上了大学的讲堂。从复杂的汇编程序控制单片机到用C 语言、Python 语言等高级语言实现多任务平台上的开发，从单板机系统的实验台到口袋实验室的实验设备，单片机课程的理论与实验在不断的发展进步。随着学生创新能力的提高，各种计算机创新大赛的举办，学生对单片机知识的需求愈发旺盛。因此，不少大学为非计算机专业学生开设了单片机系列创新实验课程。但非计算机专业的学生与计算机专业学生的需求有所不同，他们更注重知识的实用性，需要用单片机知识来解决实际问题。这就需要单片机系列创新实验课程更具实践性、交叉性，课程要项目化、实用化。这不仅是对课程本身的考验，更是对教师的考验。教师不仅要有扎实的理论知识，更要有丰富的工程实践能力；不仅要熟悉各种单片机系统，更要时刻掌握层出不穷的新体系、新设备，才能够对学生的创新思路及遇到的问题加以指导，给予帮助。

2 课程改革的探索

单片机课程的改革从大纲结构、实验环境、教师能力三个方面进行。

2.1 大纲结构

传统的单片机课程一般从一个经典的MCU，如51 进行介绍。一般会介绍单片机的内部结构、指令系统、经典接口（并口、串口及计数器等）、中断调用、数模模数转换等知识。即便是专业学生学习，在传统教学中也会存在学生指令系统跟不上、实验内容和理论课程不贴切等问题。而对于学时紧张的单片机系列实验课程，非计算机专业学生更是无法掌握这些繁多的理论知识。

非计算机专业学生在学习单片机相关课程后，普遍反映课程难懂、枯燥、没有多少用、学习课程后对自己基本没有多少帮助等负面问题。因此，单片机系列创新实验课程相比专业的单片机大纲结构，剔除掉与实践没有直接关系的理论知识，把与实践相关的理论知识穿插在实验与实践环节。调整后的优势如下：

一是理论与实践紧密融合，节约了授课时间；二是学生不再死记硬背理论知识，直接通过实践过程，将理论转化为技能；三是学生边学边做边解决问题，提高了学习的积极性；四是降低了学生解决问题的门槛，让学生可以学以致用。

2.2 实验环境

传统的实验模式是学生需要在规定时间、指定仪器或实验箱上进行限定性实验，以验证所学理论知识。这种学习方式具有一定时滞性。当学生产生了某种创新想法而又无法及时进入实验室时，该创新想法可能就会搁置。等到下一次进入到实验室时，又会因其他的操作任务而无暇实现之前的想法，或者之前的想法早已遗忘。

传统的单片机实验大多借助电路实验箱在实验室进行，以演示性、验证性实验居多，缺乏系统性、启发性、设计性，使学生对自动控制原理的理解不深入，系统分析与应用能力不高。单片机系列创新实验课程的实验要突出实用性、灵活性、开放性。学生在完成学时内的实验后，可以对实验内容举一反三；在教师的允许下可以进行新的尝试。如学生在进行PWM 控制舵机的旋转角度实验时，还可以尝试用PWM 控制直流电机转速。在宽松的实验环境下，学生的主动性与积极性得到了提高，对培养学生的创造性有很好的效果。另外，实验箱的价格相对较高、体积较大，携带也极不方便。

许多院校的单片机相关实验已经进行了专业化、学科化的改革。这些改革主要对陈旧的实验内容和实验设备进行了新的设计。一方面，在实验内容上，各个院校根据学生的相关专业进行实验设计。机械类专业的学生可以进行机电控制的单片机实验；生物专业的学生可以进行湿度、温度和光照传感器的相关实验；物流专业的学生可以进行物联网类的单片机实验。另一方面，配套的实验设备也需要自行设计组织，以满足实验内容的专业化、学科化。

单片机系列创新实验课程，受到教学条件限制，无法大量购置价格较贵的实验设备。课程的实验设备的操作需要具有专业知识与相应能力，而单片机系列创新实验课程的学生在不具备相应能力的情况下进行操作，实验设备往往经过一次或多次实验课之后会产生大量的问题，需要调试及维修。从而给课程的正常教学带来了不利因素。例如，有两门课程在教学中使用同一套设备。这两种课程的实验对实验软件环境的配置不一样，因此在两个课程穿插进行时，学生会因为前次实验的环境配置与自己实验的环境配置不一致而无法正常进行实验。两个课程在同一阶段进行实验的学期中，实验设备的故障率要远高于正常水平。

单片机系列创新实验课程实验在经费有限、支持有限的环境中想要发展，一定要进行模块化、精炼化、包容化的改革。如今单片机系统类型不断地丰富，价格不断地降低，不仅实验设计者可以像组装计算机一样进行简单的组合，来满足实验的硬件需求，学生也能自行满足竞赛及学习需求的单片机及其配件（接口模块、传感器及执行机构等）。

学生能够在创新实验课程实验学时中完成并掌握的实验数量有限。如果有针对性地将实验设备化整为零，将集成的实验机箱换成零件由学生进行组装，可以令实验成本大幅下降。表1 是一个学生在公共选修课程中计划的实验课（部分）所需的实验材料。

表1 实验材料（部分）

若按照上表组织实验，实验成本将降低到实验机箱的10%以内。这样的效果不仅体现在有限的经费投入下丰富了实验的内容。因为实验过程需要学生自己动手组装，极大地提高了学生的参与性与积极性，而学生可以将个人的单片机系统与课程提供的模块组合调试，帮助学生解决实际问题，激发了学生的创造性，提高了课程在学生中的口碑，令课程更具有活力。

2.3 教师能力

单片机系列创新实验课程教师应该比专业教师更具有活力，更能适应计算机的新知识、新体系和新概念。由于单片机系列实验设备主要以“实验主机+仿真系统+实验配套模块”的形式进行设计，市面上涌现出大量的单片机开发系统及学习系统，而学生对单片机系统的选择有趋新潮性，有一定的随机性，因而创新实验课程教师不仅要有充足的知识储备，更要不断地补充新的知识，强化指导学生的能力。相应的，在教授单片机系列创新实验课程的过程中，每一轮课程都要补充新类型的实验设备，对新设备的调试、掌握并引入教学环节中的过程也在不断地强化教师的个人能力。

单片机系列创新实验课程的改革要满足学生的需求，提高教师能力，激发课程活力，为高校培养创新性人才注入催化剂，为高等院校在科技创新时代不断地深化改革进行了实质性的践行。