面向创新型人才培养的《单片机原理》教学改革探索

陈 朋 杨东勇

(浙江工业大学信息工程学院，浙江 杭州310023)

1 课程改革背景

随着电子技术的迅速发展，电子产品、智能手持设备和测控装置等在日常生活中随处可见。近年来，社会对从事单片机开发人才的需求也日趋增加。如当下流行的可穿戴设备（智能手环，智能手表等产品）通过蓝牙4.0等方式与手机交互信息；工业应用的一些手持设备通过Wi-Fi或ZigBee等方式与其他设备交互信息，为降低开发成本，现在很多生产商已经推出了内嵌协议栈的芯片，如CC254X，CC31XX等系列。各大芯片生产商还推出了Cortex-M3、Cortex-M4架构的资源丰富又相对廉价的单片机芯片。单片机的不断推陈出新，也促使着单片机原理课程教学内容需要跟住潮流。

2 课程特点及教学现状

由于单片机的广泛应用，《单片机原理》作为国内外众多高校的一门重点专业课程。该课程需要理论与实践紧密结合，通常放在较高年级，等学生有一定软件硬件功底之后再教学。然而，传统教学方式学生往往只停留在课本上，教学的主要以51单片机居多，逐块介绍单片机功能，使用汇编指令对寄存器操作，再结合一些验证性试验强化学习。这里存在的问题是教学内容不能及时更新，与主流公司相关芯片技术脱机比较严重，而且实验方式和实验手段比较陈旧，实验内容与一些新的技术关系不密切。另外，在学习单片机原理课程前，大多数高校自动化、电子信息类等专业会安排C语言，微机原理等先行课程，单片机之后会安排嵌入式原理，DSP原理与应用等课程。以汇编语言为主的单片机教学，呈现和先行课程存在部分内容重复，和后续课程则脱节较大的问题。此外，不少高校的单片机课程都是以教师为主，学生被动接收，不能激发学生的学习兴趣，甚至导致一些有兴趣的学生还会因为这种枯燥的学习方式而产生逆反心理，失去兴趣或信心[1]。单片机这类要求学生有较高动手能力的课程，采用传统的期终笔试来确定成绩的方式也存在弊端，无法衡量学生的实际水平。

针对上述问题，笔者结合多年单片机教学和嵌入式项目开发经验，积极探索单片机原理教学方法改革，使用Cortex-M4内核的TM4C1294系列芯片作为授课载体，从汇编语言过渡到C语言，从寄存器操作过渡到调用库函数，并编写教案与实验手册，研发新实验设备，通过丰富实例调动学生学习兴趣，通过紧密结合实际项目的或各类课外科技竞赛的简化开放性实验，强调学以致用，在资源丰富的多功能开发板上培养学生的动手能力与创新意识。

3 单片机原理教学改革思路

面对新的授课载体，教师采用新的教学思路，借鉴国际上先进的CDIO模式——构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)[2]，以学生为中心，引导学生通过实践主动地获取知识，将获取的新知识与已有认知结构联系起来，让学生在具体的问题情景中积极思考、主动探索，培养学生分析解决问题的综合能力，提高教与学的效果[3]。我们采用了以下四个方面进行单片机原理教学：

3.1 精选教学内容，紧跟社会需求

作为一门理论紧密联系实际的专业课程，教学的内容也需要及时更新，跟上社会需求，当学生看到所学知识在社会中确实有广泛应用时，学习热情自然被激发。

在讲授单片机片外设备接口 （External Peripheral Interface，EPI）时，我们结合了多媒体设备的TFT彩屏显示案例，学生面对的不再是传统的寄存器配置以及复杂的TFT初始化，而是能在TFT上通过程序绘制各种图形，甚至是动态正弦波，大大吸引了学生兴趣。随后讲授同步串行接口SSI时，我们又在TFT显示的基础上增加了触摸功能。学生通过简单的初步调试，就能将TFT液晶屏，变成一块手绘板，学习兴趣自然大大提升。这种学有所得的感受，让传统枯燥的学习变成了“玩”单片机，提高了学习主动性和积极性。

3.2 结合前期课程，强化课程关联

在前期的课程中，大多数学生都已经学习过C语言、微机原理、模拟电路、数字电路等课程，也有相应的课程实验，这些实验或是在PC机上模拟，或是自己动手设计电路。单片机实验作为一个综合性试验，进一步巩固先前所学，在我们的实验平台上，搭载了TFT触摸屏、SD卡、AD、DA、数码管、LED灯、矩阵键盘、加速度计和红外接收器等丰富的片外资源，以及通用的外设接口。学生可以重现先前课程所学，如C和汇编混合编程，EEPROM，FLASH的操作和数码管的显示等实验，是对前期课程的综合应用与巩固。

3.3 配合课外科技，开放设计实验

各类课外科技竞赛是培养和考验学生综合应用能力与创新能力的良好平台，着重考核学生综合运用基础知识进行理论设计的能力、创新意识、独立工作能力和实验综合技能[4]。笔者所在信息学院近年来学生参与常见课外科技竞赛如 “全国大学生电子设计竞赛”，“挑战杯”，“飞思卡尔智能汽车比赛”，以及各大企业组织的一些竞赛，几乎都要用到单片机。这些竞赛传统的51单片机无论从资源还是从速度上，都已经跟不上。而TM4C1294系类单片机则以丰富的资源和较快的处理速度能满足学生在课外科技竞赛中的需求，不受资源限制。笔者也引入了开放综合实验，让学生结合竞赛要求，发挥自己想象。最后提交作品中，有学生做出了重力感应游戏，射击游戏和简易多媒体播放器等优秀成果。开放实验作为课程考核的依据之一，充分调动了学生的学习积极性，主动和同学、老师交流方案，最终独立完成设计，培养了学生动手实践能力与创新精神，达到教学目的。

3.4 结合科研项目，丰富实践环节

对于学习兴趣浓厚，且有一定成果的学生，吸引到科研课题和开发项目中来，分配相关任务，让学生进一步提升巩固单片机知识，在真实的项目中，学生会更深入去考虑单片机原理，不断思考创新，优化已有成果。也可从具体项目中，提炼出一些毕业设计课题，供本科生选题，有利于增强学生的实践能力与自主研究意识，培养创新能力，为社会输送创新型人才。

4 成果与总结

笔者经过在学院内一学期的试点教学，发现学生对单片机新技术学习兴趣浓厚，多名学生主动在实验结束后，借用开发平台在课后自主实验。课程改革在课外科技竞赛方面也取得了很好的成果，2014年的浙江省电子设计竞赛我院学生获A类题一等奖两项，二等奖两项（其中一等奖浙江省共4个名额），其中一项一等奖还获得了TI杯专项奖。通过单片机新技术配合全新研发的实验平台，丰富的例程与生动的实验，以学生为中心的教育方式，能极大提升学生学习兴趣，提高动手能力，也培养了学生创新精神，保证了教学质量，并达到了良好的教学效果。

［1］尤晓萍,林育兹.基于创新实践的单片机教学方法探索[J].教育教学论坛,2015(1)：238-239.

［2］乔莉,刘寅生.基于 CDIO的单片机课程教学改革方法探索[J].黑龙江科技信息,2012(33)：196-196.

［3］渠丽岩.让学生在快乐中学习：谈案例教学法在“单片机原理与应用”教学中的应用[J].计算机教育,2009(18)：93-95.

［4］刘辉,王新辉,张文希.从电子设计竞赛看单片机实验教学的改革与创新[J].长沙大学学报,2006,20(5)：98-100.