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
［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