齐凤莲 侯玲玲 邹媛媛

沈阳建筑大学 沈阳 110168

0 引言

机械电子工程专业是一个跨学科的二级学科专业，对于该专业“新工科”建设背景要求下应用型人才的培养目标，涉及机械、计算机、自动控制等相关的基础知识，其目的是培养从事机械电子相关产品的设计制造、控制系统开发、应用研究和生产管理等工作的高级专门人才。沈阳建筑大学单片机系列课程包括微机原理及接口技术、嵌入式控制系统、课程设计等，该系列课程在机电学生的知识、能力和素质培养体系中，占有十分重要的地位[1-3]。本文作者近年来致力于探索在机电专业中该系列课程的教学改革，从应用的角度出发，理论和实践结合、硬件和软件的结合以及机械与电的结合，侧重学生兴趣和应用能力的培养。本文主要从理论教学和实践环节两方面展开，就教学探索的过程和成效进行阐述。

1 理论课教学探索

1.1 学时集中

单片机系列课程的理论课，主要在讲解单片机的内部结构和工作原理基础上重点锻炼学生理论与实践的结合，软件与硬件的配合，尤其锻炼学生动手编程运用控制器的综合能力。在编程调试过程，需要教师给予更多指导，指导学生从初期的入门调试到熟练利用调试工具进行程序调试。为此，本专业改革传统的一周2 次课、一次课2 学时的课程安排，将该课程集中周次讲授，一周2 次、每次4 学时，4 学时既可以保证学生课上的理论知识点讲授，同时还可以结合知识点进行程序调试，教师当堂指导，问题及时解决；一周2 次的安排既集中又分散，既保证了学习的连贯性，又保证学生有充足的时间在课后完成作业。从近两轮的学生反馈反映该课程安排比较合理。

1.2 基于项目目标的教学内容

单片机系列课程理论课内容需要掌握微型机的内部结构、工作原理，对单片机的内部资源定时器/计数器和中断系统的原理和使用方法，以及常用外部接口技术的应用方法，运用微机的指令系统使用现代软件工具能够结合控制系统的应用场合、设计需求等，搭建以微型机为核心的简单控制系统。这些知识点前后衔接，结合其特点，每节课结合教学内容设定一个小的项目目标[4]，单片机基础这部分内容的项目目标设计示例如图1 所示，由浅入深，逐层递进。比如，从基础的跑马灯开始，这个小目标中，涵盖了多个知识点，教师首先要结合电路给学生讲解二极管点亮的条件，其次引入程序运行过程中时间的概念，然后再结合keil 软件进行程序编写，最后再利用调试工具进行延时时间的测试，改变不同延时参数，演示不同的运行效果。在一系列讲解后，学生可以随堂利用keil 软件进行程序设计及调试，调试过程出现问题并解决问题，既是对知识点融会贯通的过程，目标达成，又会极大地调动学生学习的积极性，课后会对该项目达成度进一步完善。结合每堂课设计的各个项目目标，在课程实施过程中运用并不断完善，项目结合度较好。

图1 项目目标技术知识点示例

1.3 教学方法多形式融合

该系列理论课授课过程中采取多形式融合，体现在以下几方面。

1.3.1 多媒体授课

多媒体授课依然是课堂主要知识点讲解的主要手段。不论是线上还是线下，以多媒体为主要手段，与其他工具融合运用才能使课堂教学更丰富多彩。

1.3.2 短视频课内课外、课上课下结合

短视频分课内观看和课外知识点拓展两个方面，由于学时有限，有些知识点学生可以通过课下观看短视频进行自学。课上播放的短视频多为相关功能运行效果的短视频，更有助于让学生对该知识点的理解；课下的短视频有网上的资源，也有教师自行制作完成的。授课教师提前制作好相关知识点的讲解视频，一个个小的知识点讲解，不建议时间太长，但应为一个系列，视频内容既有课堂上的理论讲解内容，也有课堂外的知识拓展。

1.3.3 课堂实时电路板操作

由于该系列课程改革，实验学时融入理论课学时中，学生借用实验板，上课过程直接结合实验板资源进行相关讲解，更有利于学生对知识点的消化吸收。实验板资源比较丰富，基本能够满足学生理论课程知识点的实操训练。图2 为学生课上利用实验板所完成的实验效果。

图2 实验板实验效果

1.3.4 Protues 系统仿真辅助

由于单片机系列涉及外扩资源较多，电路板有些功能不能满足时，可利用Protues 进行系统仿真实现，仿真与电路板结合运用，相辅相成，更有助于学生对该系列课程的学习。

1.3.5 云班课课前课后相辅相成

该系列课程的特点是理论结合实践，每堂课既要考查学生的理论掌握程度，又要检验学生的编程运用能力，因此，该系列课程利用云班课的功能，在课前对学生进行理论知识的课堂小测验，课后完成的项目作业上传至云班课，程序及运行视频一目了然。

1.4 课堂安排预教结合

根据多年的教学经验，提出该系列课程理论课六步法，按此进行课前、课中和课后安排，如图3所示。

图3 六步法教学安排

学生此前对教授内容的知识点很少进行预习，为此，作者结合讲授知识点及参考教材，提前给学生发放适量预习题，让学生结合思考题对基础知识点进行预习；在课堂讲授过程中，先根据预习题与学生进行互动，让尽可能多的学生参与，再结合这些基础知识点进行教学内容的扩展，根据教学重点设定项目目标，课堂中完成项目目标基础功能，课后进行项目目标的完善，课前、课中、课后安排比较紧凑。根据学生反馈的情况，该方法可以比较有效地提高上课质量，大大提升学生学习兴趣，同时也培养他们的自学能力和创新能力。

1.5 实战项目跟随考核

本课程根据教学大纲的要求，改变“期末一张卷”的做法，同时改变以理论考核为主，实践技能考核为辅的做法，加大实战技能考核的比例。探寻能够锻炼学生的书面表达能力，提高学生独立动脑能力及实际动手能力，激发学生创新动力，提高学生针对实际工程问题的分析能力、解决工程问题的能力的考核方案[5]。本课程制定了成绩评定方式。

1.5.1 平时互动考核

1）预习互动考核。

2）知识点掌握互动考核。该部分考核主要是对学生自学能力和知识融会贯通能力的考查。

1.5.2 项目目标考核

1）课堂项目目标实现考核。

2）课后项目实现效果考核。这些主要考查学生课堂的理解掌握能力，该考核促使学生能集中精力学习讲授的知识点，并当堂运用，且能保证课后顺利完成项目目标。

1.5.3 基于项目的结课大作业考核

课程结束以综合项目目标为任务，学生完成该大作业的程度即是对该课程学习掌握的综合考核，重在综合运用的实战训练，不止编写程序，要求学生调试通过，由于单片机系列课程的特点，学生更倾向于该大作业的实战训练，学生调试的状态反映学生对该课程的投入，同时也对其后续的学习、就业、考研等产生一定的影响。

1.5.4 期末综合考试

最后一次考试为期末考试，主要考核系统知识的应用，或方案的选择与设计等，该考核内容综合，主要考查学生对单片机的原理、结构、应用等综合掌握能力。考试的命题范围不受阶段知识限制，可涵盖本门课程的任何内容。

2 实践环节探索

2.1 实验环节融入理论学时

2.1.1 实验环节改革前形式

实验环节是该系列课程的重要环节，在之前由于实验设备不够充足的情况下，安排学生在实验室完成相应的实验，由实验教师负责讲解，学生4 ～5人一组，组内学生轮流完成实验内容。

2.1.2 存在的问题

1）实验设备数量有限，几个人一组，大部分同学不能实时操作，不能及时跟上教师讲解。

2）实验教师和授课教师在衔接上会略有偏差。

3）单片机系列课程需要花时间调试，设备在实验室，仅利用实验时间进行调试是远远不够的。

2.1.3 探索新形式

首先，考虑到课程特点，实验室批量进行了实验板采购，目前用于学生实验的设备数量比较充足；其次，在设备使用上对学生采用了借用模式，学生根据课程安排在授课及大作业完成期间，可借用实验板，随时根据教师安排及自己兴趣进行项目调试，这样可以最大限度地发挥实验设备的作用，极大地提高了学生学习的积极性及学习的效果；最后，在修订培养方案时，将该系列课程的实验学时融入理论学时，授课时学生直接根据教师讲解，利用实验板进行操作和调试，实时性好，且设备利用高，学生反馈学习效果良好。

2.2 机与电结合的课程设计创新

机械电子专业涵盖多个领域的知识融合，单片机系列课程在机械电子专业课程能力和素质培养体系中，占有十分重要的地位，该系列课程在一定程度上承担着机电结合的角色。机电专业该系列的课程设计总学时为3 周，在完成单片机理论课程的基础上，后续的实践环节旨在锻炼学生结合已掌握的机械设计知识，进行机电结合的实践设计训练。为达到教学目标，机电专业的课程设计做出以下探索。

设计题目方面，确定三大类题目，分别为工件自动抓取机械臂、三轴全自动移动装置和自动循迹避障移动车设计。从内容上，要求学生完成设计题目要求的机械结构，并进行实物装配。学生可根据三维造型进行3D 打印，也可以利用慧鱼的模块进行拼搭，在此基础上进行控制系统的调试，培养学生从机械结构到控制系统调试全过程的动手实践。

成绩考核方面，改革传统的看图纸说明书答辩的形式，采用比赛并现场答辩，从机械结构的可行性、控制系统的稳定性、系统执行的快速性等方面进行考查，答辩教师现场根据实物的运行情况提出针对性问题，共同讨论。

这两方面的探索一是极大提高学生做设计的积极性，提高了课程设计的完成质量；二是为学生后续的毕业设计打下来一个比较坚实的基础，学生从机械结构的设计、工程图纸输出、实物制作以及控制系统调试，各环节都得到锻炼的同时，也做到了各环节的融合运用。图4 为学生自行利用3D 打印完成的机械结构，实现的机械臂抓取工件。图5 为学生利用慧鱼模块拼搭的机械机构，并实现的三轴移动机构。

图4 自动抓取机械臂

图5 三轴移动机构

在实施过程中，教师提出设计题目，学生根据设计题目进行机械结构设计后进行控制系统的设计，最后完成该项目的整体调试，整体效果比较理想。

2.3 以赛代练模式探索

课程负责人近些年带队参加机械设计大赛、机器人大赛、嵌入式人工智能大赛等，利用单片机实现对设备的控制，充分发挥机电专业的优势，实现参赛项目完成中的机电结合。以参赛项目为基础，通过项目简化，同时形成可用于该课程教学的虚拟项目，实现教学与竞赛相长，在促进该课程学习的同时，提高学生参赛的积极性。图6 为作者指导学生参加机械设计大赛的作品旋转环状立体停车设备。

图6 环状立体停车设备

3 结束语

通过对单片机系列课程在理论教学和实践环节的探索，从历年来的课程设计、毕业设计作品及参赛的效果来看，收效比较明显，质量明显提升，学生对该系列课程的学习积极性极大提高，创新能力不断提升，同时，对学生后续的学习工作等产生了积极的影响。在后续的教学活动中，还需结合机电专业继续探索对学生更行之有效的方法。