论文部分内容阅读
摘要：针对当前《单片机原理及应用》课程教学效果不理想，学生理解存在困难等现象，提出了一种基于能力培养的《单片机原理及应用》教学手段与方法改革研究，从教学手段、实验平台、考核模式等方面入手，采用能力培养导向式学习，该项目可以提高学生上课积极性和主动性，并激发学生的学习兴趣，可以在该项目的基础上进行我校及国内同类高校其他应用类课程的应用研究，将进一步推进各高校新工科专业人才培养模式、教学管理模式的改革与创新，促进人才培养质量的进一步提高，具有较好的推广价值。
关键词：单片机原理及应用;教学改革;能力培养
中图分类号：G645 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0222-02
0 引言
单片机课程是一门理论性和实践性都很强的课程，是交通运输、车辆工程、计算机、自动控制、应用电子、通信工程、机电一体化等多个专业的专业必修课。“单片机原理与应用”在工科院校各专业中已作为一门重要的专业基礎课而普遍开设[1-3]。
在多年的教学中，学生普遍反映单片机太抽象、概念多、入门难、指令不易记等等。学生感到枯燥乏味，学习难度很大，传统实验教学是以教师为中心的，着重强调教师的“教”，学生的“学”限定在教师的“教”之内。虽然也强调实验能力的培养，但这种实验能力是被当作技能并以“知识”的形式来加以传授的，学生的创新意识、创新思维、创新能力的发展无疑是非常有限的。
目前的实践教学主要以课内实验为主，通常教师预先设计相应的实验项目，如清零拆字、I/O口使用、中断与定时器使用、A/D转换、D/A显示、键盘显示、小直流电机调速等，然后学生根据各实验的教学要求完成相应的操作[4-5]。该方法一定程度上可以让学生尽快熟悉和进入单片机这个领域，但不能激发学生的学习兴趣和发挥他们的主观能动性，更不利于培养学生的动手能力、创新能力及综合运用知识的能力。
从以上现状及存在问题可看出，该课程教学的主要矛盾点在于理论和实践教学相脱节，理论教学单纯学理论知识;不利于学生实践技能的培养，因此最有效的方法是改革现有的课程教学体系，在实践教学中学习理论知识，加深对理论知识的理解和运用，使得理论教学有的放矢。
1 基于能力培养的《单片机原理及应用》教学手段与方法改革
《单片机原理及应用》是交通运输专业电子控制方向非常重要的专业课，因此如果采用基于能力培养为目标，对《单片机原理及应用》的教学手段与考核方法进行改革研究，会获得以下效果：
①注重工程应用能力培养，提高学生解决实际问题的能力，变被动学习为主动学习。
在授课时由老师结合专业需求，结合学生兴趣爱好，由教师提出单片机小型控制应用研究题目，结合课程授课，实现边授课学习，边推进题目进展，让同学参与到实际的单片机应用研究中来，注重解决问题的科研流程与素质的训练，在此过程中让学生变被动学习为主动学习。
②鼓励学生参加各种竞赛，注重创新能力培养，增强就业竞争力。
在前期基本技能培养+解决实际问题能力培养的基础上，鼓励学生参加各种比赛，对问题的分析不设标准答案，注重解决问题方法的多样性、创新性虚实结合实验，改善实际操作环节的效果。同时在此基础上，指导学生参加国家大学生科技创新大赛等各种比赛，则必将激发学生的自信心，产生强烈的成就感，大大提高学生的学习兴趣，而各种比赛成绩的取得也必将大大增强学生的就业竞争力。
③避免重理论轻实践，注重理论与实践相结合，注重实际动手能力的培养。
利用虚拟仿真实验技术，结合单片机实物项目，以及学生感兴趣的实际应用题目，实现边授课边进行实际项目操作，使学生可以随时进行实验，而不会受制于实验室条件所限，大大增加了学生实际操作的机会，进而解决了知识的应用问题。
最终实现，通过该课程的学习，可以学以致用，提高就业竞争力，并为培养新工科学生的创新能力提供相应的实践教学平台，并为我校在基于能力培养的课程教学手段与方法改革研究方面的应用研究奠定基础。
2 具体措施
2.1 改革方案设计
教师首先进行单片机基本课程知识的讲授，然后确定实物项目的题目，在此过程中，通过课程的深入学习和项目的不断完善，指导学生利用虚拟试验平台，进行初步分析研究，然后进行实物项目的实际研究，最终完成项目研究报告，并给出课程综合成绩。在此基础上，指导学生进行企业考察和市场调研，确定创新性的研究题目，指导学生参与相关的比赛。
2.2 解决方法
①有价值的、符合课程需要的、难易适中的研究题目的方案筛选与课程内容的对应衔接。
通过组织学生参与企业调研、市场调研，结合老师及相关技术专家的技术指导，确定有价值的研究题目。通过项目进展的方式，结合阶段检查、阶段汇报，及时掌握学生的学习和研究进展情况，避免学生突击式学习以及抄袭;在课时不变的情况下，通过将部分研究内容转移到课下，来提高和保证学生的学习质量。
在具体实施时，指导教师首先结合课题背景和知识掌握的需要，制定出课题任务书，对项目的开展过程及最终成果形式，进行规范，避免学生工作量不足。然后让同学组成兴趣小组，每个同学都必须参与，并且为防止抄袭，有明确的不同分工。在项目进行过程中，让同学定期汇报，避免最后突击应付，达不到应有的能力培养效果。最后每个同学根据各自的分工，开展实物项目试验，撰写对应的研究报告。从而达到能力培养的要求。在该过程中，教师要通过各种手段，定期检查和指导学生的项目进展，提高学生的学习效率。例如在以往授课时，为讲授传感器的单片机编程，以及程序在智能控制中的具体应用，我们指导同学开展了电动小车的PWM调速控制、基于超声波传感器的自动避障控制。这些项目在同学自己设计算法并编程完毕后，试验结果立即就会有不同的反应，学生立即会切身体会到程序控制的奥妙，因此就会激发出同学们浓厚的学习兴趣，此时教师再抓住时机，讲解相关理论，就会收到非常好的效果。 ②Virtual Breadboard虚拟仿真平台+Arduino实物项目的搭建。
常规单片机编程平台为KeilC，仿真平台为Proteus，但这两个软件用于Arduino，仿真直观性较差，不便于调试。Virtual Breadboard是专门针对Arduino的，同时内置了大量的仿真元器件，虚拟面板的可视性和模拟交互效果非常直观，可以实时看到LED、LCD的变化，同时因为不是实物操作，所以不会引起触电或者烧毁芯片等问题。
这样同学根据项目的需要将相应的元器件摆放在面板上，并进行连线，然后编制单片机程序，仿真运行，即可看到具体的控制效果，如果有问题还可以再修改调试。在此基础上验证技术方案的初步可行性，减少后期的器件损耗。
如果仿真没问题，就利用Arduino编译平台，进行程序编译、下载，然后就可以看到实物控制的效果。选择Arduino实物项目，开展相应的研究项目，最大的好处是：该款平台在线调试集成度高，容易操作，而且资料丰富，学生在有限的时间内比较容易集中精力进行算法的设计，而这也是本门课能力培养的核心。
③基于能力培养的考核模式的探索。
提出和设计本课程的教学环节与能力目标体系，在企业工程师、专业教师、教学管理人员和已毕业学生调研的基础上，设计教学环节与能力目标体系，贯穿整个教学环节，最终以实物项目的成果形式体现出来，提高了同学动手解决实际问题的能力，在今后工作中遇到实际问题能够与课本知识结合起来，知道如何下手解决问题。最终真正达到能力培养的要求。同时基于小组合作的培养模式，让学生逐步具备分工合作的团队素质。
3 基于能力培养的教学改革创新点
①采用能力培养导向式学习，使同学从被动的学习，变成主动学习。
在课程授课中结合知识的具体应用，同时学生结合所研究的题目，进行知识的应用，一方面促进知识的巩固，另一方面，具体问题的解决，显著提升学生学习信心和兴趣，促使学生主动学习。
②考核方式由以往的“一考定成绩”，改为注重学生实际全面能力的提升。
在新的考核过程中，成绩考核伴随整个教学环节：提出项目的题目、分析问题、提出解决方案、搭建电路平台、组装机械系统、撰写研究报告、制作PPT进行答辩，体现出注重过程，注重全方面的能力，注重学以致用，注重学生综合能力的提高，要求学生不仅学习好、研究好、還要文笔好、口才好，最终全方位提高学生的就业竞争力，满足新工科培养的要求。
4 结论
通过本项目研究，实现基于能力培养的教学模式的改革，激发学生的学习积极性，真正掌握单片机的控制理念。建立基于“产出导向育人、产教融合育人、竞赛平台育人”和注重“知识维度、能力维度、素质维度”培养的高素质应用创新人才培养模式，解决当前单片机课程理论知识与实际应用环节不能有效融合、实践动手与创新能力不强的实际难题，提高学生的就业和考研的竞争力提升学校的声誉，在培养服务山东省新旧动能转换重大工程的高素质人才方面做出一定的贡献。
参考文献：
[1]王艳春，秦月，张劲松，等.基于应用型人才培养的“单片机原理及应用”教学改革研究与实践[J].信息通信，2017（11）：265-266.
[2]杨金泉，郝志华，张国旭，等.单片机原理及应用实验教学改革研究与实践[J].科学技术创新，2011（23）：178.
[3]杨林波.《单片机原理及应用》项目式教学改革研究与实践[J].机械管理开发，2013（2）：147-148.
[4]乔延华，赵琳，李建娜.《单片机原理及应用》课程教学改革探索[J].当代教育实践与教学研究，2017（10）：148-149.
[5]张鑫，张岩，随金雪，等.单片机原理及应用课程的教学改革与实践[C]//第四届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集（上册）.2007.
关键词：单片机原理及应用;教学改革;能力培养
中图分类号：G645 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0222-02
0 引言
单片机课程是一门理论性和实践性都很强的课程，是交通运输、车辆工程、计算机、自动控制、应用电子、通信工程、机电一体化等多个专业的专业必修课。“单片机原理与应用”在工科院校各专业中已作为一门重要的专业基礎课而普遍开设[1-3]。
在多年的教学中，学生普遍反映单片机太抽象、概念多、入门难、指令不易记等等。学生感到枯燥乏味，学习难度很大，传统实验教学是以教师为中心的，着重强调教师的“教”，学生的“学”限定在教师的“教”之内。虽然也强调实验能力的培养，但这种实验能力是被当作技能并以“知识”的形式来加以传授的，学生的创新意识、创新思维、创新能力的发展无疑是非常有限的。
目前的实践教学主要以课内实验为主，通常教师预先设计相应的实验项目，如清零拆字、I/O口使用、中断与定时器使用、A/D转换、D/A显示、键盘显示、小直流电机调速等，然后学生根据各实验的教学要求完成相应的操作[4-5]。该方法一定程度上可以让学生尽快熟悉和进入单片机这个领域，但不能激发学生的学习兴趣和发挥他们的主观能动性，更不利于培养学生的动手能力、创新能力及综合运用知识的能力。
从以上现状及存在问题可看出，该课程教学的主要矛盾点在于理论和实践教学相脱节，理论教学单纯学理论知识;不利于学生实践技能的培养，因此最有效的方法是改革现有的课程教学体系，在实践教学中学习理论知识，加深对理论知识的理解和运用，使得理论教学有的放矢。
1 基于能力培养的《单片机原理及应用》教学手段与方法改革
《单片机原理及应用》是交通运输专业电子控制方向非常重要的专业课，因此如果采用基于能力培养为目标，对《单片机原理及应用》的教学手段与考核方法进行改革研究，会获得以下效果：
①注重工程应用能力培养，提高学生解决实际问题的能力，变被动学习为主动学习。
在授课时由老师结合专业需求，结合学生兴趣爱好，由教师提出单片机小型控制应用研究题目，结合课程授课，实现边授课学习，边推进题目进展，让同学参与到实际的单片机应用研究中来，注重解决问题的科研流程与素质的训练，在此过程中让学生变被动学习为主动学习。
②鼓励学生参加各种竞赛，注重创新能力培养，增强就业竞争力。
在前期基本技能培养+解决实际问题能力培养的基础上，鼓励学生参加各种比赛，对问题的分析不设标准答案，注重解决问题方法的多样性、创新性虚实结合实验，改善实际操作环节的效果。同时在此基础上，指导学生参加国家大学生科技创新大赛等各种比赛，则必将激发学生的自信心，产生强烈的成就感，大大提高学生的学习兴趣，而各种比赛成绩的取得也必将大大增强学生的就业竞争力。
③避免重理论轻实践，注重理论与实践相结合，注重实际动手能力的培养。
利用虚拟仿真实验技术，结合单片机实物项目，以及学生感兴趣的实际应用题目，实现边授课边进行实际项目操作，使学生可以随时进行实验，而不会受制于实验室条件所限，大大增加了学生实际操作的机会，进而解决了知识的应用问题。
最终实现，通过该课程的学习，可以学以致用，提高就业竞争力，并为培养新工科学生的创新能力提供相应的实践教学平台，并为我校在基于能力培养的课程教学手段与方法改革研究方面的应用研究奠定基础。
2 具体措施
2.1 改革方案设计
教师首先进行单片机基本课程知识的讲授，然后确定实物项目的题目，在此过程中，通过课程的深入学习和项目的不断完善，指导学生利用虚拟试验平台，进行初步分析研究，然后进行实物项目的实际研究，最终完成项目研究报告，并给出课程综合成绩。在此基础上，指导学生进行企业考察和市场调研，确定创新性的研究题目，指导学生参与相关的比赛。
2.2 解决方法
①有价值的、符合课程需要的、难易适中的研究题目的方案筛选与课程内容的对应衔接。
通过组织学生参与企业调研、市场调研，结合老师及相关技术专家的技术指导，确定有价值的研究题目。通过项目进展的方式，结合阶段检查、阶段汇报，及时掌握学生的学习和研究进展情况，避免学生突击式学习以及抄袭;在课时不变的情况下，通过将部分研究内容转移到课下，来提高和保证学生的学习质量。
在具体实施时，指导教师首先结合课题背景和知识掌握的需要，制定出课题任务书，对项目的开展过程及最终成果形式，进行规范，避免学生工作量不足。然后让同学组成兴趣小组，每个同学都必须参与，并且为防止抄袭，有明确的不同分工。在项目进行过程中，让同学定期汇报，避免最后突击应付，达不到应有的能力培养效果。最后每个同学根据各自的分工，开展实物项目试验，撰写对应的研究报告。从而达到能力培养的要求。在该过程中，教师要通过各种手段，定期检查和指导学生的项目进展，提高学生的学习效率。例如在以往授课时，为讲授传感器的单片机编程，以及程序在智能控制中的具体应用，我们指导同学开展了电动小车的PWM调速控制、基于超声波传感器的自动避障控制。这些项目在同学自己设计算法并编程完毕后，试验结果立即就会有不同的反应，学生立即会切身体会到程序控制的奥妙，因此就会激发出同学们浓厚的学习兴趣，此时教师再抓住时机，讲解相关理论，就会收到非常好的效果。 ②Virtual Breadboard虚拟仿真平台+Arduino实物项目的搭建。
常规单片机编程平台为KeilC，仿真平台为Proteus，但这两个软件用于Arduino，仿真直观性较差，不便于调试。Virtual Breadboard是专门针对Arduino的，同时内置了大量的仿真元器件，虚拟面板的可视性和模拟交互效果非常直观，可以实时看到LED、LCD的变化，同时因为不是实物操作，所以不会引起触电或者烧毁芯片等问题。
这样同学根据项目的需要将相应的元器件摆放在面板上，并进行连线，然后编制单片机程序，仿真运行，即可看到具体的控制效果，如果有问题还可以再修改调试。在此基础上验证技术方案的初步可行性，减少后期的器件损耗。
如果仿真没问题，就利用Arduino编译平台，进行程序编译、下载，然后就可以看到实物控制的效果。选择Arduino实物项目，开展相应的研究项目，最大的好处是：该款平台在线调试集成度高，容易操作，而且资料丰富，学生在有限的时间内比较容易集中精力进行算法的设计，而这也是本门课能力培养的核心。
③基于能力培养的考核模式的探索。
提出和设计本课程的教学环节与能力目标体系，在企业工程师、专业教师、教学管理人员和已毕业学生调研的基础上，设计教学环节与能力目标体系，贯穿整个教学环节，最终以实物项目的成果形式体现出来，提高了同学动手解决实际问题的能力，在今后工作中遇到实际问题能够与课本知识结合起来，知道如何下手解决问题。最终真正达到能力培养的要求。同时基于小组合作的培养模式，让学生逐步具备分工合作的团队素质。
3 基于能力培养的教学改革创新点
①采用能力培养导向式学习，使同学从被动的学习，变成主动学习。
在课程授课中结合知识的具体应用，同时学生结合所研究的题目，进行知识的应用，一方面促进知识的巩固，另一方面，具体问题的解决，显著提升学生学习信心和兴趣，促使学生主动学习。
②考核方式由以往的“一考定成绩”，改为注重学生实际全面能力的提升。
在新的考核过程中，成绩考核伴随整个教学环节：提出项目的题目、分析问题、提出解决方案、搭建电路平台、组装机械系统、撰写研究报告、制作PPT进行答辩，体现出注重过程，注重全方面的能力，注重学以致用，注重学生综合能力的提高，要求学生不仅学习好、研究好、還要文笔好、口才好，最终全方位提高学生的就业竞争力，满足新工科培养的要求。
4 结论
通过本项目研究，实现基于能力培养的教学模式的改革，激发学生的学习积极性，真正掌握单片机的控制理念。建立基于“产出导向育人、产教融合育人、竞赛平台育人”和注重“知识维度、能力维度、素质维度”培养的高素质应用创新人才培养模式，解决当前单片机课程理论知识与实际应用环节不能有效融合、实践动手与创新能力不强的实际难题，提高学生的就业和考研的竞争力提升学校的声誉，在培养服务山东省新旧动能转换重大工程的高素质人才方面做出一定的贡献。
参考文献：
[1]王艳春，秦月，张劲松，等.基于应用型人才培养的“单片机原理及应用”教学改革研究与实践[J].信息通信，2017（11）：265-266.
[2]杨金泉，郝志华，张国旭，等.单片机原理及应用实验教学改革研究与实践[J].科学技术创新，2011（23）：178.
[3]杨林波.《单片机原理及应用》项目式教学改革研究与实践[J].机械管理开发，2013（2）：147-148.
[4]乔延华，赵琳，李建娜.《单片机原理及应用》课程教学改革探索[J].当代教育实践与教学研究，2017（10）：148-149.
[5]张鑫，张岩，随金雪，等.单片机原理及应用课程的教学改革与实践[C]//第四届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集（上册）.2007.