四位一体单片机教学改革实践探究

摘要：在新一代人工智能产业变革的背景下，高校人工智能课程系列中的单片机课程存在着一系列问题，其中包括教学方式枯燥、理论和实践结合不足、工程实践教学过少等。为解决这些问题，文章提出了一种新型四位一体单片机教学改革方案。该方案在传统教学基础上进一步改进了各个教学阶段，并针对各教学阶段提供了具体的教学实施措施。实践结果表明，改革后的教学能够有效地激发学生对单片机相关领域的兴趣，并提高学生的综合实践能力。

关键词：人工智能；单片机课程；教学改革；四位一体；教学实施措施

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）04-0163-04

0 引言

近年来，单片机技术在各个领域得到了广泛应用，这导致对单片机技术的教学需求也日益增长。然而，传统的单片机教学内容通常过于抽象和理论化，缺乏专业应用场景的训练，与实际项目开发的需求存在较大差异。因此，教育界迫切需要进行改革研究，以满足对单片机教学的实际需求。

与高等学校工科教学中其他课程不同，单片机是一门综合性及实践性都很强的课程。单片机作为一种微型芯片，通过不断的发展，与其相关的直接、间接产品都已经成为影响我们日常生活的重要因素之一[1]。鉴于单片机课程教学的极强实践性，学生想要更好地掌握单片机课程内容，不仅要有坚实的理论基础，还需要有良好的硬件设计和编程能力。要达到这一目标，就需要一种更好的教育体系，以此来提高学生对单片机理论的实践应用能力。

本文旨在针对单片机课程教学现状提出一种新的四位一体单片机教学改革方法。这种方法将实验融入理论教学过程，通过实验-理论-实验的方式，深化学生对基础知识的掌握。更进一步，该方法通过从简单到复杂的综合案例，提升学生的工程实践能力。最后，通过自由考核来扩展创新思维，提高学生在单片机综合应用开发方面的能力，以更好地满足企业对单片机人才的需求。

1单片机教学现状

1.1 理论教学枯燥

传统的单片机授课方式通常从课本出发，按照章节进行讲解[2]。然而，由于单片机课程对实践的需求非常强烈，仅从文字理论入手容易导致教学效率低下和学生进入一种“无需实践，只需掌握知识点即可”的误区。尽管在教学过程中，通过多媒体动态演示和案例讲解等手段已引入一些实践展示环节，但传统教学方法仍普遍采用让学生自主理解的方式学习理论知识。这种方式无疑缺乏更深入的课堂互动交流，因此无法激发学生的学习兴趣，最终导致学生在后续的理论实践部分无从下手，只是机械地复制书上代码，无法从实践部分加深理论，从而陷入教学“死锁”。

1.2 理论与实践结合不足

理论教学与实践教学的结合对学生深入理解相关理论知识、提高解决问题能力以及培养对单片机课程的兴趣等方面都具有决定性的影响力。然而，目前现有的单片机教学模式想要结合两者达到理想的教学效果仍具有较大的挑战。为了响应新工科背景下的教育改革[3]，一些学校也在对相关的单片机课程教学模式进行改革，采取将课程分为理论和实验两部分结合的形式。然而，这种教学模式实质上将一门课程分割成了两个独立的阶段进行教学。虽然这两个阶段的教学目的都较为清晰，且对学生加深知识理解有一定的帮助，但是也明显存在一些弊端。其中一个弊端是很难确保理论知识与实验部分之间的无缝衔接，导致教学效果达不到预期。

1.3 工程实践项目

在单片机课程的教学过程中，实验与理论教学起着相辅相成的作用，而工程实践则是实验的进一步延伸，也是单片机课程的主要目标。因此，学生的实验目的应以工程实践为主要目标。目前的实验教学方式主要以验证性实验为主[4]，即将学生在课堂上学到的理论知识转化为实验展示，并没有对其进一步延伸。短期来看，这种教学模式似乎没有问题，但从长远来看，这将大大限制学生工程实践能力的培养。当学生进入实际工程项目开发时，他们不仅需要扎实的基础理论知识和实践操作能力，还需要具备工程思维模式和实现工程项目的综合能力。这些能力需要通过大量的工程实践项目训练才能获得。然而，现有高校的单片机教学中对学生的工程实践能力培养严重缺乏，这对单片机这门综合性、实践性、创新性都很强的课程无疑是致命伤。

1.4 考核过程过于单一

通过本文作者多次调查发现，目前大部分单片机教学的考核方式都是由出勤、平时作业和期末考试等环节组成[5]。这些考核环节过于注重理论内容，无法有效提升学生的综合能力。尽管在一些教学过程中会使用课堂互动或平时作业来考核，但大多数采用的是教师拟定课题的考核制度。也就是说，教师给出一个统一的课题，学生按照课本理论进行实现和完成。这种方式对学生的培养缺乏区分度，对学生的实践能力延伸性很有限，更无法有效的提升学生的创新思维和创新能力。

2 四位一体授课新方式

本文提出的新的四位一体授课方式在传统的单片机教学基础上将“理论学习、实践操作、项目实战、创新思维”四个方面有机地结合起来。该教学方法主要包括实验驱动教学、工程案例扩展和多方位考核等三个方面，如图1所示。这种四位一体的单片机教学方法以课堂实验为切入点，并辅以理论指导，在初学阶段提高学生对单片机课程的兴趣和动手能力。接着，通过典型案例的辅助，从浅入深地进行工程案例仿真，培养学生的企业化项目能力。最后的考核部分让学生自主创新，根据所学知识结合单片机相关新技术、市场新方向和实际生活所遇困难进行自由发挥，提高创新思维。所提方法的具体实施方案，将在下文中进行详述。

2.1 实验驱动教学

首先，从授课方式引入方面着手，调整传统的授课顺序[6]。在引入单片机课程的理论知识之前，先引入基础的理论实践部分，通过实践来学习理论。通常，实践以课堂小实验的形式呈现。在课前，教师需要根据所需讲解的课本理论知识部分设计一些入门级的单片机实验，并将设计好的实验分享到班级群中。然后，在课堂上，教师对分享的实验案例进行讲解。这样，学生可以先通过课堂小实验了解单片机相关知识。在此基础上，教师可以进一步引入课本上对应的理论知识内容，并扩展对实验的讲解。例如，对于LED闪烁灯控制实验，教师可以先指导学生完成一些简单的开关灯操作，然后引导学生使用定时、延时方法进一步扩展。在学生根据相关的理论知识动手进行实验的过程中，教师可以解答学生提出的问题，从而完成初学阶段的单片机基础知识教学。

2.2 工程案例扩展

在对单片机基础知识进行讲解之后，还需要进一步结合一些在工程中常见的单片机应用。以这些案例为切入点，循序渐进、由浅入深地将所学的单片机知识引入工程案例中[7]。

首先是简单的工程案例，这些案例可以很好地结合基础知识。通过实验仿真，让学生亲自动手完成一系列规范步骤，包括硬件设计和程序调试等，来实现一些简单的案例。如图2所示的简易正序计时器系统。

具体的仿真过程包括使用Proteus软件设计电路图，使用Keil编写程序并进行编译，然后将IDE和Pro⁃teus联合进行仿真。学生可以通过编写程序中的分支程序、循环程序、延时等部分来观察每次编程后程序和外设的变化，或者通过修改任意参数来对比仿真效果[8]。这样的实践能够更好地帮助学生理解单片机的工作原理和信号变化过程，使抽象的理论在学生脑海中变得更加真实。

在对单片机内部结构和工作原理有了一定基础后，可以进行扩展工程案例[9]的实践环节。在这个过程中，仍然使用Keil编写程序并进行编译，唯一的区别是将仿真软件改为真实的开发板。学生可以自行运用一些新技术来完成任务，而所使用的硬件也更贴近实际情况。通过使用开发板，可以实现一些更加贴近实际的复杂案例。如图3所示的基于开发板实现的智能交通系统。学生可以实时观察单片机的状态和结果，及时了解程序的运行状况，从而加深对单片机的理解。此外，对于具有较强扩展性的复杂工程案例，还可以引导启发的教学方式来进一步提升学生的实践能力和综合设计创新能力。

经过这种从简单到复杂的工程案例练习，能够不断加深学生对理论知识的理解，并提高他们在单片机复杂应用系统开发方面的综合能力。

2.3 多方位考核

采用自由考核课题的方法，即指导教师除了提供必要的指导和评价外，不限定考核题目，鼓励学生自主探索生活中的问题并进行选题，可以选择个人或组队形式进行。要求学生在考核项目的开发过程中进行详细记录，包括设计思路、实验数据、问题解决方法等。这有助于评估学生的思考过程和问题解决能力。同时，对所选择的项目要求具有原创性和创新性，鼓励学生在项目中展现独特的想法和创新性的设计，可以尝试新技术、开发新功能或以解决具体问题为目标进行项目设计。完成项目后，学生需要进行项目的展示。在展示中，学生需要详细讲解自己项目的工作原理、硬件电路和程序代码等，并加入技术交流环节。该过程可让学生之间相互交流、并互相评估对方的项目，这有助于学生分享经验、学习他人的创新思维，并获得更多反馈意见。

通过采用这种考核方式，学生将有更多自主权和创造空间，以展示他们的实践能力和创新能力。这不仅可以激发学生的学习兴趣，还能培养他们的团队合作和沟通能力。

3 四位一体授课评价体系及教学效果

四位一体单片机教学改革采用渐进式的教学方案，它引入了实验学习，而不是先引入枯燥的理论知识。学生首先通过实验来学习，并随后进行对应理论知识的讲解。在理论为辅、案例为主的学习方式中，学生完成了基础理论知识的学习。在掌握知识的基础上，他们进一步扩展了典型工程案例，以提高他们的工程开发思维和实践能力。最后，考核阶段采用自由命题的方式，进行多方位考核，以提高学生的创新思维和团队交流能力。

3.1 过程评价体系

通常情况下，大部分课程的考核评分包括平时成绩、实践课程成绩和期末课程设计实验成绩[10]。在四位一体新模式中，对学生的考核制度进行了改进，在充分考虑以上几个方面的基础上，更加注重教学过程中的综合评价。具体而言，在案例驱动教学阶段，成绩占总成绩的20%；在案例扩展阶段，成绩占总成绩的30%；最后的考核部分成绩则占总成绩的50%。表1为改革后各个授课阶段的评分点和其所占分值。

3.2 改革效果

以西北民族大学电气工程学院2021级和2022级自动化专业的学生为例，对近两年单片机课程的教学情况进行了对比分析。表2中展示了改革前后不同年级的成绩对比情况。结果显示，由于采用了改革后的授课方式，2022级单片机课程的成绩有了显著提高。

通过对学生期末考核中项目完成情况和成果互动交流的结果进行比较，评估了教学改革前后学生在理论知识掌握程度、实践能力和创新能力等方面的得分。根据图4显示的结果，可以看出教学改革后学生在各项能力评估上都有显著提升。

此外，为了更好地了解四位一体教学改革是否达到理想效果，在2022学年下学期末，教师通过调查问卷的方式获取了学生对四位一体授课方式的反馈。调查一共设定了五个问题，前三个问题分别评估了新的授课过程中的三个主要环节，而后两个问题则主要通过与传统授课方式进行对比。

为了确保调查的普遍性，本次调查面向2022级自动化专业的所有学生，共发放了183份调查问卷，收回了183份调查问卷。具体的调查结果如图6所示。

综合图4、图5和图6的结果可以得出结论，改革后的授课方式不仅从教师角度评估学生各项能力表现出显著提升，而且学生的调查反馈也显示绝大多数学生对改革后的课程效果表示认可。此外，与传统的授课方式相比，学生更倾向于新的四位一体单片机授课方式。

4 结束语

单片机课程作为极具实践性特色的高校工科课程之一，在相关高校工科专业人才培养过程中具有重要意义。本文通过引入四位一体单片机教学改革，使学生能够更好地理解和应用所学的单片机知识，并通过实践环节不断提升创新思维和问题解决能力，从而为他们的职业生涯打下坚实基础。总之，这种改革方法将学生置身于项目开发的实际情境中，提高了学习的积极性和激发了学生的学习兴趣，提升了他们对相关领域的学习热情。希望这一教学改革能在培养优秀工科人才的道路上取得持续发展。

参考文献：

[1] 邵海龙“. 置身其中” 谈单片机教学方式改革[J].电气电子教学学报，2021，43（5）：116-119，144.

[2] 葛振，姜国兴，李春晖，等.基于教学工程案例的单片机课程教学改革[J].电脑知识与技术，2022，18（11）：139-141.

[3] 张蓓，吕建勋，张静，等“. 新工科” 背景下单片机通识课教学改革[J].电气电子教学学报，2022，44（5）：37-41.

[4] 王蓉，王欢，赵鑫泰，等“. 实践、理论、线上、线下” 四位一体的课程改革与实践[J].电气电子教学学报，2022，44（3）：60-63.

[5] 赵曙东，牛炯.自动化专业“单片机” 实践教学模式改革探索[J].科教文汇（上旬刊），2021（1）：91-92.

[6] 刘德兵，张晶晶，刘金羽，等.应用型物联网工程本科专业实践教学体系探索[J].高教学刊，2022，8（31）：6-9.

[7] 张秋云，郭秋梅.物联网工程专业单片机实践教学设计[J].物联网技术，2021，11（1）：118-120.

[8] 宋天慧，钱进，花丽，等.以应用能力培养为导向的单片机实践教学改革[J].电脑知识与技术，2022，18（4）：146-147.

[9] 石飞，周燕云，陈娟，等.面向解决复杂工程问题能力培养的单片机实践教学案例设计[J].实验科学与技术，2022，20（5）：66-70.

[10] 瓦依提·阿不力孜，加米拉·吾守尔，阿依佐克拉.单片机实践教学模式研究[J].计算机教育，2016（12）：139-143.

【通联编辑：王 力】