刘波

[摘 要] 针对传统单片机实验以知识结构为主线开展教学中所存在以教师为中心的问题，对围绕工程项目组织单片机实验教学的方法进行了实践。实践中发现项目驱动式教学中存在的最大问题是学生找不到切入点。为此，提出单片机实验教学的目标为培养学生以下三个方面的能力：一是将复杂问题抽象为简化模型的能力;二是综合软硬件进行系统集成的能力;三是总结实验和文字表达的能力。以上教学目标可通过选定合适的实验内容、合理的时间安排、实验预习、实验过程控制、实验报告成绩评定等环节来实现。

[关键词] 单片机实验;实验教学;单片机教学;实践能力;案例教学法

[基金项目] 2021—2024年国家自然科学基金项目“波浪与柔性压电膜系统的非线性耦合作用研究”（12072306）

[作者简介] 刘 波（1973—），女，云南通海人，学士，厦门理工学院机械与汽车工程学院实验师，主要从事单片机与图像处理研究。

[中图分类号] G647   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）22-0141-04       [收稿日期] 2021-01-21

一、引言

随着计算机的飞速发展，单片机技术已广泛应用于现代工业、农业、仪器仪表、汽车电子系统、家用电器、玩具及个人信息终端等诸多领域。培养机电类本科生应用单片机技术解决工程实际问题的能力是现代科学技术发展的需要。因此，“单片微机原理及应用”在机电类本科教学中是一门基础课程。

传统单片机教学一般是以单片机的知识结构为主线，把单片机知识系统分成硬件结构、指令系统、软件编程、单片机系统的扩展和各种外围器件的应用，最后再讲一些实例。此种教学结构，学生普遍感到难学。而单片机实验课则采用传统物理、化学实验课的方法，即以教师为中心，学生在规定的时间内，用统一的模式，按照指导书上规定的步骤做相同的实验。实验课目的也主要是为了验证理论。有的教师认为要做单片机实验，必须要先学习完书本上安排的章节，而有的学校也常常将实验教学安排在学生学习完全部理论知识后。但是，单片机不同于物理、化学等基础理论课程，而是一门应用性很强的课程。根据单片机课程的特点，笔者认为单片机实验主要目标是培养学生的工程能力，应突破课本章节的限制，以项目为中心组织教学，并贯穿在理论教学的全部环节之中。

针对单片机传统教学存在的问题，已有不少教师提出改革单片机传统教学的建议[1-5]。这些教师根据各自不同的教学经验，提出了不少有益的思想观点。在这些思想基础上，结合笔者多年单片机本科实验教学实践，在分析以项目为中心组织单片机实验教学中存在问题的基础上，提出教学目标，并对实现教学目标的教学环节进行了探讨，以供同行参考。

二、单片机实验教学目标

单片机实验教学应培养学生的能力而不是灌输知识已成为大多数教师的共识[5-7]。通过单片机实验教学课能培养什么样的能力呢？人的能力有多种，如观察能力、抽象能力、分析能力、总结能力、逆向思维能力、解决问题的方案制定能力、简洁的文书编写能力等。显然，仅靠单片机实验一门课不可能培养学生所有的能力。笔者认为单片机实验教学目标应结合各高校单片机实验条件、师资状况、学生素质等因素最大限度地培养或提高学生各方面的能力。

厦门理工学院定位于应用技术大学，强调学生的工程能力和动手能力。学校具有良好的实验条件。目前，已拥有单片机仿真实验系统，该仿真实验系统由板上仿真器、实验仪、仿真软件、开关电源构成。本实验系统主机上有丰富的实验电路模块和灵活的组成方法，既可以和MCS51、MCS96CPU也可以和8088/8086CPU组合完成各种实验。同时，学院丰硕的应用科研成果也为开展项目驱动式教学奠定了基础。

为将应用型科研成果转化为教学资源，让学生能在现有教学实验设备上实现。将较复杂的工程问题进行简化，这是开展项目驱动式教学的关键。基本思想是“麻雀虽小、五脏俱全”。由于学时限制，教学项目工作量不宜过大，要让学生有完成的可能性，同时达到工程训练的目的。这一过程的训练，可培养将复杂问题抽象为简化模型的能力。

应用单片机实现的工程项目，一般都涉及编写汇编语言或C++语言程序（软件）及電路设计（硬件）。因此，综合软硬件进行系统集成的能力是单片机实验教学的另一目标。

本科生在基础课学习阶段，撰写项目报告的训练较少。作为工科专业学生，今后工作中可能遇到项目申请、策划书、进展报告、结题报告等大量文档撰写工作。因此，培养学生进行总结和文字表达能力十分必要。完成单片机模拟项目后，让学生撰写总结报告可实现这目标。

综上所述，以项目为中心的单片机实验教学主要培养或提高学生以下几个方面能力：一是将复杂问题抽象为简化模型的能力;二是综合软硬件进行系统集成的能力;三是总结和文字表达的能力。

三、教学环节

针对目前单片机实验教学的特点，在实验内容和时间安排、实验预习、实验过程、实验报告成绩的评定环节采取了严格的控制方法和灵活的教学组织方法。

（一）实验内容和时间安排

在安排实验前，实验教师将和任课教师、学习委员沟通，了解该班学生理论知识掌握的情况和大部分学生的特点，针对该班特点在实验内容及时间安排上进行调整。在实验内容的选择上强调硬件实验的重要性及实验内容的连贯性和综合性。在此基础上，结合工程项目设计模拟实验项目，估算完成模拟实验项目所需的时间。在时间安排上，分为课内学时和课外学时。课内学时是固定的，而课外学时则具有灵活性和多样性。

1.硬件实验内容的选择。在设计模拟实验项目时，首先确定实验设备。在实验设备确定后，进行模拟项目设计。以LAB6000微控制仪[8]  （P14）为例，可开出的软件实验和硬件实验都比较多。软件实验一般是验证性的，例如数据排序等实验。在做此类实验时，学生一般不会关注硬件，得到的锻炼较少，解决不了实际问题。学生一般对硬件电路不熟悉，以前接触的程序实验往往更多地关注编程的技巧，没有软硬件结合的概念。针对这种现象，可设计一个模拟项目（例如，交通灯控制模型、电子琴模型、电子钟模型、电子日历等）。学生通过完成模拟项目，可将软件（自己编写的程序）与硬件（实验设备）结合起来完成一种或几种功能。这样，学生更有兴趣去完成相应的实验。

2.实验内容的连贯性和综合性。在挑选实验时，既要保证实验的连贯性和综合性，更要考虑学生的接受程度。按照“由易到难，由某一个知识点到综合知识的整合运用”的思路选择实验内容。在实验学时分配上也是不同的，前两次实验每次约需2小时，后两次实验各需3～4小时不等，甚至更多时间。例如其中一个班级的实验安排如下：P1口输入输出→定时器中断控制LED灯→八段数码管的显示→键盘实验→电子钟或电子琴，从中可以看出，所有实验都围绕同一个模拟项目开展。

3.实验时间的灵活安排。以项目为中心组织实验教学时，学生可不按固定顺序做实验，而根据自身的情况选做实验。同时，还可增加开放型实验，鼓励学生利用课余时间到实验室结合设备自创实验。学生可在实验教师的指导下，结合实验室现有的软硬件，设计模拟项目。采用逐步细化的设计方法，帮助学生先建立总体框架，将问题分解为若干模块，梳理各个模块中需要解决的问题，针对每个问题进行实验。在各实验的基础上，给出整体项目的解决方案。在这一过程中，单片机实验室将向学生开放，为学生提供实践学习条件，重点培养学生将复杂问题进行分解、抽象为简化模型的能力。

（二）实验预习

开展实验前，对学有余力的学生进行指导，采用思维风暴（每个学生提出自己的方案，然后进行质疑，留下经受住多次质疑的方案）的方式，提出项目的解决方案，对整体项目进行分解，梳理出项目中存在的问题，及解决这些问题所要开展的实验，进一步给出每次实验课需要提前预习的内容。在选定实验任务之后，要求学生结合任务做课前分析，在上实验课前查询资料，并结合实验设备编写出自己的程序。鼓励学生克服畏难情绪和怕出错的心理，并引导学生一步步完善实验预习，一次比一次做得更好。每次上课前由教师检查预习，若无预习的程序或实验程序的思路，不予接受做实验，并把预习的好坏作为实验成绩的一部分。

（三）实验过程的控制

笔者根据自身的教学经验，将单片机实验过程分为精讲、设问、鼓励学生提问、点拨、实验成果的验收等五部分。

1.精讲及示例。学生第一次进入实验室时，由于没有接触过单片机，容易感到茫然，因此，必须进行精讲及示例帮助学生了解单片机实验的特点。精讲，就是精练讲述实验涉及的相关知识要点，剖析实验难点;结合学生以前学过的C语言编程，采用对比和联系的方法突出单片机实验编程的特点（即单片机编程是以硬件为基础的，编写的程序要针对硬件来设计）。示例，即举相关案例（非实验程序）简练地分析实验知识点和关键技术的运用，让学生领会实验主旨，达到他山之石可以攻玉的目的。比如在P1口输入输出实验需要用到1s的延时，笔者就举例讲述一个250ms的延时程序，让学生思考如何使用本段代码，同时提示学生思考本延时程序和定时器延时的区别。

2.设问。在实验教学全过程中，积极引导学生去接近问题、发现问题和解决问题，最大限度地调动和发挥学生在实验中的主体作用。对学生在实验过程中提出的问题，不做正面的回答，而是引導学生根据问题查阅相关资料，并自己动手独立解决问题。在学生思考之后再因材施教，给予适当的辅导。比如上面1s的延时程序，有的学生考虑四次调用250ms的延时程序;而大部分学生一般就按照教师讲的程序，按部就班地计算寄存器里的参数从而得到1s的延时。学生的两种方法，笔者都给予了肯定和表扬。但对于只考虑到其中一种方法的学生，要启发他思考另一种方法，并要求在思考后分析出其优劣，这样可使学生在实验过程中寻找解决方法，从而训练学生提出问题→分析问题→解决问题的方法和技巧，培养独立工作能力，使实验更具有实践性和实用性。对于四次调用250ms的延时程序，在主程序中的代码也可以有不一样的调用方法。用殊途同归的道理让学生明白，同一实验结果有不同的实验过程，这样经过自身的实验摸索，学生才能真正地把知识融会贯通。

采取启发式教学，设问，将传统的以教师和课堂教学为主的教学模式，逐步演变成基础实验以教师为主导，综合实验教师与学生并重，创新实验以学生为主的多种形式。鼓励学生独立完成项目。

3.鼓励学生提问。学生人手一台设备，独立完成程序的调试和硬件调试过程。鼓励学生克服畏难怕羞的情绪，对能在独立思考后提出问题的学生适当给予表扬，并记录在实验过程成绩中。如果遇到问题，可随时提问，根据问题的难易程度给予辅导。

4.点拨。整个实验过程中，实验教师一直在巡视，实验教师针对不同的学生，结合在实验的提问和暴露出的具体问题，给予必要的提示。

5.实验成果的验收。以往的实验，学生一般只需要做出实验效果就可离开，回去后交一份实验报告即可。所以在教学过程中，经常有程序运行正确后就迫不及待地要教师验收，但其实不一定真正理解实验程序的学生。为此，笔者采用以下方法：实验结果和效果仅仅是验收的前提条件。对于实验的验收，采取提问的方式，针对该学生的实验程序进行提问，考核学生灵活掌握知识的能力。例如，八段数码管的显示实验，针对学生的实验程序要求其改变显示顺序或显示效果，在学生独立弄懂有针对性的提问后才能验收实验。这样做的目的是了解学生对实验的掌握程度，促使学生真正去思考，而不仅满足于实验效果，同时对那些照抄照搬程序的学生也是一种鞭策。通过多年的实践，此环节刚开始学生有些不能适应，因为这打破了他们以往的思维模式，不过在第二次课时学生已经适应，从而变得非常喜欢。实验报告中学生写道：一开始看到实验效果很自豪，以为已经完全掌握了知识点，直到老师提问才发现自己并未真正掌握，老师的提问可以帮助我们弄懂那些似是而非的问题，促使我们去思考知识的运用，而不是为了应付考试死记硬背。

（四）实验报告和实验成绩组成

1.实验报告。实验报告的规范撰写是对实验过程的反思和知识的总结更新，而不是仅仅把实验原理、目的、结果等千篇一律地抄写下来。在单片机实验室，实验报告的撰写要求非常严格，如仅如上文所说的抄写，那该份报告的分数就是不及格的。实验报告的一些常规抄写可以简写或者不写，报告的精华部分应该是学生对实验方案的分析总结，对知识点如何运用的回顾，也可以是对实验过程的思考回顾，没弄懂的问题可以在实验报告上反映出来，留待教师解疑。鼓励学生提出对本堂实验课的建议，最后学生可以写一点心得体会。实验报告贵在短而精，而非长篇大论。

一般來说，学生第一次的报告大都不是很好，作为教师，有必要抽几分钟的时间在课堂上评析报告的好坏，通过精心的辅导和训练，严格要求，学生写出的报告会越来越好，有自己思考的东西，总结实验和文字表达的能力能够有所提高。

2.实验成绩的组成。将实验成绩改为预习成

绩、平时成绩、创新成绩、实验报告成绩几个部分的综合。预习成绩由预习报告、程序、提出的问题几个部分综合而成;平时成绩由出勤率、实验态度、实验操作规范和实验成功率等内容组成;创新成绩由实验过程中的创新能力决定，属于给予嘉奖的成绩;实验报告成绩由学生实验记录、实验内容完成情况及思考题回答情况、实验报告总质量等组成。

四、结语

通过对单片机实验教学的改革，实验教师的敬业精神和激情，感染和带动学生，能有效激发学生的学习兴趣，引导学生在实验过程中，逐步消化课堂知识。精讲、示例的方法让学生拨开迷雾，克服一直以来视单片机实验为洪水猛兽的心理;启发、点拨和验收的方法培养学生分析和解决问题的能力，使学生操作能力得到一定程度的提高。教师鼓励学生在思考后提出问题，引导学生分析和解决问题，鼓励学生尝试不同的实验方法，因此，在教学实验过程中教师的综合能力也得到了提高。

实验教学的改革是一项长期复杂的任务。单片机实验教学方法有待于教师结合实际，逐步深入摸索，以期在实践中逐步建立起一套完整的实验教学体系。

参考文献

[1]秦晓梅，陈育斌，杨建华.单片机综合设计实验课程的建设与开发[J].实验技术与管理，2004（2）：114-118+131.

[2]周向红，李建军.单片机实践教学的探讨与研究[J].实验技术与管理，2007（7）：120-122.

[3]王建萍.优化单片机课程实验教学的新思路与实践[J].实验技术与管理，2006（11）：108-110.

[4]李绍民，陈兴文，刘燕.单片机开放实验教学的探索[J].实验技术与管理，2002（6）：84-85.

[5]朱月秀，尤佳.单片机实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索，2002（4）：17-19.

[6]张晴，刘为.单片机实验教学改革[J].实验室研究与探索，2003（4）：27-29.

[7]唐炜.“单片机原理与应用”课程教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2002（3）：21-23.

[8]胡汉才.单片机原理及其接口技术学习辅导与实践教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

Discussion on the Objectives and Methods of Project-centered Single-chip Microcomputer Experiment Teaching

LIU Bo

（School of Mechanical and Automobile Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen， Fujian 361024， China）

Abstract： In view of the problem of teacher-centered teaching in the traditional teaching of the course of Single-chip Microcomputer Experiment， which takes knowledge structure as the main line， the method of organizing Single-chip Microcomputer Experiment teaching around engineering projects is practiced. In practice， it is found that the main problem in project-driven teaching is that students cannot find the cut-in point. Therefore， the teaching objectives of Single-chip Microcomputer Experiment is to train the following three abilities of the students： （1） the ability to simplify a complex problem to a simple model; （2） the ability to integrate software and hardware to one system; （3） the ability to summarize experiments and to accurately express in writing. The above teaching objectives can be achieved by the following methods： selecting appropriate experiment contents， reasonable schedule arrangement， experiment preparation， experiment process control， and the assessment of experiment reports.

Key words： Single-chip Microcomputer Experiment; experiment teaching; single-chip microcomputer teaching; practical ability; case teaching