应用型人才培养需求下单片机课程教学改革

谢 云 王 艳 马逸新

南京理工大学紫金学院 江苏南京 210023

应用型人才培养需求下单片机课程教学改革

谢 云 王 艳 马逸新

南京理工大学紫金学院 江苏南京 210023

单片机原理及应用是电气信息类专业中一门应用性较强的课程，在应用型人才培养计划中有着至关重要的课程地位，它不仅衔接着整个专业计划中的基础课程与专业课程，同时也承担着提高学生实践动手水平，知识转化为实际应用技能的教学任务。根据单片机原理及应用课程的特点，开展新模式课程教学，通过典型案例为主线整合知识体系，引入新考评机制，加强校企合作，拓宽课程发展渠道，最终实现学生进行自我学习管理，增加团队合作意识，提高解决问题能力，提升教学效果。

应用型人才；教学案例；教学效果

2014年3月教育部改革方向已经明确：全国普通本科高等院校1 200所学校中，将有600多所逐步向应用技术型大学转变，转型的大学本科院校正好占高校总数的50%[1]。应用型本科重在“应用”二字，要求以体现时代精神和社会发展要求的人才观、质量观和教育观为先导，以在新的高等教育形势下构建满足和适应经济与社会发展需要的新的学科方向、专业结构、课程体系，更新教学内容、教学环节、教学方法和教学手段，全面提高教学水平，培养具有较强社会适应能力和竞争能力的高素质应用型人才。要求各专业紧密结合地方特色，注重学生实践能力，培养应用型人才，从教学体系建设体现“应用”二字，其核心环节是实践教学。

通常来说“应用型人才”这一定义是指把成熟的技术和理论应用到实际的生产、生活中的技能型人才。即：能将专业知识和技能应用于所从事的专业社会实践的一种专门的人才类型，是熟练掌握社会生产或社会活动一线的基础知识和基本技能，主要从事一线生产的技术或专业人才，其具体内涵是随着高等教育历史的发展而不断发展的。

随着电子技术的飞速发展，学科方向与技术门类划分日益细化、专业化，电子设备及器件往高速化、微型化、低功耗、网络化、智能化迈进。单片机作为电子技术中经典的器件历经数代发展、演进之后，它的应用已经渗入到生产生活的各个领域[2]。如智能家电、智能仪表、汽车导航、高速列车控制系统、飞行器导航装置、医疗器械、物联网通讯、网络数据终端、工业自动化控制和数据处理、机器人技术等[3]。显然，掌握单片机技术已经成为电气信息类工程师的必备专业技能，同时相关领域对技术人才的需求量也非常大，所以诸多院校在当前应用型人才培养背景下尤其注重电类工科专业的单片机原理及应用课程的发展，并将其定位为专业必修课程。

1 单片机课程教学改革具体内容

1.1 整合课程知识体系

单片机原理及应用课程中所涉及的基本概念、专业术语、指令系统、外围芯片等较多，如果不对课程知识体系进行有效梳理整合，那么将无法把握到知识间的关联性，更谈不上如何掌握知识，如何应用知识。例如，以往我们讲授知识是以章节编排顺序进行，先讲单片机课程概述、然后讲单片机硬件系统、软件系统(汇编指令系统、C语言编程)，接着讲单片机内部功能部件(定时器、串行接口、中断管理系统)，最后讲单片机资源扩展、功能扩展和系统设计。学生在授课过程中虽然学习了整个课程的所有知识点，但是，当实际要将软件与硬件知识结合完成一个简单的单片机应用系统设计时却感到无从下手。学生普遍反映该门课程概念枯燥，指令繁杂，应用抽象。基于以上信息反馈，笔者从多年的实际教学经验出发，对教学大纲中所涉及的知识点、知识单元进行重新整合，采取知识模块化，从单片机系统应用的角度将课程中所涉及的知识点划分为以下几个模块：单片机最小应用系统、I/O接口(显示器、键盘)、 内部部件资源(中断管理系统、定时/计数器、串行通信)、外部部件资源(并行扩展、串行扩展)。

同时，借鉴现代高等教育中的案例教学法，以典型案例为主线串接起各个知识模块。案例的设定满足知识间的递进规律，学生的认知规律，具有可实现性、层次性、关联性、灵活性与可扩展性。在案例的分析过程中同时兼顾硬件电路设计与软件编程，即同步实现电路设计模块化、软件编程模块化，这样能有效引导学生掌握实际产品开发中系统设计的基本方法和实现思想。以单片机最小系统为基础，通过不同案例逐步带入知识模块，硬件设计中顺序添加数码管显示模块、键盘模、定时/计数器和中断管理系统等；同时，软件设计中顺序添加C语言基础语法、I/O口输入/输出程序控制、数码管静态显示程序控制、数码管动态显示程序控制、定时/计数器驱动程序、查询方式处理定时器溢出和键盘扫描和中断方式处理定时器溢出和键盘扫描等，部分案例与课程知识体系关系表如表1所示。教学过程中学生亲自动手实践，通过分析、解决这些典型案例不仅能产生直观的、生动的体验感触，最为关键的是新知识点仍然在后续知识点中有所体现，这样就创建了一种有形的知识关联路径，便于学生自我构建对课程知识结构体系的有效认知。当然以上示范的仅仅是教学案例中的很小部分，其共性的特点是注重基础，通用性强，但是没有体现出较强的专业应用，或者换个角度说课程教学中需要加强案例设计方面的专业特点以便适宜来自不同专业学生的发展需求。课程最后环节是通过引入专业性较强的系统级案例来进行分方向教学，部分单片机应用系统案例与适用专业关系见表2。系统级的案例中都有涉及专业培养计划中一些其他课程，例如电工电路、模拟电路、数字电路、C语言、传感器技术等，这样有益于学生了解专业课程体系，拓宽学生的专业视野，培养学生的应用能力[4]。

表1 案例与课程知识体系关系

表2 单片机应用系统案例与适用专业

1.2 课堂教学组织新思路

课堂教学中根据实施时间先后分为4个环节，引入基础案例进行知识讲授、课后分组进行案例拓展、课中分组汇报与讨论分析、课后总结形成文档报告。为了促进每个学生积极参与到课程学习，开课前在授课教师的引导下全体学生经过协商自愿组成学习小组，每个小组推选一位负责人担任小组长，由小组长负责组织本组成员在课后开展案例拓展工作；安排本组某一成员作为代表在课堂汇报环节讲述案例拓展思路并展示软、硬件的成果，同时小组长担任课堂汇报环节中其他小组的评委，针对案例拓展工作量是否达标，硬件电路是否标准、软件设计是否规范、预期功能是否实现以及软件操作是否熟练等项进行评判并给出评分；课后组织组员按照课堂集中讨论分析的结果以及授课教师和其他小组给出的意见进行方案改进，并总结形成报告文档。

1.2.1 知识模块案例化讲授

以知识模块化为基础，结合典型的案例，先提出问题，然后引导学生分析问题，接着提出解决相应具体问题所涉及的基础知识和基本原理。例如，讲授单片机硬件系统时，通过单片机最小系统设计这一案例，依次提出若干个关联性问题：单片机最小系统包括哪几部分电路？如何实现单片机系统复位？系统复位后，MCU芯片内部各部件的初始状态如何？系统工作的时钟来源哪里？单片机最小系统进行应用扩展时与外部器件、设备信息交换的通道是什么？通过一个个问题的剖析顺序代入与讲解最小系统组成，复位电路、时钟电路、初始状态等知识。以该案例为铺垫可以接着设定引出下一个案例，例如模拟开关或广告流水灯控制，提出以下若干问题：单片机I/O引脚如何驱动一个发光二极管？如何实现两种状态间延时时间的控制?如何读取单片机I/O引脚的输入状态？授课教师将会从I/O引脚内部结构出发，结合C51语言编程来讲授与案例有关的电路与程序设计、软件仿真分析以及硬件制作。以此类推，设定的案例逐步升级，涉及的知识模块也在不断叠加，最终完成所有知识点的链接与集成。案例分析是知识点的应用，知识点又应用于案例，原理与实践融合成有机整体。

1.2.2 课后分组完成案例拓展

以课堂上教师讲授的案例为基础，各学习小组进行案例拓展，拓展内容自由发挥，形式可以多样，拓展内容大体涉及：硬件拓展升级和软件拓展升级。硬件拓展升级是指学生可以在原有案例基础上增加内部功能部件的使用或添加新的外围电路使得硬件系统更加复杂。软件拓展升级是指学生保留原有案例硬件电路的基础上，完善程序，丰富其功能，又或者是基于硬件拓展升级进一步实现新的设计理念从而产生一个全新的系统化成果。例如，显示器模块，教师可以引入基础案例，例如：实现两个独立数码管静态显示任意整型数，那么各小组的拓展思维可以向多方向发展，以下用框图展示某一组学生采用的拓展路径(如图1所示)。

图1 案例拓展思维路径

课后学生完成案例拓展工作，就必须要巩固知识、查阅资料、集体讨论、仿真分析与验证。学生在这样的实践过程中逐步得到锻炼，而团队式的学习，更有利于他们集体意识、组织能力、合作精神的培养，与应用型人才整体素质的发展目标相一致。

1.2.3 课上分组汇报与评分

案例拓展的成果将由本组选派的代表向全体同学和老师陈述，包括拓展思路、硬件电路设计、软件功能规划以及编程思想等。陈述后，由评委组按照各评分项标准做出评分(评委组由授课教师、各组小组长组成)、点评以及改进建议。最后，全体学生参与讨论优胜小组的评定以及优秀拓展案例的筛选。评分结果将按比例计入平时成绩，小组成绩即为组内各成员在拓展环节中的成绩[5]。

1.2.4 课后改进与总结归纳

根据课上评委组给出的建议，各学习组进行设计方案完善，并总结归纳形成文档，文档中要求进一步分析阐述案例与所涉及的基础知识、基本原理的关联性，目的在于促进学生对知识的内化吸收。

1.3 建设立体化教学资源

课堂教学的推进离不开教学资源作为基础与后盾，同时教学资源又是课堂教学的扩充与延伸。除了与课程内容契合较好的教材、PPT以外，随着新媒体应用的影响，学生的学习行为也在改变，新学习行为对传统教学资源与教学手段也提出了新要求。授课教师有必要将文字化的、平面化的教学资源借助互联网时代的新媒体技术进行重新构建，形成立体化、移动式教学资源。例如，知识讲授、案例软件仿真、实物制作都通过微视频呈现，并且上传到网络平台供学生点播，这样学生在课余时间有条件重温课堂，加深印象。

教学资源的来源也不再局限于书本、基础实验平台，而是加强引入企业资源，促进课程发展与市场主流技术的衔接。单片机课程的授课内容先以MCS-51系列作为入门基础，在学生了解了单片机技术并掌握了单片机应用系统开发流程之后，给学生提供升级版的单片机技术资源。例如，我校与美国德州仪器公司(TI)合作，引入MSP430xxx系列超低功耗单片机的软、硬件开发平台。这样基础教学将会紧随社会发展，也有利于培养学生对新技术的学习和应用能力。

1.4 实施考核新机制

考核既是对教师教学效果的一种评判，同时也是学生学习源动力的一种激励因素。以往对学生课程学习情况的考核主要采取笔试形式，侧重考察学生知识记忆、计算、分析问题这些方面的能力，而对学生的知识综合应用以及实践能力的关注有所忽略或重视不够。显然，改变单一的考核形式在新教学活动中显得尤为重要。新的考核机制中，学生的最终成绩有三大部分组成：平时成绩、实践成绩以及笔试成绩。平时成绩包含到课考勤情况、案例汇报评分与案例拓展报告得分，占总成绩的30%；实践成绩含实验课程完成情况与拓展案例样品实现情况，占总成绩的30%；笔试成绩侧重考察基础知识、基本原理的掌握情况，占总成绩的40%。新的考核机制以应用能力为目标设计评估标准，关注学生的学习过程和效果，尤其是学生在平时的学习过程中所取得的进步。教师的角色定位也有所调整，在教学活动中以引导学生发现问题，鼓励学生解决问题，促进学生逐渐进步和成长为主导目标，而不是扮演站在学生对立面的“审判员”；同样，学生互评环节创造机会使得学生学会观察别人的长处，并对自身的学习成果进行反思。

2 结束语

面向应用型人才培养目标，针对传统单片机课程教学中的实际问题，在教学方法、教学资源和教学手段等方面做了一定的革新与探索，尤其是在课程知识体系构建、案例设定、教学资源新媒体化、考核机制方面取得了一定成绩，积累了一些经验。教与学是个互助的过程，是个可持续发展的过程，只有在教学实践中不断探索，始终与教育发展、社会发展保持一致，才能培养出符合社会需求的应用型人才。

[1]600多所本科高校将转向职业教育[N/OL].http://news.sina. com.cn/o/2014-05-11/015930106772.shtml?qq-pf-to=pcqq.c2c.

[2]梁璐.基于开发板的单片机案例教学探索[J].宁夏师范学院学报:自然科学,2012,33(3):92-94.

[3]陈慕君,张剑锋.高职高专单片机教学改革思路探索[J].黑龙江科技信息,2011,19(1):156-157.

[4]刘敏华,贾仙鱼.电路分析基础案例库的设计与应用[J].中国现代教育装备,2012,155(19):48-55.

[5]赵鸿图.单片机课程教学中的案例教学法研究[J].科技创新导报,2008(32):149-151.

Reform of SCM Teaching in the Demand of Application-Oriented Talents Cultivation

Xie Yun, Wang Yan, Ma Yixin

Zijin College, Nanjing University of Science and Thechology, Nanjing, 210023, China

SCM course is a very practical, comprehensive application-oriented courses in Electronics and Engineering field, it occupies a critical position in Applied talent cultivation. SCM course connected with foundation courses and professional courses, enhanced student’s capability to transforming theory into practice. This paper based on characteristics of SCM course, it carried out a new teaching model with typical cases and new evaluating system. Through cooperation between campus and company, enhance students’ self-study, team-work and problem solving ability, eventually improve SCM course teaching effect.

application-oriented talents; teaching cases; improving teaching effects

2016-03-22

谢云，硕士，讲师。

南京理工大学紫金学院教育教学改革研究一般项目“案例教学法在《微机与单片机原理及应用》教学中的应用研究”(编号：20130102001)。