基于赛训教联合的单片机课程改革探索

摘"要：当前单片机课程教学中存在学生学习积极性不高、创新性不强，课程内容与实际项目衔接较弱，学生实践能力较差的问题。为了提升教学质量，实施赛训教联合课程改革，把教学环节、实习实训环节和科技竞赛环节有机结合，建立链式课程群，在相关课程中融入单片机设计理念和内容；以竞赛和实际项目驱动，在教学过程中将理论与实践对接，建立多层次科技竞赛体系，引导学生根据实际能力和需求参与不同层次的科技竞赛，激发学生学习的主动性和积极性，提高学生的实践创新和团队协作能力。关键词：单片机；赛训教联合；课程改革0"引言单片机是一门实践性、应用性很强的课程[1-3]。当前，大部分单片机课程教师局限于课堂教学和实验教学[4-5]，未能将单片机的课程内容与实际应用相结合，也未能激发学生深入学习和创新的热情。基于此，南京理工大学紫金学院单片机课程组（以下简称课程组）提出一种赛训教联合的单片机课程改革方案，并基于该方案对单片机课程教学进行改革探索，以供参考。1"单片机课程教学现状分析单片机课程是电子信息大类、电气类、自动化类专业的课程，该课程的工程实践要求较高，是培养学生成为电气控制、电子系统工程师的重要课程。该课程把编程语言知识、微机接口知识、通信技术知识等综合在一起，不仅涉及微处理器的内部结构，还涉及其外围的应用，覆盖硬件和软件的理论学习与实践操作。因此，教师在教学过程中，不仅要将理论知识传授给学生，还需要强化他们的编程操作与实践动手能力，让他们在实践操作中深入理解和掌握理论知识，从而最终掌握本门专业课知识。由于课堂教学时间有限，留给学生思考和消化的时间非常少，加上传统的实践课程与理论课程是分开授课的，理论课和实践课在时间和空间上的不统一会导致理论与实践脱节，学生对理论知识无法理解透彻，实践编程能力也无法得到提高。一方面，学生学习的主动性和积极性得不到激发，无法对课程内容尤其是单片机应用系统建立起整体认知；另一方面，单片机课程的实践环节基本属于验证性实验，缺乏设计性和创新性，导致学生实际应用单片机的能力较差。显然，传统教学模式已难以适应新时期单片机课程教学的需求。目前单片机课程教学中存在的问题主要包括以下两点。1.1"学生个性化知识获取需求与课程传统教学模式的矛盾学生之间存在较为明显的个体差异，从课程学习的角度看，部分学生只能完成或基本完成课堂上的学习，还有部分学生对专业知识和前沿技术有着浓厚的学习兴趣，同时也积极关注各种科技创新活动与竞赛、网络课程资源、技术论坛等。“互联网+”时代下，移动学习逐渐成为趋势，学生在移动学习过程中所积累的碎片化信息，需要被系统化整合和吸收才能转化为个人的知识和能力，而这一环节恰恰需要跟踪与辅导，来满足学生对答疑解惑的需求。学生的这些需求与大班统一授课的传统教学模式形成了矛盾。1.2"课程实践性、应用性强与学生实践能力差的矛盾单片机课程的实践性和应用性较强，其目标是培养学生应用单片机和基于单片机设计各类控制系统，这就要求学生能自主设计单片机控制系统的硬件电路、编写和调试单片机控制程序。但是单片机实验课主要借助实验箱开展，实验内容都属于验证性实验，缺乏有设计性和创新性的单片机应用实验。另外，大部分学生课外也不会主动做基于单片机的控制系统设计和软件程序开发，参与单片机实践应用的机会很少，导致学生的相关实践经验不足，动手能力较差，学习兴趣不强，难以达到单片机课程对学生实践和应用的要求。针对当前单片机课程教学中存在的问题，课程组对该课程进行了赛训教联合课程改革。2"赛训教联合的单片机课程改革方案“赛”即科技竞赛环节；“训”即实习实训环节，包含电子实习、单片机课程设计、毕业设计等实习实训课程，以及课外活动中的练习与实践；“教”即教学环节。赛训教联合即把科技竞赛环节、实习实训环节和教学环节有机结合，以竞赛和实训项目驱动，理实结合，使实验、理论课程内容等与科技竞赛和实训融合，提高学生的实践创新能力和团队协作能力。具体课程实现形式如下。2.1"链式课程群的培养模式将单片机课程与C语言程序设计、电子实习等前序课程和单片机课程设计、嵌入式系统原理及应用、毕业设计等后续课程串成链式课程群，在课程理念和课程资源上形成有机联动。在前序课程中融入单片机的设计理念和部分内容，为单片机课程学习奠定良好基础；在后续课程中利用单片机课程中学到的知识和软硬件基础，完成复杂项目的自主研究，提高学生的单片机开发能力。2.2"项目驱动的课程教学方式将单片机课程内容设置为基础理论模块和项目分解模块，除了课程基础理论教学，还增加对应的项目分解教学。将一些典型的较复杂的实际项目分解后融入单片机课程教学，设计不同难度系数的课程实践实验项目，让学生每完成实践项目群中的一个实践实验就能完成实际项目的一部分，学生学习完所有的课程实践实验后，就能完成一个实际的项目。这样既能巩固学生学到的理论知识，还能提高学生的动手能力和解决较复杂项目的能力。2.3"层次化的竞赛实践形式建立“校—省—国”多层次科技竞赛体系，其中校赛面向全校学生，鼓励学生积极参与学校的科技竞赛，为学生提供开放式专业实践实训平台，在此过程中培养选拔出部分实践能力优秀的学生，让他们参加省级或国家级竞赛。这样既能提升大部分学生的实践动手能力，也能满足部分优秀学生对更高层次知识与能力的需求。赛训教联合课程改革方案如图1所示。3"单片机课程改革实践3.1"课程内容设置将单片机课程内容设置为基础理论模块和项目分解模块。基础理论模块保持相对稳定，帮助学生掌握微机与单片机的基本理论；项目分解模块依据实际项目，对每一章节的内容进行对应分解，学生每学完一章内容就完成实际项目中的部分模块，待全部章节学完，再融合基础理论以外的其他模块，即可完成一个实际项目。学生在这样的课堂中不仅需要掌握单片机的基本原理和编程技能，还需要将这些知识应用到实际项目中解决现实问题。这种实践性学习方式不仅加深了学生对课程内容的理解，还培养了他们的创新能力和实际操作能力。具体的知识模块和对应的内容安排如表1所示。3.2"链式课程群建设将单片机课程与C语言程序设计、电子实习等前序课程和单片机课程设计、嵌入式系统原理及应用、毕业设计等后续课程在课程理念和内容上有机联动，形成链式课程群。在电子实习课程中，学生提前焊接并制作完成与本课程相配套的“口袋板”单片机实验平台，利用在C语言程序设计课程中学习的编程方法，通过自己的笔记本USB口和单片机进行通信和编程，后续的单片机课程设计可以使用“口袋板”完成系统设计。利用“口袋板”单片机实验平台，打破原来实验室的时间和空间限制，学生可以随时随地完成单片机课程学习，提高学习成就感，激发学习兴趣。在单片机课程中学习的编程方法、电路设计方法和制作“口袋板”单片机实验平台，又可以用于单片机课程设计、嵌入式系统原理及应用、毕业设计等课程的单片机系统设计，既巩固深化了前序课程中学到的知识，又能积累新的实践应用经验。学生完成的“口袋板”单片机实验平台如图2所示。3.3"单片机相关竞赛的开展课程组教师连续组织了三届学校电子设计大赛，鼓励学生积极参与。大赛采取开放式命题形式，鼓励学生关注社会热点，充分发挥主观能动性，将所学专业知识积极应用到具体场景中解决实际问题。图3是某学生参加校级电子竞赛的作品展示，该学生完成了一个智能充电器的设计与制作。从近几年相关竞赛的情况来看，学生的参与度逐年提高，作品完成质量也逐年提升，获奖作品中不乏优秀作品。成绩好的学生将继续参加校级以上的各类竞赛。近三年课程组指导学生参加全国大学生电子设计竞赛、全国大学生智能汽车竞赛等高水平科技竞赛，获得了多个全国性奖项和省级奖项。上述结果证明，通过开展赛训教联合的单片机课程改革，提高了学生的学习主动性和学习兴趣，强化了学生的编程操作与实践动手能力，提升了学生实际应用与设计单片机的能力，课程改革效果良好。