“互联网+”背景下面向创新能力培养的高职单片机教学改革研究

摘要：当前，在“互联网+”大背景下，学生创新能力的培养是学校教育的重要目标。单片机是通信工程、电子信息、机电工程等专业的一门方向课程，其课程实践性强，学生对该课程内容的掌握程度直接影响其专业素养的提高，对于创新能力的培养起着举足轻重的作用。本文针对原有的单片机教学模式的问题和弊端，以创新能力培养为导向，进行行之有效的框架设计，提出更实用的单片机学习方法。

关键词：单片机;创新能力;教学模式;高职;“互联网+”

一、概述

当前，在国家深入实施创新驱动发展战略的大背景下，推进大众创业万众创新作为重要的支撑，成为有效落实供给侧结构性改革的重要途径。“互联网+”对各行各业都有积极推动作用。在教育领域，也应顺应时代发展趋势，制订相应的“互联网+”改革方案。面向创新创业的課程模式需要结合“互联网+”背景特征，根据学科特色进行教学改革。创新发展需要大量人才，学校担当了输送创新创业主力军的重要任务。为适应发展，高职校的培养目标从生产一线的技能人才逐渐过渡到具有创新技术能力的应用型人才。近两年，各级政府、教育部门举办的面向职业学校的各类科技创新、创业类比赛开展得如火如荼，已成为与技能竞赛同等地位的重要人才选拔渠道。单片机以其体积小、低功耗、功能强的特点，广泛应用在工业控制、智能仪表、家用电器等领域。单片机的应用和实践，是促进学生创新能力的良好平台[1]。单片机应用技术是机电专业的一门主干课程，是多门专业基础课程知识的综合和提升，课程内容为单片机硬件结构、项目设计等知识和技能，主要教学目标为培养学生进行智能化控制系统整体设计的能力。单片机广泛应用于智能控制、家用电器、通讯导航设备等领域。以单片机为技术基础的电子设计和嵌入式系统产品是学生们参加各类创新活动和创新比赛的基本技能。学生们可以通过掌握单片机技术来参与项目实践、各类竞赛甚至走上自主创业的发展道路。因此，在“互联网+”的国家战略背景下，基于创新能力培养目标进行单片机课程模式的改革实践，可以有效地加强学生对单片机技术的掌握，促进职校学生形成创新思维、富有创新精神、具备创新实践能力、实现轻松就业创业。

二、单片机课程特点及教学现状

单片机课程教学的主要内容是讲授单片机系统的基本结构、指令系统、中断、定时系统以及串行接口电路等，在课程学习中不仅要学习芯片结构电路的知识基础，还要学习汇编语言或者C语言来实现编程控制，内容覆盖面广，涉及硬件、软件及应用，独立性强，但又相互渗透，联系紧密。高职单片机课程的特点为面向工程项目，是专门面向应用实践的一门专业必修课。高职学校针对单片机课程的教学模式多种多样，大多数以项目化教学为主。在教学实施过程中总结有以下几个问题：

（一）难度大、不易学。不同于高校，高职学生的专业基础课程少、要求低，计算机硬件和编程语言基础较差，在讲授过程中需花费大量课时补充，然而教学效果甚微。无论是采用汇编语言还是C语言教学，英语基础差的高职学生在程序识读上都存在很大障碍，更不谈独立进行编程实验了。同时在教学方式上，受教学环境和条件的限制，大多数学校还是采用理论讲授为主，尽管利用多媒体讲解，也缺乏具体感知认识和灵活性，学生对枯燥乏味的理论知识缺乏兴趣，容易丧失信心。例如在讲授单片机存储器分配知识点时，学生无法直观地看到内部电路组成，很难理解芯片的存储原理，存储单元的分配结构，也就很难记住其中寄存器的功能用法了。部分学生从硬件结构开始就对课程产生了畏难心理，不愿意投入学习精力在单片机课程上，以致形成不良的学习习惯，进而恶性循环。

（二）项目陈旧，与实际相脱节。单片机作为一门实践型的专业方向课，最能够体现理论和实践相结合的特点。高职单片机课程以项目化教学为主，实验的项目基本上都是基础项目。通过对教材指导项目的分析发现，实验总是围绕LED灯的输出开展，甚至到接口编程阶段，仍采用闪烁灯或者流水灯做中断定时实验。这对实验设备缺乏的学校来讲，确实解决了一定困难，但是大大制约了学生对创新项目的研究和探索。且实验项目的操作过程都在教材或者实验指导书上一步一步完整呈现，学生按照书本操作即可，这造成学生在学习过程中失去主动，缺乏创新，不能很好地掌握单片机系统的整体设计方法。高职院校的培养目标是针对工业企业的实际岗位需求培养学生的综合职业能力，而多数教学中设计的实验项目都是单一项目，与企业的综合项目开发存在着较大差距，学生在毕业后并不能够将课堂所学应用到企业系统开发上。

（三）教学资源缺乏。在传统单片机项目化课程应用中，多方面教学资源的匮乏制约着高职的课程建设。众所周知，单片机课程广泛开设于本科院校和高职院校的计算机、电子信息、机电、自动化等相关专业，目前对本科学段的课程研究较为丰富，而高职校的单片机课程建设没有针对性，无论是教材还是实践项目都没有明显的针对性，面向职校生创新能力培养的教学资源更加缺乏。有些学校因学科发展受限、设备购置成本高、资金短缺等原因，学生实验很难开展。近年来，Proteus仿真软件在单片机教学中广泛应用，作为辅助手段帮助教师指导学生开展仿真实验，利用keil软件作为编程环境，这种仿真软件与项目实验相结合的方法能够降低教学成本、提高效率。然而，仿真实验并不能真正代替实战项目，仍然缺乏在难度和应用对象上均适合高职学生进行实践的项目教学。

三、教学改革方案

（一）提高教师业务能力，接轨“互联网+”

教师层面，高职校的教师创新意识较为淡薄，有的教师认为职业学校的学生智能进行技能训练，没有进行创新学习活动的能力，因而在教学中常常停留在知识和技能层面，忽略了“创新能力”的培养。

在“互联网+”时代技术背景下，单片机应用系统加速更新，教师的专业能力也需要逐步成长。鼓励教师多参加专业性强的培训，接触前沿技术，只有自己具备创新思想创新能力，才能指导学生研发出高水平的作品。教师自身应多参与科研课题，提升自己的研发能力，了解更多应用单片机系统创业的案例。教师应在符合教学大纲要求的基础上，总结过往教学经验，在课堂上摒弃过往灌输式的教学方法，设计综合性和开放性的实验项目，启发学生独立思考以培养学生的创新能力。有教师将原有项目拓展成创客小制作，例如将抢答器设计拓展成宿舍安防系统[2]。具备一定专业能力的教师可以根据需求研发项目套件，自主设计单片机系统板，再指导学生们通过选取元件、焊接装配、编程调试等一系列操作有效了解单片机系统开发的全过程。项目拓展成有条件的学校可建立导师制度，以团队模式开展实验教学。高职教师大部分毕业后就从事教学，很少有开发实战项目的经验，教师要多与企业合作，根据自己的专业能力参与到企业的实际项目中去，了解工业企业、智能应用场合所需，提升自己的开发能力。在教学中整合与教学内容相适应的实战项目，积极引入企业项目[3]和“互联网+”大赛项目，对知识节点进行有效链接，以创新能力培养为目的组织教学。

（二）改革课程模式，强化知识能力

学生层面，针对目前单片机课程中存在的问题，明确培养创新人才目标，以单片机技术为中心，充分激发学生的学习热情，创新更新教学内容，改革教学模式。

1.引入高级语言教学

传统的单片机教学以汇编语言为主，汇编语言面向机器，采用汇编语言教学可以很好地帮助学生掌握单片机的硬件机构、寄存器功能、接口电路等知识。然而由于技术的革新发展，在工程应用中，由于高级语言面向对象，通用性强，是结构化语言，程序层次清晰，便于编写、调试及修改。以C为主的高级语言已逐步取代汇编，成为项目开发的主流语言[4]。针对创新能力培养需要，在单片机教学中应采用C语言为主，汇编为辅的混合编程教学，在讲授硬件控制时采用汇编语言，而在项目拓展应用中采用C语言教学。近两年，Python语言发展火热，与C语言写法相似，相比而言更加简洁易懂，移植性强。随着Python语言越来越多地應用到单片机系统开发上，在单片机教学中使用Python已成为现实。浙江工业大学就将Python 引入到单片机实验课程中，学生可以无需进行仿真调试、烧写等过程，实现在线调试，提升兴趣，在具备单片机开发的基本知识之后，能够更容易地深入嵌入式系统方面的学习当中[5]。

2.设计创新项目，更新教学内容

目前，项目教学法已深入应用于高职院校的各门课程中，在项目教学中，学生处于主体地位。基于“互联网+”发展要求，针对传统单片机教学项目陈旧、乏味的缺点，教师可将创新项目或实际生产生活中一些新颖的产品引入教学，所选取的项目也可以是企业正在研发的产品。激发学生的创新精神。将学生分层分组，基础一般的学生可以通过交通灯、密码锁、电子钟等传统实验提高设计能力，基础好的学生通过结合新型传感器设计遥控小车、避障机器人等项目提高研发能力。合理设计实践项目，是学生学好单片机重要的保障，可以培养学生对实际应用项目的分析能力和设计能力，教师按照典型性和创新性的相结合的原则，合理安排教学内容，使学生在增长知识获取技能的同时，收获完成项目的成就感。

单片机具有“软硬结合”的特点，由于职校生语言基础差，在进行实践教学时应弱化编程、突出硬件应用。采用模块化教学可以满足要求。根据单片机系统的模块组成，将教学内容分为最小系统、LED显示、电机驱动、按键、数码管显示、串口通信等模块，并采用模块、任务的结构，将创新产品分解成几个模块的组成，锻炼学生分析任务解决问题的能力。例如，便携式榨汁机可以根据设计需要分解成电机驱动、独立按键、显示等几个模块。这种方法可以将编程难度大大降低，学生在后续参与创新设计时的思路更清晰。

3.改革实践模式，提升关键技术

以提高学生创新能力，接轨“互联网+”大赛为目的，搭建实践教学平台，改革实践模式根据“做学教”一体化教学要求，将学生课堂提升为一体化教室，既可以学习理论知识，又可以进行实践操作。

目前单片机作为智能产品的主要控制芯片，型号类型多种多样。应用于传统教学的51单片机，结构经典，模块简洁，有助于学生掌握基本的单片机结构和使用方法。然而随着芯片产业飞速发展，AVR、ARM等越来越多地被实践教学所采纳[6]。其中基于AVR内核的Arduino功能强大，程序可读性强，编程时不用针对繁杂的寄存器配置，就能直观地控制Arduino，提高了开发效率，因此被广泛应用于创新产品的开发。为了让有基础的学生能发挥能力，无基础的学生也能掌握基本技能，可以采用51单片机进行基础实验，Arduino进行创新实践，二者有机结合。单片机是组成机器人大脑的重要组成部分[7]。单片机接口电路组成了机器人系统的输出部分。单片机教学中，以机器人为载体可以有针对性地介绍单片机的接口电路，使学生了解更多单片机的应用环境，通过制作机器人可以调动学生的学习积极性，提高学生的工程实践能力，自然而然地将机器人设计反向嵌入了单片机编程教学中。

（三）优化资源配置、以赛促教

大多数高职校的科技创新活动不能够像高校一样组织有序，得不到制度的保障。即使有创新的想法，也很难进行落地。另外对教师科研创新提供的激励政策不够，影响了教师从事创新工作的热情，从而制约了学生科技创新能力的提高。各校可根据自身条件，对单片机教学提供切实有力的保障。通过资源配置，购买或自制单片机开发板用于教学。设立双创社团、建设创新实验室，提供资金保障，并配有指导教师，将课堂教学延伸到课外实践中，使学生能够完整地参与到一个创新项目中，包括项目提出、调研、项目设计、落地实现等。实验室定期开展讲座、讨论活动，介绍前沿技术，并对学生的创新想法进行点评。参加创新项目开发，可快速提升学生应用单片机系统设计方法开发实际产品的能力，培养项目工程师的素质，促进学生毕业后就业创业。

目前创新类竞赛较多，如“互联网+”双创大赛、“挑战杯”、青少年机器人竞赛等，这类比赛多应用单片机系统进行设计实现。教师可将学科竞赛和教学内容相融合，选取获奖项目，分解成若干简单项目引入课堂教学。在单片机课堂中，选拔一些学习兴趣浓厚，学习能力强的学生，参加机器人竞赛和创新竞赛。对获奖学生进行学分奖励，可以激励学生投入单片机学习中，以赛导学、以赛促学[8]。笔者所在学校正大力推行创新创业教育，创新团队参加教育部、科协组织的各项大赛，已获省市级奖项多个。教师团队以“互联网+”大赛为阶梯，积极申报教学成果奖，学生团队中已毕业的学生有在芯片研发企业、机器人教育等行业就业的，这充分证明组赛参赛的实际成效。组织学生参加创新创业类竞赛，一方面可以促进学生对单片机课程的学习积极性，另一方面，使教师在结合学生创新水平的基础上，进行教学内容和方法的针对性选择，进而促进课程改革。

四、结束语

综上所述，当前单片机技术日新月异，单片机的课程学习必须采用创新的思维方式，运用前沿技术。高职院校的教育目标是培养生产、建设、管理和服务一线的高技能应用型人才。以创新能力培养为目标研究单片机课程模式并进行实践与探索，不仅是新时期高职院校人才培养的重要任务，也是职业学校可持续发展的客观要求。本文从目前的单片机教学中存在的问题进行剖析，为更好地实现科创人才培养目标，提出相应的教学模式改革思路，同时提出实用有效的单片机学习方法。使学生通过单片机的系统化学习，自主产品的开发设计，培养学生的创新实践能力。

作者单位：包虹璐   江苏省联合职业技术学院南通分院

参  考  文  献

[1]唐耀武，刘 湘.创新创业教育融入单片机课程教学的探讨[J].吉林工程技术师范学院，2012（11） ：71-72.

[2]叶 泉.单片机课程的创客式教学改革与实践[J].中国现代教育装备，2018，283：80-81.

[3]杜衍喆，魏庆云，郭跃虎.基于能力培养的单片机实验教学模式研究[J].集成电路应用， 2019， 36（02）：52-53.

[4]陶重犇，李春光.单片机教学模式创新与人才培养方式改革[J].湖南科技学院学报，2015，36（11）：45-47.

[5]徐志江，饶 晨，徐 红，彭 宏.MicroPython用于单片机实验教学新模式的设计与研究[J].计算机教育，2019（3）：164-168.

[6]王爱华.基于Proteus的AVR 单片机教学改革探讨[J].中外企业家，2019（28）：164.

[7]李 琳.以小型机器人为载体的创新性嵌入式课程教学研究[J].科技创业月刊，2017（17）：42-43.

[8]袁静.基于以赛导学的单片机教学改革[J].教育现代化，2020，7（46）：65-67.