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“单片机原理及应用”课程教学改革探讨

2024-07-21 53 上传者：管理员

摘要：【目的】让学生得到与其付出相匹配的高质量教育，拔尖学生能够学习更多知识，领悟能力较弱的学生也可增强学习兴趣、感受学习快乐。【方法】针对贵阳信息科技学院“单片机原理及应用”课程授课过程中存在的一系列问题，从成果驱动、氛围驱动、目标驱动三大方向进行改革，在成果驱动上采取理论、仿真、实物相结合的方式，培养知原理、懂技术、善操作的创新型人才；氛围驱动上采取小组学习、课堂翻转、课堂互动等方法，促使学生共同学习；目标驱动上采取多元化考核，取代传统一考定所有的考核评价方式。【结果】贵阳信息科技学院实施“单片机原理及应用”课程改革后，学生参加的学科竞赛中，单片机控制的相关作品不断增多，部分同学还将相关知识点运用到了假期实践工作中，学习效果达到了预期的教学目标。【结论】基于以上方法，可减少学生课堂精力不集中的现象，为学生提供全方位的学习平台，有利于培养应用型本科学生，实现全程育人、全方位育人，为开创我国高等教育事业发展新局面提供助力。

关键词：
“单片机原理及应用”课程
基础课程
成果驱动
氛围驱动
目标驱动
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“单片机原理及应用”课程以学习51单片机为主，是机械电子工程、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等专业的一门专业基础课程，主要面向工程应用，具有很强的理论性、实践性、操作性与工程性[1]。目前，该课程主要以班级形式进行授课，每个班级的同学来自四面八方，接触的教育资源不同，造成同一个班级的学生对知识的领悟能力存在较大差异，给教师授课带来了巨大的挑战。此外，该课程涉及C语言编程基础、电路基础等知识，具有较强的逻辑思维与动手实践需要，很多学生在以上两个方面较为弱势。基于以上分析，学生如何得到与其付出相匹配的高质量教育?拔尖学生渴望学习更多知识的诉求如何得到满足?领悟能力较弱的学生如何增强学习兴趣、感受学习快乐?传统的灌输式、照本宣科式的教学模式难以解决以上存在的问题，亟需探索更符合时代发展需要的教学模式。

基于以上问题，各高校相关教师提出了多种教学改革方式，例如黄淮学院电子信息学院的文桦等在《基于“三育融合”的专业课教学改革探讨——以单片机原理与应用课程为例》中提出了基于“三育融合”[2]的教学改革；大庆师范学院机电工程学院的孙宇丹等在《基于工程教育专业认证的“单片机原理及应用”课程考核方式改革探索》中提出“N+1”的过程考核方式及课程达成度评价方案[3]；哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院的胡瑞强等在《基于OBE理念的单片机原理及应用实验教学设计和实践》中提出基于成果导向教育理念的改革[4]。但教师在班级授课中依然存在很多问题，例如学生领悟能力参差不齐、兴趣强度不同、理论与实践结合不优等，这些问题对于教师来说是一个巨大的挑战，为此，本文基于贵阳信息科技学院“单片机原理及应用”课程进行教学改革探讨。

1、课程目标设计

1.1 知识层面

“单片机原理及应用”课程内容丰富，知识点广泛应用于很多实际工程项目中，选择《单片机原理与应用及C51程序设计》(第4版)为教材，主要教学内容包括单片机基本原理、单片机C语言程序设计、I/O接口、定时计数器、中断系统、串口通信、数码管显示器与51单片机的接口、液晶显示器LCD1602与51单片机的接口、键盘与51单片机的接口、51单片机与D/A和A/D转换器的接口等，每个内容结合相关的工程项目进行讲解[4]。

1.2 教学层面

以学生为中心的教育理念，强调学生的学习效果和能力，注重学生的自主学习与合作探究[5]。在“单片机原理及应用”课程中主要体现在以下几个方面：

1)成果驱动。

本课程以学生的学习成果为导向，鼓励学生在学习过程中成为学习的主体，训练学生主动思考、独立解决问题的能力。

2)氛围驱动。

将学生实际能力作为教学核心，教师根据学生的不同能力制定个性化教学计划，更好地满足学生需求，提高学习效果。

3)目标驱动。

给学生制定一个明确的目标和规划，让学生专注、自信地去挑战自己。

2、教学设计

在教学组织上，以学生为中心、教师为主导[6]，合理有序安排教学内容，管控课堂纪律与教学进度。“单片机原理及应用”课程教育改革导向设计如图1所示，主要有成果驱动、氛围驱动、目标驱动三个方面。成果驱动主要以生活产品为例，将理论分析、仿真验证、产品设计结合，提升学生学以致用的能力；氛围驱动主要是增强学生学习氛围，利用小组学习、课堂翻转、课堂互动等教学手段使学生感受到浓厚的学习氛围；目标驱动主要包含理论考核、实践考核、思政考核，让学生明确课程修读的通过指标，驱动学生对理论的学习，提升其实践动手能力。

2.1 成果驱动

以产品设计为主，驱动学生学习，让学生能学以致用，强化学生对知识点的理解，本文以“单片机原理及应用”课程的定时器知识点为例进行论述[7]。

1)理论分析方面：

主要有定时器的定义、定时器内部结构、定时器功能的相关寄存器、秒钟的控制以及数码管的动态显示等。

图1教育改革导向设计

2)仿真验证方面：

利用Protues仿真软件进行电路搭建，如图2所示。所选数码管为共阴极数码管，其中，P0接口控制数码管的段显，P00～P07八个端口分别控制每个数码管A～DP的八个位；P2接口控制数码管的位选，其中P20～P27八个端口分别控制从左到右的八个数码管。控制原理为：当P20接口为低电平时，通过P0口向数码管输入段显码，则左边第一位数码管显示相关数字；当P21接口为低电平时，通过P0口向数码管输入段显码，则左边第二位数码管显示相关数字，以此类推，实现数码管多位显示。然后利用Keil4编程软件进行程序编写，可以由浅入深进行设计，先给同学们展示单个数码管的静态显示，再通过改变数码管的交替显示，给同学们展示多个数码管的动态显示。再定义显示秒、分、时的数码管，利用单片机的定时器功能记录时间，达到1 s后改变秒值；达到60 s后改变分值，清零秒值；达到1 h后，改变时值，清除分值与秒值，以此来实现电子时钟的显示。

图2电子时钟仿真电路

3)产品设计方面：

针对教学开发一款“掌上开发板”，该板主要包含电源模块、数码管模块、LED模块、按键模块、蜂鸣器模块、红外模块、最小系统。课程中带领学生熟悉“掌上开发板”的原理图，然后设计“掌上开发板”的PCB板，并配置相关元器件，学生根据焊接说明完成“掌上开发板”的焊接制作，“掌上开发板”实物图如图3所示。由学生利用“掌上开发板”中的最小系统模块控制数码管模块完成电子时钟设计。

成果驱动中，将理论、仿真、实物设计相结合，首先让学生明白产品设计的原理，然后利用Protues仿真软件[8]与Keil软件相结合实现功能仿真验证，最后利用“掌上开发板”完成实物作品设计。让学生明白电子时钟的控制原理，深刻了解定时器、数码管等相关知识，同时，增强学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。

图3“掌上开发板”实物

2.2 氛围驱动

由于不同学生的兴趣方向、领悟能力存在差异，班级授课过程中易出现听课不集中、上课做其他事情等现象，为此，“单片机原理及应用”课程在教学过程中强调学习氛围，主要采用小组学习、课堂翻转、课堂互动的教学手段，具体实施方案如下。

1)小组学习：

将班级的所有学生进行分组，“单片机原理及应用”课堂中主要以一排为一个组，围绕课堂重点提出一个问题让同学们进行相互讨论，为了促使同学们相互监督学习，在课堂中拟定一个规则，随机抽取某一位同学起来回答问题，若该同学回答正确，全组成员课堂表现加分，若该同学回答错误或回答不出来，全组成员可进行补充，补充正确，全组成员不扣分也不加分，若全组成员均回答错误，则平时成绩扣分。通过以上规则，可以促进小组成员之间相互讨论，理解快的同学可为理解慢的同学讲解，不仅营造了学习氛围，也增强了学生的表达能力与团队合作意识，实现全员互动、全员讨论、全员学习。

2)课堂翻转：

让学生们课后自由组队，利用课堂知识制作一个小作品在课堂上进行分享，以“单片机原理及应用”课程中的定时器知识点为例，让同学们基于定时器知识制作一个作品，比如电子时钟、机械臂转角控制、电子琴等，然后针对作品的设计、功能制作一个PPT，在课堂上进行分享。此外，在班级中选取一定成员作为评委，每个小组所得分数是所有评委及老师给的平均分。某个小组的课堂作品展示现场如图4所示，该小组主要完成机械臂角度控制设计，小组成员有明确的分工，其中两人进行PPT放映，两人进行实物的展示与讲解，一人负责PPT的汇报，体现出了团队协作的优势。

图4课堂作品展示

各小组分享过程中，评委评分需要公平、公正，为此，评委的分数来源于式(1)：

Value=100-|V-W| (1)

其中，V为某评委对所有组的评定成绩平均值，W为教师对所有组的评定成绩平均值，Value为某评委最终的评定成绩值。

2.3 目标驱动

主要明确学习目标，设计合理的教学活动与评价方法，帮助学生实现预期学习效果。“单片机原理及应用”课程的期末考核成绩不仅仅来源于期末试卷的成绩，而是主要包含理论考核成绩与平时考核成绩，平时考核成绩比较多元化，主要由实践考核成绩、思政考核成绩、课堂表现成绩组成。

1)理论考核成绩：

理论知识是学生未来发展的基础，是现代教育的一个重要组成部分，所以理论考核是必不可少的一个环节，其意义有如下几点。

①检测学生理论学习情况和学习成果，促进学生自我学习与提高学习动力。

②有助于学生巩固知识框架，增强学生对理论知识的理解能力与掌握程度。

③帮助学生发现自己的不足和劣势，促使其改进自己的学习方法，提高自身学习素养与学习能力。

2)实践考核成绩：

主要检测学生的动手能力与知识应用能力，在“单片机原理及应用”课程中主要体现在“掌上开发板”焊接制作、课后作品展示、相关产品的案例设计等方面。

3)思政考核成绩：

在当代大学生培养过程中，课程思政建设是落实立德树人的战略举措，是提高人才培养质量的重要任务。“单片机原理及应用”课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，合理、有效地将思政内容融入课堂，部分案例如表1所示。为了检测学生的思想觉悟并引导学生萌发积极向上的思想与爱国精神，思政考核主要体现在课堂交流中，以课程的一个知识点为引，让学生分组讨论，针对该知识点，从不同角度可以联想到哪些积极向上的思想。

表1课程思政融入案例

整体的考核成绩架构如图5所示，主要分为平时成绩与期考成绩，其中，平时成绩体现在实践考核、思政考核、课堂表现方面。利用多元化的考核方式评价学生学习效果，调动学生积极性，实现全方位培养学生的教学目标[9,10]。

3、结束语

在“单片机原理及应用”课程改革中，将生活产品与知识点相结合，让学生明白理论知识点的实践应用方式，培养学生产品设计的思维，增强学生学习兴趣。在课上采取小组学习、课堂翻转、课堂互动等方式，让课堂氛围更为活跃，为领悟能力强的同学提供一个言传平台，为领悟能力弱的同学提供一个交流与二次学习的平台，有效减少学生课堂精力不集中的现象；在课后给学生布置与教学内容相关的作品设计任务，培养学生对知识点学以致用的能力，拓宽学生的设计思维，增强学生的团队意识；在评价上采取多元化考核方式，让学生德、智、体、美、劳全面发展，发现自己的优势和劣势，同学之间取长补短。贵阳信息科技学院实施“单片机原理及应用”课程改革后，学生参加的学科竞赛中，单片机控制的相关作品不断增多，部分同学还将相关知识点运用到了假期实践工作中，学习效果达到了预期的教学目标。该方法有利于培养应用型本科学生，为学生提高实践动手能力创造机会，激发学生的学习兴趣与学习热情。

图5课程考核体系

参考文献:

[1]王伟,朱岩松,周耀瑞,等.项目式教学在《机电设备单片机控制》教学中的改革与探讨[J].电子世界,2019(15):20-21.

[2]文桦,郝华丽,孙树祥.基于“三育融合”的专业课教学改革探讨:以单片机原理与应用课程为例[J].天中学刊,2023,38(5):150-153.

[3]孙宇丹,刘永皓,王玉玲,等.基于工程教育专业认证的“单片机原理及应用”课程考核方式改革探索[J].工业和信息化教育,2023(8):54-58.

[4]胡瑞强,叶东,申立群,等.基于OBE理念的单片机原理及应用实验教学设计和实践[J].中国现代教育装备,2023(21):75-77.

[5]王春梅,谢印忠,岳耀亮.单片机原理及应用课程教学改革探索与实践[J].大学,2023(29):109-112.

[6]吴启恒.基于OBE教育理念的单片机控制技术课程一体化教学分析[J].造纸装备及材料,2023,52(10):248-250.

[7]米娟芳.基于单片机课程教改分析[J].数码世界,2020(10):104-105.

[8]苏俊维.基于创新式项目驱动的单片机课程教改探讨[J].科技视界,2021(8):12-13.

[9]刘顺财,李婷.基于单片机课程教学创新教改探索[J].南方农机,2023,54(14):192-195.

[10]李霞.将过程性评价融于项目化教学的教改实践与初探:以《单片机应用技术》课程为例[J].南方农机,2018,49(21):146.