［摘要］“單片機(jī)原理及應(yīng)用”作為北方工業(yè)大學(xué)的專業(yè)必修課，主講內(nèi)容包括MCS51系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、匯編語言指令、匯編語言設(shè)計、定時器/計數(shù)器、串口通信、存儲器擴(kuò)展等知識點，注重培養(yǎng)學(xué)生軟件和硬件設(shè)計與應(yīng)用能力。在新工科背景下，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程通過改善教學(xué)條件和教學(xué)方法，從課堂內(nèi)容呈現(xiàn)方式、實驗內(nèi)容更新、課外實踐內(nèi)容改革等方面開展教學(xué)，增強學(xué)生動手能力和編程思維。實踐證明，學(xué)生自我思考能力得到提高，教學(xué)效果改進(jìn)明顯，達(dá)到了創(chuàng)新能力培養(yǎng)的預(yù)期效果。［關(guān)鍵詞］新工科；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)；應(yīng)用型課程近年來，隨著時代的進(jìn)步以及我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)對工程師的需求越來越緊迫。習(xí)近平總書記指出：“我們對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學(xué)知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈。”［1］2017年以來教育部提出推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等指導(dǎo)性意見［2-3］。高校作為培養(yǎng)人才的主陣地，如何在科技高速發(fā)展的當(dāng)代為企業(yè)輸送合格的工程師，提高學(xué)生的動手能力和解決關(guān)鍵工程化問題的能力是高校亟待解決的重大課題?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”是各工科院校電類專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課，學(xué)生可通過學(xué)習(xí)本門課程掌握微控制器和嵌入式計算機(jī)的應(yīng)用理論、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件和硬件開發(fā)以及單片機(jī)系統(tǒng)的接口電路設(shè)計。隨著5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、多智能機(jī)器人等新興技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)必會獲得更廣闊的發(fā)揮空間。一、課堂與實驗教學(xué)中存在的問題目前，在新工科背景下，高校本科生教育多以課堂教學(xué)為主，并輔以課堂實驗、綜合實驗等一些動手實驗，以鞏固課堂學(xué)習(xí)的相關(guān)知識。“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程作為北方工業(yè)大學(xué)電氣、自動化、電子類專業(yè)的必修課，涉及大量的軟件和硬件相關(guān)知識，如C語言、模擬電路、數(shù)字電路和電路原理。同時也是學(xué)生第一次將之前分散的課程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過軟件編程實現(xiàn)對硬件的控制，這對學(xué)生之前的知識積累提出了較高的要求。但在傳統(tǒng)教學(xué)模式長期重理論、輕實踐的觀念影響下，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)面臨諸多難題，其中亟待解決的問題即為課堂教學(xué)與實驗教學(xué)的分離。課堂上學(xué)生只能夠“填鴨式”地接收相關(guān)芯片的知識和編程規(guī)則，導(dǎo)致教師與學(xué)生之間的互動很少，學(xué)生不能集中注意力，學(xué)習(xí)積極性不高，課上存在睡覺、玩手機(jī)的現(xiàn)象。同樣在實驗教學(xué)過程中，因課堂教學(xué)與實驗教學(xué)之間的時間差，導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)行實驗效果不好，不能夠在有限的實驗教學(xué)時間內(nèi)完成相應(yīng)的實驗要求，實驗效果不佳。此外，在傳統(tǒng)教學(xué)下的單片機(jī)實驗內(nèi)容多為驗證性實驗，學(xué)生只是依照實驗指導(dǎo)機(jī)械性地完成對應(yīng)操作，在這個過程中沒有主動思考單片機(jī)的應(yīng)用與開發(fā)。因此，學(xué)生掌握的理論知識和實驗技能無法通過課程融合起來變成解決問題的系統(tǒng)能力。二、創(chuàng)新的教學(xué)方法與實驗方法綜上，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生編程和硬件設(shè)計的動手能力，是我?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”課程亟待解決的問題。為此，教學(xué)團(tuán)隊采用許多創(chuàng)新的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，同時建立起教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，實現(xiàn)了各個教學(xué)實踐環(huán)節(jié)從“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變。（一）課堂教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合為了打破課堂教學(xué)與實驗教學(xué)之間的代溝，將課堂教學(xué)搬到實驗室，打造“教學(xué)就是實驗，實驗就是教學(xué)”的新模式，教師每講一個知識點，學(xué)生直接進(jìn)行動手設(shè)計或編程練習(xí)。通過教學(xué)實踐一體化的方式發(fā)揮學(xué)生的主體作用和教師的引導(dǎo)作用。這樣理論講解和實踐操作無縫銜接，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的動手能力和思考能力，讓學(xué)生切實掌握了單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用。（二）精心打造虛擬仿真實例因特殊原因，有時需要開展線上教學(xué)，為了提高學(xué)生的實踐能力，教學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，基于Proteus仿真軟件，搭建了多個仿真實例，涵蓋課程中的IO應(yīng)用、定時器/中斷程序設(shè)計、人機(jī)接口等重點和難點內(nèi)容，每個實例均提供相應(yīng)C程序和匯編［4-5］。學(xué)生可全天24小時接入仿真服務(wù)器進(jìn)行虛擬仿真學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的動手操作能力。（三）項目驅(qū)動，突出學(xué)以致用項目式教學(xué)已成為一種世界性的應(yīng)用型課程教學(xué)模式，其以學(xué)生為主體，在學(xué)生解決項目問題的過程中進(jìn)行知識點的滲透，從而達(dá)到教學(xué)目的。教學(xué)團(tuán)隊本著項目任務(wù)驅(qū)動授課的思路，采取企業(yè)工程項目嵌入式教學(xué)，依托電氣工程及其自動化專業(yè)開展的校企協(xié)同育人的便利條件，邀請企業(yè)內(nèi)資深研發(fā)工程師，從實際工程項目中找尋合適教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)中通過引導(dǎo)學(xué)生剖析和制定工程案例來培養(yǎng)其專業(yè)興趣，使學(xué)生在實踐過程中有目的地進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，進(jìn)一步擴(kuò)展了學(xué)生的視野，這不僅培養(yǎng)了學(xué)生獨立自主的思維習(xí)慣，還使其獲得了解決問題的成就感，提高學(xué)生綜合技能的同時進(jìn)一步加強了與企業(yè)應(yīng)用的聯(lián)系。（四）以賽代練，增強學(xué)生解決問題的能力針對北京市和全國舉辦的各類電子設(shè)計競賽，教學(xué)團(tuán)隊積極組織學(xué)生參與，在競賽中讓學(xué)生更熟練地使用單片機(jī)以解決現(xiàn)實中的相關(guān)問題，迅速提高了學(xué)生的單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用水平［6］。我團(tuán)隊已形成“藍(lán)橋杯”“全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽”，“RoboCup機(jī)器人世界杯中國賽”“全國大學(xué)生智能汽車競賽”等多項競賽的教師指導(dǎo)團(tuán)隊。團(tuán)隊教師組織學(xué)生參加競賽，增強學(xué)生使用各類單片機(jī)及芯片的能力，激勵學(xué)生將課程知識應(yīng)用到比賽的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。三、課程案例教學(xué)實施單片機(jī)案例教學(xué)就是將單片機(jī)課程大綱所要求掌握的基本知識點、基本原理和方法都融入包含這些原理的實際項目案例的討論與講解之中，基于項目開發(fā)的過程來組織教學(xué)內(nèi)容。（一）單片機(jī)案例規(guī)劃經(jīng)教研團(tuán)隊多次討論，根據(jù)實驗難易程度將單片機(jī)的重要知識點融入三個階段的實驗操作中。第一階段是入門初級階段，此階段主要目的是提高學(xué)生對本門課程的興趣，便于教學(xué)的開展。案例包括LED燈、獨立按鍵、繼電器、數(shù)碼顯示、定時、中斷、串口通信等。學(xué)生可通過案例初步掌握單片機(jī)的I/O的使用，掌握獨立鍵盤和數(shù)碼顯示電路，掌握單片機(jī)定時器和中斷的使用，掌握單片機(jī)通信接口的應(yīng)用。第二階段是中等難度階段，案例包括交通燈、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、LCD1602等，此階段可讓學(xué)生基本掌握單片機(jī)與基本接口芯片8255、0809、0832、LCD1602的應(yīng)用。第三階段為高級進(jìn)階階段，所涉及的傳感器驅(qū)動程序較為復(fù)雜、主要目的是培養(yǎng)學(xué)生主動思考的能力。案例包括DS18B20溫控系統(tǒng)、DS1302時鐘系統(tǒng)等，此階段可讓學(xué)生掌握單片機(jī)與單總線溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用，掌握單片機(jī)與日歷時鐘芯片DS1302的應(yīng)用。（二）單片機(jī)仿真案例的具體實施1.教學(xué)責(zé)任教師確定具體案例任務(wù)，同時確定相應(yīng)的單片機(jī)知識點，針對各個具體的案例，教師進(jìn)行提問。提前將教學(xué)案例發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生預(yù)習(xí)每一個案例的內(nèi)容材料，分成學(xué)習(xí)小組，并對教師所提出的問題進(jìn)行討論與思考。2.在實驗教學(xué)組織方式上，每一次的教學(xué)過程均圍繞著一個案例進(jìn)行各教學(xué)環(huán)節(jié)的組織，以任務(wù)目標(biāo)為主線，結(jié)合對應(yīng)案例分析講解各相關(guān)知識點和技能點，引導(dǎo)學(xué)生主動思考并規(guī)劃對應(yīng)的解決方案，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力并提高其主觀能動性。學(xué)生在實踐學(xué)習(xí)過程中以小組為單位，各小組針對任務(wù)和要求進(jìn)行分析，給出實踐的方案計劃、設(shè)計對應(yīng)的硬件電路和軟件功能。最后，由責(zé)任教師進(jìn)行總結(jié)和評價，指出案例所涉及的理論知識及其應(yīng)用方法，解答學(xué)生在實驗過程中所遇到的困惑。3.實踐教學(xué)環(huán)節(jié)與課堂理論教學(xué)環(huán)環(huán)相扣。如前文所述，學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)以課堂教學(xué)任務(wù)為對象，利用Proteus仿真軟件去繪制硬件電路圖，使用KeilC軟件進(jìn)行軟件程序的編寫，然后對二者進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試。責(zé)任教師對學(xué)生在調(diào)試過程中遇到的重點、難點問題以及學(xué)生實驗過程存在的不當(dāng)操作進(jìn)行實時點評，也可要求學(xué)生在已經(jīng)完成任務(wù)的硬件電路和軟件程序的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)修改，以加深學(xué)生的思考。4.具體仿真案例教學(xué)舉例——交通燈案例分析。首先，各小組明確案例具體任務(wù)和要求：設(shè)置東南西北四個方向紅、黃、綠LED信號指示燈，共計十二個。南北方向的綠燈常亮47秒，黃燈閃爍5秒，東西方向的紅燈常亮50秒，然后南北方向紅燈常亮50秒，東西方向綠燈常亮47秒，黃燈閃爍5秒，按此規(guī)律依次循環(huán)，數(shù)碼管倒計時顯示，當(dāng)出現(xiàn)特殊緊急情況時，東南西北四個方向的交通燈應(yīng)全部設(shè)置為紅燈。要求利用并行接口芯片8255擴(kuò)展設(shè)計滿足條件的軟件流程圖、程序以及硬件電路。其次，明確該交通燈案例的相關(guān)單片機(jī)理論知識點為：并行I/O接口芯片與單片機(jī)的接口電路設(shè)計，以及其對應(yīng)的8255的驅(qū)動程序、定時器和中斷程序、數(shù)碼顯示電路和按鍵電路驅(qū)動程序等。最后，針對交通燈案例責(zé)任教師提出問題：（1）交通信號黃燈的設(shè)計目的是什么？如何實現(xiàn)黃燈的閃爍要求？（2）如何實現(xiàn)倒計時1秒的要求？（3）緊急情況中的亮紅燈要求應(yīng)該如何實現(xiàn)？5.課程設(shè)計改革。課程設(shè)計環(huán)節(jié)要求學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)課程知識來做好一個實際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的整個流程，該環(huán)節(jié)一方面能檢驗學(xué)生對于單片機(jī)課堂所授知識掌握的程度，另一方面也能鍛煉學(xué)生的工程實踐能力，是一項知識掌握程度要求高，完成時間跨度長的綜合設(shè)計。在課程設(shè)計任務(wù)書中，每個開課班級設(shè)置10道題目，學(xué)生需完成和自己學(xué)號尾數(shù)相同的題目，包含：基于51單片機(jī)的頻率計設(shè)計、基于51單片機(jī)的電子時鐘設(shè)計、基于51單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計、基于51單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計、基于51單片機(jī)的數(shù)字溫度計設(shè)計、基于51單片機(jī)的日歷設(shè)計、基于51單片機(jī)的交通信號燈設(shè)計、基于51單片機(jī)的電話撥號系統(tǒng)設(shè)計、基于51單片機(jī)的電子秒表設(shè)計、基于51單片機(jī)的IC卡存儲器設(shè)計。每道題目都是由一塊單片機(jī)、一塊外圍芯片以及其他簡單元器件等構(gòu)成的一個應(yīng)用系統(tǒng)，要求學(xué)生必須完成此課程設(shè)計的硬件電路設(shè)計、軟件程序設(shè)計和Proteus仿真，后續(xù)的實物制作為選做內(nèi)容，供學(xué)有余力的學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)。在傳統(tǒng)教學(xué)方式中，課程設(shè)計任務(wù)書是在本門課程教授內(nèi)容全部結(jié)束后分配給學(xué)生，隨后要求學(xué)生在短時間完成對應(yīng)設(shè)計并交由責(zé)任教師批改，此種方式存在一定弊端，學(xué)生往往態(tài)度不積極，敷衍應(yīng)付。在現(xiàn)在的新工科教學(xué)體系中，課程設(shè)計任務(wù)書是在課程的硬件知識講授完成后就分配給學(xué)生。通過這種方式，學(xué)生一邊在課堂上學(xué)習(xí)單片機(jī)理論知識，一邊著手進(jìn)行課程設(shè)計。同時，這種方式拉長了課程設(shè)計中各個實踐環(huán)節(jié)的考核時間，比如，在第5教學(xué)周進(jìn)行硬件電路設(shè)計考核，第8周進(jìn)行軟件程序設(shè)計考核，第11周進(jìn)行Proteus仿真考核，第13周進(jìn)行最終答辯并完成課程設(shè)計報告。如此一來，在課程設(shè)計的每個環(huán)節(jié)，學(xué)生都可以和責(zé)任教師進(jìn)行充分交流，使得學(xué)生對每個應(yīng)用環(huán)節(jié)都有更深的理解，每個小環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題也有足夠的時間進(jìn)行設(shè)計的修改和完善，并通過每個環(huán)節(jié)的嚴(yán)格考核提高課程設(shè)計的整體質(zhì)量。此外，區(qū)別于課內(nèi)實驗，課程設(shè)計作為綜合性設(shè)計，對于學(xué)生理解本門課程至關(guān)重要，因此強調(diào)學(xué)生必須獨立完成整個設(shè)計的全過程，要求學(xué)生具備獨立完成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計能力。課程設(shè)計考核成績由三部分組成：平時成績15分、設(shè)計成果40分、答辯環(huán)節(jié)45分。學(xué)生融會貫通地掌握本門課程的知識點是教育的目標(biāo)，因此重點在于答辯環(huán)節(jié)，一方面通過教師提問讓學(xué)生提高對所做課題的認(rèn)識，另一方面可以杜絕學(xué)生找人代做的現(xiàn)象。（三）單片機(jī)課程案例教學(xué)考核單片機(jī)案例教學(xué)考核方法是本課程教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，它直接反映出單片機(jī)教學(xué)的效果。隨著新工科教育教學(xué)改革的不斷深入，高校教育變應(yīng)試教育為素質(zhì)教育?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”課程的考核應(yīng)多元化，應(yīng)注重考核學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。該課程的考核一般采取開卷考試、實驗成績和平時表現(xiàn)成績相結(jié)合的方式進(jìn)行考核。其中平時成績占比25%，主要包括學(xué)生的日?？记凇⒄n后作業(yè)、隨堂測評以及課堂表現(xiàn)和回答教師的提問情況等；實驗成績占比35%，主要考查學(xué)生的軟件編程能力和硬件電路的設(shè)計水平，在完成基本的案例任務(wù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)思考部分的提問進(jìn)行相關(guān)軟件程序和硬件電路的修改。在案例完成考核答辯環(huán)節(jié)中，教師與學(xué)生充分溝通，可對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的形成