单片机实验课程的项目化改革与实践创新＊

李红波，张晓娟，陈明淑

（西京学院理学院，陕西 西安 710123）

作为应用型本科院校中的一门专业基础课，单片机课程是嵌入式系统课程群的基础，是实现微控制器专业应用能力的直接体现，是电气工程自动化/自动化/测控专业技术知识大厦的基石，有着非常重要的课程地位[1]。经过多年的课程教学探索，结合电气工程及其自动化专业的教学实际和教学情况，对本专业的单片机实验课程进行巨大改革，教学效果得到好转，教学质量获得提升，本文详细阐述了改革思路和实践创新方法。

1 教学现状

1.1 C 语言编程能力薄弱

C 语言是学习单片机实验课程的一把利器。掌握好C 语言编程知识是学好单片机实验课程的前提，是实现工程实践创新应用开发能力目标的关键。在学校的课程设置中，虽然C 语言课程先于单片机实验课程开设，但其句法灵活、数据类型多样，又有指针、结构体、联合等复杂数据类型，学习难度大，学生并没有能很好地掌握，使得教学呆滞，教学效果不明显。

1.2 实践锻炼不够

实践投入少。长久以来，高校的课程体系中的实践教学被作为理论教学的验证手段与知识的补充而存在，造成实践教学走过程、重流程，对于提高创新设计能力的综合型设计型实验过少甚至没有。

实验教学和课程设计过于依赖插线式的实验箱和实验指导书。学生不用动脑，只要参考实验指导书内容，按部就班地跳接线，复制指导书上的代码，就能顺利完成课程实验和设计。这种“走过程”式的实验，实质上没有真正起到锻炼学生实践能力的目的，还滋生了各种不良行为，如拷贝程序、实验抄袭和内容剽窃等。

1.3 实验设备缺乏创新性

传统的单片机实验教学设备都是基于实验箱的[2-3]，学生做实验时只要简单地在箱中插插线就可以完成电路的搭建和实验内容。

这种“傻瓜式”的实验箱看似使用方便，易于实验开展，学生在无需动脑的情况下，只要随便通过模仿、复制就可“机械式”完成实验内容，实际上，这种实验形式毫无创新，学生不但不能很好地掌握所学实践内容，而且锻炼不了创新思维能力。

2 项目化改革和实施

针对实际教学情况，需要在修订项目化的实验教学大纲、新编实践教材、革新实验学习系统和实验课教法、完善课程学习效果评价机制等方面进行改革与创新。

2.1 修订实验教学大纲

在符合应用型本科院校人才培养计划和遵循教学规律的条件下，使大纲项目化，按照课程内容组织成一个个的项目任务单元和任务目标内容等形式[4-6]，尤其对创新实践能力培养环节内容，专门形成一个创新设计类项目，编入教学大纲。

旧的教学大纲适用于理论课教学。对于单片机课程，选用项目化教学大纲比较合适。在项目化教学大纲中教学内容和基本要求按照项目模块组织，以任务细化的形式进行安排，单片机实验课程大纲项目化结构如图1 所示。

从图1 中可以看出，全部课程内容被分成7 个项目，每个项目下被分解成1～6 个任务不等，每个任务按0.5～1 h学时进行组织，共30 h 学时。其中，项目二～项目六还单独设立了创新设计任务，该环节是在授课教师的辅导下，主要由学生自行完成，占用2 h 学时。

图1 单片机实验课程内容项目化结构图

2.2 新编实验教材

以具体项目案例为主线，从项目设计原理、方案选取、器件选型、硬件电路设计和程序编写等进行详细介绍，注重新器件、新技术、新方法的使用，以符合应用型本科院校实际，遵循教与学规律的单片机实践创新教材。

2.3 创新实验学习系统

单片机技术发展迅速，授课教师要大胆创新、与时俱进，不断改善实验教学环境和教学方法才能保持单片机课程的“鲜度”。比如通过学生自己设计或教师开发小成本的高性能单片机系统、电路模块和笔记本电脑构建“可移动式”的单片机实验学习系统。这种系统打破了实验设备落后的局限，同时，在空间和时间上扩展了实验室的功能。学生完全可以自己DIY 进行课后实验，掌握课程上没有消化的内容知识。

口袋板实验平台[7]采用了自主知识产权的自搭单片机创新实验平台，同时鼓励学生自行DIY 单片机学习套件作为第二课堂的实验平台。实验用的电脑鼓励学生使用自己的笔记本，实验室提供实验电源。使用自己的笔记本电脑可以在课后继续完成后续的实验作业。实践证明，这种方式非常管用。根据实验内容要求，由老师指导或学生自行搭建实验电路，再通过程序编制、修改和调试完成最终的实验内容。与传统实验相比，该实验平台和实验方法扩展了实验条件，使得学生在课后也能继续深入学习实验内容。单片机创新实验平台如图2 所示。实验平台的单片机型号选择要慎重，应选取增强型的单片机较为适宜，如STC12/15 系列、AVR 系列、MSP430 系列或C8051 等，这些芯片入门要求低，工作速度快，资源较传统8051 单片机更为丰富，具有模拟外设，很适合实际应用系统的设计。

图2 单片机创新实验平台

2.4 革新教学法

单片机实验课程可以采用2～3 个人组成一个项目课题组，每组可从授课教师规定的题目里进行选择。题目要具有一定的应用情景或新颖性或应用价值等，不能是课本内容的简单重复。项目成果可以是实物或仿真和项目报告。考核按照简化的项目验收程序进行。这种形式的课程设计，可以充分锻炼学生的工程实践能力，同时也可使学生学会利用单片机知识解决实际的问题。

2.4.1 随堂小实验教学法

随堂小实验是指为完成较大实验而设置的验证性实验。教学实际中，一个单片机实验往往包含较多内容，既要搭建硬件电路，又要设计调试软件，工作量大，学生往往不能独自完成。所以，安排一些小实验，由老师配合指导先行完成，然后由学生在小实验的基础上独自完成大实验的授课方法。比如PWM 调光实验，可以先行完成PWM 信号的产生小实验，再次完成光度控制小实验，之后让学生自己通过程序构建完成PWM 调光实验。这样，一个较为复杂难做的实验变成了一个个简单的小实验，理论可在小实验中得到验证和学习，然后再在大实验中，让学生自行验证，利用理论和实验相结合的方式自行完成，极利于学生建立系统实验的概念和方法，而且学生也容易接受，且具有浓厚的趣味性。这种教学法其实是化整为零，变复杂为简单的教学方法，可以推广应用。

2.4.2 项目化实践锻炼

单片机实验课程内容项目化后，利用项目牵引，学生可以通过可行性分析，方案论证，自行软件设计，验证调试等流程，最后完成一个真正的子项目的过程。学生通过自行选择实验仪器设备，自行制定实验步骤，对得到的实验结果数据进行加工分析处理。学生通过科学实验学习后，一方面，强化了理论知识，并对仪器设备和实验科学理论方法有了全面了解；另一方面，可培养学生扎实的实验基本功，为学生的自学能力打下坚实的基础，学生在项目中成长，在项目中发现问题，并学会在项目中寻求解决问题的办法，掌握项目实验方法，完成项目报告和项目总结等，有利于培养学生独立思考和分析解决问题的能力。

2.5 完善课程学习效果评价机制

改变传统课程中只进行课堂考勤和期末考评的单一学习评价方法，引入课程过程评价机制，建立实验四大环节的综合考评，在实验系统搭建、软件设计、系统效果和实验疑难点问题总结方面进行综合跟踪，使学生在学习中积极动脑，用心思考，做好课程实验的学习和练习内容，并通过实验报告的形式反映四大内容，最终扎实地完成实验内容。

3 教学效果

自从单片机C51 编程课程采用项目化教学模式后，我院学生在各类大学生学科竞赛中获得了一等奖4～6 项，完成国家级大学生创新创业训练项目5～7 项，获批国家实用新型专利3～5 项，国家发明专利1 项。

4 结语

近三年来的教学实践证明，项目化教学内容更有针对性，能有效激发学生的学习热情和钻研精神，使学生的实践动手能力、创新能力和综合运用知识的能力有了明显的提高，切实提高了教学质量，取得了良好的教学效果。