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“單片機原理及應用”是測控技術與儀器專業的學位專業課程，在測控專業的課程體系建設中起著非常重要的作用。作為將工業測控系統上的信號進行采集、處理、顯示或發出控制信號的核心，單片機的學習和掌握情況起著承上啟下的作用。通過單片機的學習可以把傳感器原理、測控電路、自動控制、智能儀器等相關課程連接起來，從而建立起測控電子-智能儀器課程體系群。因此，學好單片機對于測控專業的學生來說具有重要的意義［1］。單片機課程不是一門純理論性的課程，其實踐性、操作性和工程性都很強，因此，單片機實驗教學是學生掌握單片機基礎理論知識，并有效提升實踐動手能力的重要教學環節。通過實驗教學能讓學生比較直觀地理解和感受單片機的工作原理和工作方式，是對于課堂教學一個很好的補充。但是目前大多數高校在單片機的實踐教學過程中，仍存在著以下問題［2-4］：①實踐教學意識仍淡薄，單片機課程教學過程中“重理論，輕實踐”，實驗教學學時不足，實驗只是點綴，是理論教學的補充，實踐教學始終被教師和學生放在次要、從屬的地位，從而造成學生的應用能力培養缺乏，對培養應用型人才目標十分不利。②受實驗課時限制，實驗教學大多采用單片機實驗箱，為驗證性實驗，實驗功能要求固定，缺少和專業的密切結合的實驗，不利于綜合性、設計性實驗的開展，使得學生感覺學習單片機沒有意義，最終失去學習的興趣。③實踐教學對單片機系統軟硬件結合的設計方法介紹不足，學生工程思維缺失，導致學生在實際工作中缺少系統化、工程化的思路。④實驗室開放程度不夠，缺少自主設計、自主研究的氛圍，學生在規定的時間內往往不能完成實驗而草草收場，實驗教學質量不高。⑤隨著社會對單片機工程師的要求越來越高，學校陳舊的教學體系和落后的實驗器材已經無法滿足深層次高要求的學習任務。結合近年來的單片機實驗教學及科研項目實踐經驗，進行總結、探索，本文提出了以學生為中心，分層次、項目式、虛實相結合的單片機實驗教學模式，同時，利用信息技術、互聯網技術、個人自媒體推動單片機實踐課程資源的建設與共享。通過單片機的實驗教學改革實踐探索，表明該實驗教學模式，提高了單片機實驗教學效果和教學質量，能引起學生學習的興趣，并能極大提高學生學習的自主性和實際項目動手開發能力，提高了學生綜合運用知識解決工程實踐問題的能力，提高了實踐課程學習效果和效率。
1單片機職業崗位，專業技能需求調研
單片機的開發，涉及的崗位十分廣泛，電子類、工業控制類、智能儀表類產品的開發過程中都有著單片機的應用。調研企業單片機相關職業崗位的設置情況，不同崗位對單片機專業知識、專業技能、實踐能力的需求情況，從而根據需求、分析、思考、設計有針對性的實驗項目內容，從而培養應用型人才。職業崗位需求-專業能力要求-實驗內容需求分析的具體情況，如圖1所示：
2單片機實驗教學模式的設計
在單片機的實驗實踐教學過程，根據學生的學情情況，開展了基于分層次、項目式、虛實結合、線下實踐與線上指導相結合的單片機實驗教學模式改革實踐，形成以“學生為主體，教師為主導”的高效實驗課堂。基于應用型人才培養的單片機實驗教學模式設計如圖2所示。將單片機實驗教學過程分為課前，課中，課后，三個模塊節，課內、課外兩個方面，線上、線下兩個環節。課前指導教師根據學生情況，設計開發單片機實驗任務，實驗項目內容，并制作虛擬仿真實驗教學視頻，通過線上平臺發布給學生，學生自主課前預習和仿真練習，課前使用的虛擬仿真單片機開發板如圖3所示。課中，學生在課前完成虛擬仿真實驗項目的基礎上，對實驗項目有了充分的認知前提下，在實驗室焊接完成單片機硬件開發板，如圖4所示，并開展基礎實驗項目和績效實驗項目，同時提出在實驗中遇到的問題一起交流討論，提高了課堂實驗教學效率，動手實踐能力得到進一步的提高。課后擴展階段，學有余力的學生根據自身的興趣和能力開展課外拓展實驗項目，教師課外提供線上技術指導，并收集學生的意見反饋，總結分析實驗教學中存在的問題，進一步優化實驗教學模式。通過課前實驗預習、虛擬實驗任務檢查、線上實驗預習及指導、線下實驗實操、知識掌握程度反饋以及課后實驗教學反饋等教學環節對傳統單片機的實驗教學模式進行改革，提高了實驗教學效果。通過實驗教學改革，將單片機實驗教學分散化，不再局限于短短的受實驗學時限制的課堂教學時間，充分利用課外時間及線上發布的單片機課程資源，給學生帶來了一種全新的實驗學習體驗，改變了原有的課堂教學環境，活躍了課堂教學的氛圍，調動了學生的積極性，提高了學生的興趣和實踐動手能力，提升了單片機綜合應用及工程實踐能力。
3單片機實驗教學內容設計
根據不同層次學生的需求，從分層次培養的實驗教學模式出發，在單片機實驗教學實踐過程中對實驗教學內容按照項目進行了重新設計。單片機實驗教學分為基本型實驗項目（必做實驗）、綜合應用型項目（績效實驗）、創新設計型項目（課外自主實驗）三個層次。具體的基于應用型人才培養的單片機實驗教學內容設計如圖5所示：基礎實驗項目，主要引導學生單片機入門，學會搭建單片機的最小應用系統，掌握基本的IO輸入/輸出操作，能夠設計簡單的顯示器件及按鍵輸入人機電路接口，并完成驅動程序的編寫；對單片機的通用外設資源，如外部中斷、定時器、串行口等的應用有基本的認識和掌握，對應圖1中單片機初級工程師組裝、調試、采購等相關工作崗位的要求。在基礎實驗項目掌握的基礎上，為了進一步提升單片機應用技能，學生利用剩余實驗時間選做綜合型實驗項目，并完成相應的項目的設計與開發，從而對單片機的系統設計有進一步的體會。綜合型實驗項目主要鍛煉學生從工程和產品的角度出發，設計系統的組成，并進行硬件電路的設計和軟件程序的開發，提高學生綜合利用單片機各外設資源完成具體設計任務的能力，對應圖1中從事單片機的相關產品的技術支持、售后技術服務及產品升級等相關工作崗位的要求。單片機課外教學也是單片機實踐教學中很重要的一個環節，將教學時間從課內向課外延伸，通過組織興趣小組，參與學校的創新實踐項目、大學生機器人比賽項目，參與產學研基地教師的科研等各種方式進行單片機實踐教學的課外拓展訓練。針對學有余力且對單片機有著濃厚興趣，有志于從事嵌入式開發相關工作的學生，可以利用課余時間，在測控專業開放實踐創新基地實驗室，開展創新設計型項目的制作和調試，從而進一步提高綜合應用單片機知識解決實際工程項目的能力。為了更好地引起學生的興趣，同時為了參加機器人比賽選撥人員，以智能小車為載體，設計創新設計型項目，搭建靈活的單片機實踐應用項目，圍繞著傳感器信號采集、數據處理、人機接口、自動控制、通信接口等方面展開訓練，從而進一步提升綜合設計應用能力。對應圖1中從事單片機的產品設計，研發和系統設計等相關工作崗位的要求。通過單片機課外實踐教學的活動，一方面充分發揮測控創新實驗室和產學研基地的作用，另一方面也有效激發學生學習的自覺性、能動性、創造性及學習熱情。
4結束語
基于應用型人才培養的單片機實驗教學模式改革，基本形成了以“學生為主體，教師為主導”的分層次、項目式，線下實踐與線上指導相結合的單片機實驗教學模式，確定了“教師引導，學生多練”的實踐教學原則，強化了單片機實踐教學的重要性；開發完成了單片機虛擬仿真開發板及單片機實驗硬件實體開發板，包括單片機實驗開發板（基礎版）、單片機實驗開發板（提高版）；設計了三層次、項目式的單片機實驗教學項目，明確了實驗項目任務要求；制作并發布了單片機學習實驗視頻，初步形成了單片機學習視頻資源庫。在實驗教學模塊及教學過程管理上探索實踐了課前、課中、課后三個模塊，課內、課外兩個方面，線上、線下兩個環節。同時以測控開放創新實踐基地實驗室為平臺，開展了課外的實踐探索及科技項目的制作，提高了動手實踐能力和科學研究能力，有效地提高了單片機的教學效果和教學質量。
參考文獻
［1］王京港，張翠平.基于項目驅動及Proteus仿真的單片機教學改革與實踐［J］，教育教學論壇，2013（22）：138-139，143［2］劉承橋，馬俊.基于開發板的單片機實驗教學改革與實踐［J］.計算機教育，2021（1）：172-176
［3］苗曙光，李崢，方振國，等.基于口袋實驗室的單片機實驗教學改革研究［J］.赤峰學院學報（自然科學版），2020，36（8）：101-104
［4］唐琳，劉星月，廖先莉，等.仿真與實驗相結合的單片機實驗教學研究［J］.實驗技術與管理，2019，36（4）：213-216
［5］林立，張俊亮.單片機原理及應用———基于Proteus和KeilC［M］.4版.北京：電子工業出版社，2018
作者:王京港 張翠平 劉海艷 單位:南京理工大學紫金學院智能制造學院
