课堂与实践相统一的实验教学改革探索研究

［摘 要］ “单片机原理及应用”作为北方工业大学的专业必修课，主讲内容包括MCS51系列单片机的基本结构、汇编语言指令、汇编语言设计、定时器/计数器、串口通信、存储器扩展等知识点，注重培养学生软件和硬件设计与应用能力。在新工科背景下，“单片机原理及应用”课程通过改善教学条件和教学方法，从课堂内容呈现方式、实验内容更新、课外实践内容改革等方面开展教学，增强学生动手能力和编程思维。实践证明，学生自我思考能力得到提高，教学效果改进明显，达到了创新能力培养的预期效果。

［关键词］ 新工科；教学改革；能力培养；应用型课程

［作者简介］ 刘 硕（1986—），男，河北石家庄人，博士，北方工业大学电气与控制工程学院副教授，主要从事电力电子技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）12-0063-04 ［收稿日期］ 2023-10-23

近年来，随着时代的进步以及我国科学技术的飞速发展，企业对工程师的需求越来越紧迫。习近平总书记指出：“我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈。”［1］2017年以来教育部提出推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等指导性意见［2-3］。高校作为培养人才的主阵地，如何在科技高速发展的当代为企业输送合格的工程师，提高学生的动手能力和解决关键工程化问题的能力是高校亟待解决的重大课题。“单片机原理及应用”是各工科院校电类专业学生的必修基础课，学生可通过学习本门课程掌握微控制器和嵌入式计算机的应用理论、单片机应用系统的软件和硬件开发以及单片机系统的接口电路设计。随着5G网络、物联网、无人驾驶、多智能机器人等新兴技术的快速发展，单片机必会获得更广阔的发挥空间。

一、课堂与实验教学中存在的问题

目前，在新工科背景下，高校本科生教育多以课堂教学为主，并辅以课堂实验、综合实验等一些动手实验，以巩固课堂学习的相关知识。“单片机原理及应用”课程作为北方工业大学电气、自动化、电子类专业的必修课，涉及大量的软件和硬件相关知识，如C语言、模拟电路、数字电路和电路原理。同时也是学生第一次将之前分散的课程进行有机结合，通过软件编程实现对硬件的控制，这对学生之前的知识积累提出了较高的要求。但在传统教学模式长期重理论、轻实践的观念影响下，“单片机原理及应用”课程的教学面临诸多难题，其中亟待解决的问题即为课堂教学与实验教学的分离。课堂上学生只能够“填鸭式”地接收相关芯片的知识和编程规则，导致教师与学生之间的互动很少，学生不能集中注意力，学习积极性不高，课上存在睡觉、玩手机的现象。同样在实验教学过程中，因课堂教学与实验教学之间的时间差，导致学生进行实验效果不好，不能够在有限的实验教学时间内完成相应的实验要求，实验效果不佳。此外，在传统教学下的单片机实验内容多为验证性实验，学生只是依照实验指导机械性地完成对应操作，在这个过程中没有主动思考单片机的应用与开发。因此，学生掌握的理论知识和实验技能无法通过课程融合起来变成解决问题的系统能力。

二、创新的教学方法与实验方法

综上，如何提高学生的学习兴趣，提升学生编程和硬件设计的动手能力，是我校“单片机原理及应用”课程亟待解决的问题。为此，教学团队采用许多创新的教学方法，激发学生的学习主动性，同时建立起教学质量持续改进机制，实现了各个教学实践环节从“以教师为中心”到“以学生为中心”的转变。

（一）课堂教学与实验教学相结合

为了打破课堂教学与实验教学之间的代沟，将课堂教学搬到实验室，打造“教学就是实验，实验就是教学”的新模式，教师每讲一个知识点，学生直接进行动手设计或编程练习。通过教学实践一体化的方式发挥学生的主体作用和教师的引导作用。这样理论讲解和实践操作无缝衔接，提高了学生的学习兴趣，激发了学生的动手能力和思考能力，让学生切实掌握了单片机的开发与应用。

（二）精心打造虚拟仿真实例

因特殊原因，有时需要开展线上教学，为了提高学生的实践能力，教学团队构建了网络教学平台，基于Proteus仿真软件，搭建了多个仿真实例，涵盖课程中的IO应用、定时器/中断程序设计、人机接口等重点和难点内容，每个实例均提供相应C程序和汇编［4-5］。学生可全天24小时接入仿真服务器进行虚拟仿真学习，提高学生的动手操作能力。

（三）项目驱动，突出学以致用

项目式教学已成为一种世界性的应用型课程教学模式，其以学生为主体，在学生解决项目问题的过程中进行知识点的渗透，从而达到教学目的。教学团队本着项目任务驱动授课的思路，采取企业工程项目嵌入式教学，依托电气工程及其自动化专业开展的校企协同育人的便利条件，邀请企业内资深研发工程师，从实际工程项目中找寻合适教学内容，在教学中通过引导学生剖析和制定工程案例来培养其专业兴趣，使学生在实践过程中有目的地进行主动学习，进一步扩展了学生的视野，这不仅培养了学生独立自主的思维习惯，还使其获得了解决问题的成就感，提高学生综合技能的同时进一步加强了与企业应用的联系。

（四）以赛代练，增强学生解决问题的能力

针对北京市和全国举办的各类电子设计竞赛，教学团队积极组织学生参与，在竞赛中让学生更熟练地使用单片机以解决现实中的相关问题，迅速提高了学生的单片机开发应用水平［6］。我团队已形成“蓝桥杯”“全国大学生电子设计竞赛”，“RoboCup机器人世界杯中国赛”“全国大学生智能汽车竞赛”等多项竞赛的教师指导团队。团队教师组织学生参加竞赛，增强学生使用各类单片机及芯片的能力，激励学生将课程知识应用到比赛的同时，也培养了学生的团队合作能力。

三、课程案例教学实施

单片机案例教学就是将单片机课程大纲所要求掌握的基本知识点、基本原理和方法都融入包含这些原理的实际项目案例的讨论与讲解之中，基于项目开发的过程来组织教学内容。

（一）单片机案例规划

经教研团队多次讨论，根据实验难易程度将单片机的重要知识点融入三个阶段的实验操作中。第一阶段是入门初级阶段，此阶段主要目的是提高学生对本门课程的兴趣，便于教学的开展。案例包括LED灯、独立按键、继电器、数码显示、定时、中断、串口通信等。学生可通过案例初步掌握单片机的I/O的使用，掌握独立键盘和数码显示电路，掌握单片机定时器和中断的使用，掌握单片机通信接口的应用。第二阶段是中等难度阶段，案例包括交通灯、A/D转换、D/A转换、LCD1602等，此阶段可让学生基本掌握单片机与基本接口芯片8255、0809、0832、LCD1602的应用。第三阶段为高级进阶阶段，所涉及的传感器驱动程序较为复杂、主要目的是培养学生主动思考的能力。案例包括DS18B20温控系统、DS1302时钟系统等，此阶段可让学生掌握单片机与单总线温度传感器DS18B20的应用，掌握单片机与日历时钟芯片DS1302的应用。

（二）单片机仿真案例的具体实施

1.教学责任教师确定具体案例任务，同时确定相应的单片机知识点，针对各个具体的案例，教师进行提问。提前将教学案例发给学生，要求学生预习每一个案例的内容材料，分成学习小组，并对教师所提出的问题进行讨论与思考。

2.在实验教学组织方式上，每一次的教学过程均围绕着一个案例进行各教学环节的组织，以任务目标为主线，结合对应案例分析讲解各相关知识点和技能点，引导学生主动思考并规划对应的解决方案，激发学生的创新能力并提高其主观能动性。学生在实践学习过程中以小组为单位，各小组针对任务和要求进行分析，给出实践的方案计划、设计对应的硬件电路和软件功能。最后，由责任教师进行总结和评价，指出案例所涉及的理论知识及其应用方法，解答学生在实验过程中所遇到的困惑。

3.实践教学环节与课堂理论教学环环相扣。如前文所述，学生的实践环节以课堂教学任务为对象，利用Proteus仿真软件去绘制硬件电路图，使用Keil C软件进行软件程序的编写，然后对二者进行联合仿真调试。责任教师对学生在调试过程中遇到的重点、难点问题以及学生实验过程存在的不当操作进行实时点评，也可要求学生在已经完成任务的硬件电路和软件程序的基础上，进行适当修改，以加深学生的思考。

4.具体仿真案例教学举例——交通灯案例分析。首先，各小组明确案例具体任务和要求：设置东南西北四个方向红、黄、绿LED信号指示灯，共计十二个。南北方向的绿灯常亮47秒，黄灯闪烁5秒，东西方向的红灯常亮50秒，然后南北方向红灯常亮50秒，东西方向绿灯常亮47秒，黄灯闪烁5秒，按此规律依次循环，数码管倒计时显示，当出现特殊紧急情况时，东南西北四个方向的交通灯应全部设置为红灯。要求利用并行接口芯片8255扩展设计满足条件的软件流程图、程序以及硬件电路。其次，明确该交通灯案例的相关单片机理论知识点为：并行I/O接口芯片与单片机的接口电路设计，以及其对应的8255的驱动程序、定时器和中断程序、数码显示电路和按键电路驱动程序等。最后，针对交通灯案例责任教师提出问题：（1）交通信号黄灯的设计目的是什么？如何实现黄灯的闪烁要求？（2）如何实现倒计时1秒的要求？（3）紧急情况中的亮红灯要求应该如何实现？

5.课程设计改革。课程设计环节要求学生应用单片机课程知识来做好一个实际应用系统设计的整个流程，该环节一方面能检验学生对于单片机课堂所授知识掌握的程度，另一方面也能锻炼学生的工程实践能力，是一项知识掌握程度要求高，完成时间跨度长的综合设计。在课程设计任务书中，每个开课班级设置10道题目，学生需完成和自己学号尾数相同的题目，包含：基于51单片机的频率计设计、基于51单片机的电子时钟设计、基于51单片机的数字电压表设计、基于51单片机的波形发生器设计、基于51单片机的数字温度计设计、基于51单片机的日历设计、基于51单片机的交通信号灯设计、基于51单片机的电话拨号系统设计、基于51单片机的电子秒表设计、基于51单片机的IC卡存储器设计。每道题目都是由一块单片机、一块外围芯片以及其他简单元器件等构成的一个应用系统，要求学生必须完成此课程设计的硬件电路设计、软件程序设计和Proteus仿真，后续的实物制作为选做内容，供学有余力的学生继续学习。

在传统教学方式中，课程设计任务书是在本门课程教授内容全部结束后分配给学生，随后要求学生在短时间完成对应设计并交由责任教师批改，此种方式存在一定弊端，学生往往态度不积极，敷衍应付。在现在的新工科教学体系中，课程设计任务书是在课程的硬件知识讲授完成后就分配给学生。通过这种方式，学生一边在课堂上学习单片机理论知识，一边着手进行课程设计。同时，这种方式拉长了课程设计中各个实践环节的考核时间，比如，在第5教学周进行硬件电路设计考核，第8周进行软件程序设计考核，第11周进行Proteus仿真考核，第13周进行最终答辩并完成课程设计报告。如此一来，在课程设计的每个环节，学生都可以和责任教师进行充分交流，使得学生对每个应用环节都有更深的理解，每个小环节出现问题也有足够的时间进行设计的修改和完善，并通过每个环节的严格考核提高课程设计的整体质量。

此外，区别于课内实验，课程设计作为综合性设计，对于学生理解本门课程至关重要，因此强调学生必须独立完成整个设计的全过程，要求学生具备独立完成单片机应用系统的设计能力。课程设计考核成绩由三部分组成：平时成绩15分、设计成果40分、答辩环节45分。学生融会贯通地掌握本门课程的知识点是教育的目标，因此重点在于答辩环节，一方面通过教师提问让学生提高对所做课题的认识，另一方面可以杜绝学生找人代做的现象。

（三）单片机课程案例教学考核