基于学生创新能力培养的单片机课程改革探讨
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作者:郭宏 胡威
摘要：本文结合高等学校电类专业“单片机技术”课程的教学改革与实践，提出培养学生创新创业能力的新型单片机课程教学系统，有效地把课堂教学、实验教学、课程设计和毕业设计以及创新大赛有机结合，突出教学环节的反馈功能，实现授课、实验和竞赛的一体化教学模式。这不仅可以提高单片机课程的教学质量，而且能够培养学生的创新意识和工程实践能力。
关键词：单片机技术课程；教学改革；创新能力培养
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）06-0119-03
一、開展单片机课程教学改革的必要性
创新创业能力是学生综合素质的重要体现，也是新时期衡量人才培养质量的重要指标[1]。高等学校积极开展创新创业教育，培养具有创新精神、创业意识和创业能力的新一代复合型创业人才，鼓励学生创业和积极建设创新型国家，是时代的需要，也是人才培养的需要。
在教学活动中，培养学生的创新创业能力，课程是重要的载体[2]。目前，单片机控制技术已经日益融入人类社会。单片机具有成本低、体积小、功能强的特点，它广泛应用于工业控制、智能电表、工业机器人、信号处理和家用电器等领域。单片机的应用和实践，是促进学生创新创业的良好平台[3]。基于此，本文提出旨在培养学生创新创业能力的单片机课程教学模式改革，探索将创新创业内容融入单片机课程教学，将课程教学活动与提高学生创新创业能力结合起来。
二、单片机课程教学的特点
单片机课程是高等学校电类专业的必修课程，其教学强调应用性和实用性[4]。而从应用的角度来看，要使学生学完该课程后能进行单片机系统开发，仅仅学习单片机这一门课是不够的。由于单片机只是电子系统的控制器，而单片机外设芯片扩展、电路板设计、传感器、信号采集调节、控制对象和控制策略等，都是单片机应用的必备知识。针对上述特点，可将单片机课程的知识结构划分为三个模块：前导模块、核心模块和扩展模块，这三个模块是渐进式的，如图1所示。前导模块是电路设计的基础，核心模块是单片机应用的基础，扩展模块是系统设计的基础。其中，核心模块中，单片机原理是最重要的课程，是简单电子电路设计迈向复杂电子系统和完整系统设计的途径。三个模块的融会贯通。是毕业设计顺利进行、学科竞赛取得成绩的保证，是后续进行技术研发的基础。
单片机课程体系强调的是系统性，不能与整个单片机应用系统分离。教师在教学过程中应从系统角度讲授知识点和实践技能，使学生掌握知识的内在联系，明白单片机的用途和使用方法，而不是单纯地应付考试和被动地接受它。为了实现上述目的，在课程教学中，必须把握其作为实践类课程的一些特点。
1.综合性强。其主要课程包括“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“计算机编程语言”和“电路仿真技术”。如果前期课程的基础没有打好，就会对单片机课程的学习造成障碍。因此，讲授单片机课程的教师，应该在讲课过程中加强对以前课程的回顾和联系。
2.应用范围广。单片机技术的综合和灵活运用，对于学生创新能力的培养和实现，具有深远的意义。目前，单片机控制技术已越来越融入人类生活和工农业生产。一个好的智能产品的诞生或新的生活理念的实现，都离不开单片机控制技术。
3.理论可接受性差。单片机课程涉及的硬件知识多，教学过程中，学生对理论知识的理解存在一定的困难，使学生主观地认为课程与专业的关联性不强。因此，造成学生在学习该课程时缺乏主动性，在遇到问题时不想深入研究。
4.实用性强。由于单片机课程如果脱离实验和实践环节，课程便失去原有的意义；脱离了应用，单片机课程的教学将是纸上谈兵，毫无意义。
5.技术更新快。随着微电子技术的发展，单片机的性能不断提高，在理论教学中，要不断更新教材，讲授新型号，才能使学生掌握单片机的最新理论和技术。
如何更好地在高等学校电类专业中开设好单片机课程，如何与单片机教学相结合，更好地培养学生的创新能力，这是目前单片机教学中亟待解决的问题。
三、当前单片机教学中存在的弊端
目前，单片机课程使用的教材过分强调知识体系的完整性，理论教学和实验教学是在不同地点、不同时间进行的，授课教师也不相同，导致教学与实验相互脱节。实验室的实验主要是理论知识的验证性测试，学生在实验箱上按步骤进行，实验内容简单，功能有限，而项目设计类的实验无法实现，创新性的设计也无法进行[5]。
单片机课程具有较强的综合实用性，是培养学生创新创业能力的良好平台。传统的单片机课程教学往往忽略了单片机应用的特点，没有把创新创业教育融入课程教学的全过程，忽视了学生创新创业能力的培养[6]。
如何消除这些不利因素，营造一个良好的创新创业教育生态，使单片机课程成为学生创新创业教育的良好土壤、平台和工具，是改革单片机课程教学模式的关键。
四、改革单片机教学模式，提高学生创新能力
单片机的教学改革，应从单片机课程的教学系统入手[7]。我校以培养创新型人才为目标，重建了单片机课程教学体系，如图2所示。这一课程体系包括必修模块和选修模块。必修模块包括理论教学、实验教学、自主学习和课程设计。按照教学计划，三年级上学期时，学生完成单片机的理论教学、实验教学和自主学习；下学期开学后两周进行课程设计。选修模块由学生科研、学科竞赛、毕业设计、参与教师科研项目组成，由学生自主选择。从第五学期开始，学生参加各级学生的科研项目，通过举办和参加学校、省、国家级本科生电子设计竞赛，选择供应链管理应用专业毕业设计课题，进一步巩固学习成果，并有一定程度的单片机开发经历。同时，学生也可以参与教师的科研项目，提升他们的工程实践能力。
为实现上述单片机课程教学系统，有必要加强单片机课程教学，培养学生的创新能力。首先，改革现有单片机课程的教学方法，将理论知识、实践环节和创新能力有机地结合起来。教学改革实践的具体思路，可以概括为： 1.课堂教学环节。首先，对于专业性较强的单片机课程，教师必须在课堂上发挥主导作用，成为课堂教学的组织者和指导者[8]。其次，重视理论教学，对涉及的知识点讲通讲透。例如单片机的硬件组成，由于单片机的集成度很高、体积小，所以对其硬件的直观认识只能通过模块、电路和连线来讲解。最后，将学生的单片机创新项目和参加竞赛的成果作为课堂教学实例，通过成功实例的讲解和分享，调动学生在课堂上的積极性和参与性。
2.课程实验环节。建立开放的单片机实验室，实现单片机实验硬件资源的校内共享。为了进行有效实验，实验指导教师与授课教师须密切合作，做到实验内容与课堂教学内容相结合，实现实验与创新的良性互动。在实验开始之前，布置好实验题目以及需要查阅的相关参考资料，使学生清楚地了解他们在实验中将学到什么，并且在实验课程中展示和分享往届学生的优秀实验作品及其实验原理和实验过程，实现目标性实验设计和互动式的实验教学。
3.课程设计环节。课程设计的课题，应考虑学生单片机功能的发展和特定专业科目的整合[9]。例如，电子信息专业的学生可以将“单片时钟定时系统”和“多功能点阵显示系统”等课题作为课程设计课题；计算机专业学生可以将“单片机温度检测与控制系统”、“单片机多功能时钟系统”作为课程设计课题。单片机的课程设计应与其他专业课程相结合。例如，在单片机课程设计期间，课题项目中的电路图设计，已通过其他课程设计完成。通过单片机课程设计，完成智能控制部分的实现。采用这种设置方式，既实现了与学生所学专业相结合，又使学生在课设过程中充分运用所学过的知识，避免使单片机课程成为学生头脑中课程与专业相分离的困难课程。
4.创新、竞赛环节。完备的理论基础，良好的编程能力，课程实验、课程设计的实际操作和实践培训，造就了学生扎实的理论基础和实践能力[10]。当学生进入三年级时，他们可以利用自己积累的知识积极参与各级各类的项目申报和电子大赛，这对培养学生的创新能力至关重要。教师应积极鼓励和引导学生参与项目或竞赛，实现自身价值的体现和自主创新能力的锻炼。通过对具体产品的创新设计、优化改进，对设计的反复修改和改进，以及对软件的不断修改和调试，使学生的实践能力和创新思维得到进一步提升。
五、结论
近年来，我校通过“单片机技术”课程的教学与实践改革，教学质量得到很大提高，拓宽了学生的知识面，提高了学生专业课学习的兴趣。学生不仅在工程实践能力方面得到锻炼和提高，而且培养了创新思维和创新能力，实现了自身创新能力和创业能力的提升，为后续专业课程学习和实践打下良好的学习基础。新型单片机课程教学体系的课程教学模式，经过近几年的教学实践检验，取得了良好的实践效果。依托基于学生创新能力培养的单片机教学实践改革，促进了学生创新能力的培养，对其他专业课程的教学改革也具有较大的借鉴作用。
参考文献：
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