基于掌上实验室的单片机课程考核方式探索

富雅琼，许素安，陈锡爱，吴 霞   

（中国计量大学，浙江省在线检测装备校准技术研究重点实验室，浙江 杭州 310018）

[摘 要]针对单片机实践教学中考核工具不多、手段不足等问题，探索“掌上实验室”在实践教学考核环节中的应用。通过开展分阶段任务和即时反馈的平时实验项目设计，促进培养学生解决复杂问题的能力；介绍了基于“掌上实验室”的限制性命题与开放式命题实验考核的实施方法及其优势与不足，并探讨了进一步改进方向。通过基于“掌上实验室”的考核方式改革，提高了学生实践能力培养结果考察的效果，为目标导向的教育理念实施奠定了基础。

[关键词]单片机；掌上实验室；考核方式

[基金项目]浙江省高校实验室工作研究项目（ZD201913）；中国计量大学教改项目（HEX2018003）；教育部产学研合作协同育人项目（201802355006）；浙江省教育科学规划课题（2020SCG374）

[作者简介]富雅琼（1983-），男，河北省张家口人，工学硕士，中国计量大学机电工程学院，实验师，主要从事精密电测技术研究。

[中图分类号]：TP23    文献标识码：A  

 

 

引  言

单片机技术的理论与实践教学是自动化专业课程体系中的重要环节，承接微机原理、编程语言等专业基础课程，后续面向仪表设计和多门实践类等实践课程，同时是学生参与课外科技活动、科技竞赛的重要支撑^[1-4]。单片机技术类课程的教学目标与考核目标应同时兼顾对理论与实践能力的考核^[5-7]。在工程教育专业认证“复杂工程问题”理念对课程考核方式提出多样化要求的背景下^[8-9]，有必要针对单片机技术理论与实践教学目标展开考核方式的研究。

“掌上实验室”是传统单片机实验箱的有益替代或补充，其显著特点是体积小、方便携带，因此又被称为“口袋实验室”、“口袋板”等。随着器件小型化以及小批量线路板加工市场化竞争带来的成本下降，在教学中应用“掌上实验室”已不存在明显的技术与成本障碍。在2013-2020年间，中国计量大学自动化专业自行开发并持续改进了基于STC51单片机的掌上实验室（或称口袋实验室）^[10]，以支撑学生单片机技术工程实践能力培养目标的实现，特别是解决了单片机技术实践能力考核工具不便、手段不足等问题。本文对相关的教学改革经验进行总结与讨论。

1  掌上实验室实施概况

1.1  “掌上实验室”介绍

我校单片机技术课程以MCS51单片机为教学对象。考虑到成本和易用性，最终选用与MSC51兼容的国内宏晶公司的STC51系列作为“掌上实验室”的核心单片机。

“掌上实验室”系统设计遵循三个基本指导思想：一、保证课程教学大纲内教学内容与基础实验项目的开展；二、满足实践环节考核的需求；三、满足新技术、新实验项目补充的需求。“掌上实验室”套件的整体构成如图1所示，划为功能模块和连接器板两部分。功能模块与连接器板之间通过双列直插排针/排母实现连接。与Launchpad等产品的不同之处在于，本文设计的连接器板具有可级联扩展特性，充分满足了针对新技术发展的实验项目持续改进需求。

 

图1 可级联扩展的“掌上实验室”构成方式

“掌上实验室”实验功能模块可概括为三类：一、核心（MCU）模块，即单片机最小系统模块，板上集成有USB转UART接口及IAP仿真下载电路；二、基础实验功能模块，即根据教学大纲和实验教学计划开展的实验项目，如外部中断、LED、数码管、矩阵键盘、AD/DA、UART等功能模块；三、拓展实验功能模块，结合本校自动化专业特色开发了如循迹/避障小车、变送器、控制器等多个拓展功能模块，用于开放实验项目、课程设计、课外科技竞赛培训等。

1.2  “掌上实验室”实施情况

“掌上实验室”2013年首先应用于我校自动化专业卓越工程师班的单片机课程的实验教学中。经过数年完善与拓展，开发了多项基础实验和拓展实验项目，并编写了配套实验指导教程。

“掌上实验室”的应用场景从实验教学逐步拓展至课题教学与考核环节中，从单一课程使用过渡到可支持多个独立实践教学环节使用，受众从卓越工程师班扩大至自动化专业全部班级。为学生今后课外科技活动甚至参加工程项目奠定了良好的基础。

由于采用了USB转UART的IAP程序下载/仿真模式，学生可直接将“掌上实验室”与自己的笔记本电脑连接操作，一举解决教学场地问题。此外，“掌上实验室”成本低廉，可按1:1人均比例安排发放，为灵活多样的考核形式提供可能。

2  实践考核方法设计

2.1  课程目标与考核要求

以我校2017级自动化专业单片机课程大纲为例，该大纲从工程教育的角度出发，以“问题分析”、“设计/开发解决方案”和“使用现代工具”三项毕业要求作为着眼点，阐述课程目标如下：

（1）理解微型计算机的基本概念与术语，熟悉单片机系统的典型构成，具有面向基于单片机的实际测控系统复杂工程问题的理解能力；

（2）掌握单片机系统结构组成与工作原理，具备应用数学、自然科学、工程基础和专业知识将工程问题转为单片机系统设计需求的能力；

（3）熟练掌握单片机指令系统和编程方法，具备应用单片机技术将理论模型转化为实际控制系统的能力；

（4）熟练掌握单片机中断系统、外设和接口技术，具有运用单片机系统扩展设计实现检测、控制及数据分析与处理的能力。

以上课程目标可以简化为“问题提出、需求提炼、模型建立、系统设计”四个层次。仅依靠理论考试作为考试方式很难全面检查课程目标达成情况，因此基于“掌上实验室”摸索了多种实践考核方式与方法。

2.2  考核方法

课程的总评成绩设计为四个环节考核成绩的加权平均。四个环节分别是：一、课堂表现与平时作业；二、平时实验项目；三、集中实验/大作品；四、理论知识笔试。在平时实验环节和集中实验/大作品两个环节中，针对“掌上实验室”的特点，形成适合其的操作模式。

（1）  平时实验项目

实验教学的目的是让学生将理论知识内化为工程实践能力，除了常规的以“实验结果”和“实验报告”作为考核依据，还应关注学生在开展实验过程中的问题分析、程序规划、调试方法以及工程规范性等方面的表现。通过发放“掌上实验室”给学生保管这一措施，延展了实验项目的时空限制，教师有条件将课堂实验教学与课后任务结合起来，布置有一定复杂程度的实验项目，并在实验项目中设计更细致的即时反馈环节。

以定时器实验为例。开展该实验项目时，将其拆分为三个有递进关系的阶段任务：任务一：配置定时器使得一个LED灯闪烁，其中闪烁周期小于定时器溢出时间；任务二：实现LED以更长的周期闪烁，要求闪烁周期超过定时器溢出时间；任务三：利用同一个定时器实现四个LED灯以不同的周期同时闪烁。

该实验项目第一阶段任务难度相当于课堂教学例程，学生很容易参考例程实现要求，通过直观可视的形式检验调试结果。第二阶段任务提升了难度，需要引入辅助计数器编程实现，但所提升的难度仍较有限；第三阶段任务进一步提升难度，完成该任务需要对辅助计数器做多重运算与判断，该任务与常见的工程化程序框架——时间片轮询结构相关。在第一、二阶段任务的设置中，应注重实验效果的可即时反馈性，以增强实验学生的成就感；在第二、三阶段任务设置中，应加强“模型建立”、“系统设计”思想，尽可能与工程背景、概念、方法相结合。

 

图2 平时实验项目的分阶段任务

使用传统实验箱设计并实现此类复杂实验项目的可能性不大。但基于“掌上实验室”则可以将实验项目分拆成多个步骤，让学生在课堂内实现部分任务并通过实验结果的即时反馈获取信心，从而达到鼓励课下继续探索完成复杂任务与思考的目标。

（2） 限制性命题实验考核  

尽管平时实验项目能够作为评估实践教学效果的形式，但对于教师和学生而言，统一形式的集中考试仍然是兼具效率与公平的考核形式。因此我专业开展了基于“掌上实验室”的限制性命题实验考核，即时间限定、场地限定、题目限定。

考核时间设置在学期中段后每周的固定时间段，每周考核一定数量的学生，需多个周完成。期间开放校内网上实验室预约系统，学生可自愿选择考试时间，每周考核人数根据场地容量约满为止。由于学生并非在同一时间考试，为防止试题泄露，编写了包含120个题目的实验考核题库。学生通过抽签方式选中题目。

考题设置要求完成的功能一般分为3~4项。前两项要求一般为根据单个知识点或利用单片机单个外设可以完成的功能；后两项要求一个适合的程序框架下的协调运行的2~3个模块以形成一个具有初步复杂性的综合性功能。考核评分依据包括：一、在规定时间内所有要求功能的实现程度占总比60%、设计规范性要求占总比20%、设计思路的合理性与创新性占总比20%。

在该考核方式实施初期，参与考核的学生反馈感受到一定压迫感。作者认为，在实践考核中体现适当的时间紧迫感有益于学生体会工程任务期限这一常识，只是需保证总体难度符合教学目标及大部分学生掌握程度即可。

在近三年实验场地改善的条件下，尝试放宽了学生预约考核的次数限制。该措施允许学生对前期考核结果不满意的情况下，经过加强复习后再次预约考试。该措施收到了积极的反馈效果，部分学生在第一次考核不理想之后，能够总结经验、弥补知识和能力缺陷，并再次挑战获得更好的成绩。这项措施提高了学生自主参与实践的积极性，对学习而言是一种闭环式的学习体验。

（3）  开放性命题实验考核  

为了弥补考核方式对于系统设计能力和团队合作能力方面的不足，2018学年度在自动化专业部分班级尝试了开放式命题考核方式。

该考核允许学生组成不超过3人的小组共同完成作品。作品的选题不限，但选题需要满足以下要求：第一、作品需包含信息的输入与获取，如传感器信号的采集、键盘输入、通讯指令接收等；第二、作品应该包含一定程度的数据处理、计算功能，如PID控制等；第三、作品需有结果的输出，如数码管的显示、被控对象的动作等。允许用万用板或腐蚀板焊接制作硬件；也允许用“掌上实验室”的部分模块加上自行制作的电路共同构成作品。作品以实物和设计说明书共同作为考核评分的依据。

3  考核方式比较与讨论

3.1  考核方法比较

在平时实验项目中，“掌上实验室”有助于复杂性实验项目的开展，通过递进式考核要求达到教学目标，是促进实践教学效果的有益手段。但是仅以此作为教学目标的考核方式则不足以公平、全面的考察每个学生对于教学目标的达成度。因此设置统一、集中的实践考核环节是有必要的。

限制性命题考核的优点是：考试纪律有保障学生在限时项目中有紧迫感。该方式的评分依据客观，参与考试者对于评分的公正性基本没有异议。缺点是：考核题目都由学生独立完成，缺少了对于团队合作能力的考察；其次，特别明确的题目要求一定程度上限制了学生的创造力，对“问题提出”和“提炼需求”两方面教学目标的体现不足。

 开放性命题以团队完成，弥补了限制性命题在协作、沟通能力考核方面的不足；学生在选题、需求分析、系统设计、软硬件调试等一系列完整的过程中，各方面的能力可以获得充分体现。缺点是实施过程可控性差，难以避免学生购买作品的现象。也存在团队内部分工不合理，个别成员“划水”现象。此外，作品的评价存在一定主观性，尤其是如果采用学生互评的方式会导致评出“人情分”。

3.2  改进方向讨论

在基于“掌上实验室”的单片机教学改革中，经历了从限制性命题到开放性命题的过程，反映了综合考察学生多种工程实践能力的趋势。针对过程中出现的问题，结合“掌上实验室”的特点提出改进方向：

（1）可以考虑尝试“半开放”式命题，在选题和创意放开，但是限定作品必须采用“掌上实验室”的核心模块或符合要求的接口定义。实施该方案需要向学生提供符合接口定义的万用板和PCB图纸文件，实现并不困难。在硬件方面的限制可以有效防止极少数学生的购买作品等不诚信行为。

（2）加强考核的过程管理，强调工程化的设计图纸和源代码签名。利用Gitee等免费的网上代码托管平台中保留的完成作品过程中的修订记录等痕迹，同时综合答辩情况评判团队成员的贡献度。

（3）选择有工程经验的教师或工程师参与作品的评分与答辩，参与人数不宜少于三人，以求得尽量公平。

4  结论

在自动化专业的单片机技术教学改革中，“掌上实验室”发挥了积极的作用。通过阶段性实验项目任务设置和即时反馈等手段，提高了实践教学目标的达成度。“掌上实验室”也为限制性和开放性命题的实践考核环节提供了工具，通过制定合理的考试题目、考核方式、评价规则等，有效考察学生实践能力培养结果，实现教学目标反馈的闭环式教育理念。在“掌上实验室”推动的教学改革中，无论教学理念还是操作手段都还需要开展更深入探索，实现实践育人理念。

参考文献

[1]张宏伟,阎有运,王新.单片机实践教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索,2009,28(04):206-208.

[2]宋跃,胡必武,雷瑞庭.基于转型升级-资源共享的单片机课程教学改革[J].实验室研究与探索,2017,36(12):233-236.

[3]张妍,林永君,程海燕.“卓越班”单片机相关课程教学改革探索与实践[J].实验科学与技术,2015,13(06):186-189.

[4]赵国树,周黎英,翟力欣.基于竞赛平台的单片机课程设计教学改革[J].中国现代教育装备,2015(15):108-110.

[5]李有光,闻新,南英.本科生AVR单片机实验教学探索与研究[J].实验室研究与探索,2015,34(09):216-218+276.

[6]张欣.基于OBE理念的实践教学改革与课程评价——以《单片机原理及应用课程设计》为例[J].长春工程学院学报(社会科学版),2019,20(03):130-133.

[7]孙先松.以应用能力培养为目标的单片机课堂教学改革[J].中国现代教育装备,2019(03):61-63.

[8]杨毅刚，孟斌，王伟楠．如何破解工程教育中有关“复杂工程问题”的难点[J]．高等工程教育研究，2017(2):72-78.

[9]陈伟.论创新能力培养和工程教育专业认证之间的关系[J].教育教学论坛,2020(09):143-144.

[10]富雅琼,吴霞,陈锡爱等.单片机口袋实验室的开发与实践应用[J].现代电子技术,2018,41(12):40-43.