摘要：随着科技的不断发展，单片机在教学和科研领域的应用越来越广泛。然而，传统的单片机教学方法往往理论与实践存在不兼容，学生缺乏实践的机会。本文介绍了一种自主研发的单片机教学实验箱的设计与实施。该实验箱紧密结合理论课程，具有模块化设计、独立与集成的有机结合等特点，旨在提高教育质量，培养学生工程思维和解决问题的能力，并探讨了其创新与特色带来的影响，以及应用前景与价值。

关键词：单片机；实验教学；教育质量

引言

目前，国家正在积极推进智能制造产业的升级，以提高制造业的竞争力[1，2]。单片机原理及应用是一门综合性、实践性、应用性很强的课程[3]，单片机技术在自动化控制、嵌入式系统和物联网等智能制造领域发挥着关键作用[4]。同时，在新工科背景下单片机教学建设与思考强调将理论知识与实际应用相结合，培养学生的实际应用能力[5]。

目前市面上单片机实验箱最小系统基本都在硬件上固化，学生在做实验的过程中，只是简单的将单片机引脚与外围固化电路连接，不利于学生理解单片机最小系统及外围电路的工作方式及原理，导致学生对单片机的应用理解不深入。将固化电路全部打散的方式为面包板加元器件，此种方式元器件太零散，杂乱，不利于实验课的开展。导致，理论教学与实践教学的结合不强，学生从理论课到实验课转换过程不顺畅[6]。

当前市场上，实验设备的采购成本往往较高，造成实验设备数量不足，学生难以将理论知识与实际操作相结合，从而影响教育质量。实验是培养学生实际操作能力和创新思维的重要途径，缺乏足够的实验设备和机会，将导致学生实验技能提升受阻，进而影响学习积极性。实验设备成本的降低意味着学校能够用更少的资金采购更多的设备，从而为学生提供更多的实验机会和更丰富的实验项目。

为了解决上述问题，本项目设计的实验箱，围绕教材一体化和降低成本两个目标，开发与理论课程内容密切相关的实验设备，确保实验箱的实验内容与课堂理论知识更好地衔接，以提高学生的学习效果，降低单片机实验箱的制造成本，以使其更加经济实惠，从而提供更多学生使用的机会。

项目实施过程

1. 调研阶段

本项目收集了学生和教师对于教学实验箱的需求和期望，深入研究与单片机理论课程紧密结合的教育理论，为实验内容的设计提供理论支持。通过调研，明确了与单片机理论课程更紧密的实验需求，为实验箱的设计提供了重要依据。

2. 方案设计阶段

根据调研结果，本项目制定了实验箱的功能需求，设计了实验箱的主要功能模块，包括主芯片及外围电子元器件的选型，必要的外围电路、通信接口等。在设计中，注重实验箱的模块化设计，以便于学生理解和操作。

3. 原理图及PCB设计

设计了实验箱的电路图，包括单片机最小系统、外围电路等各模块的连接关系。在设计中，确保电路符合理论课程的教学需求，与实际硬件相匹配。同时，设计适用于实验箱的电源系统，确保电源稳定、安全，满足实验需求。

4. 制板与测试

打样生产了设计完成的PCB，并采购了相关的电子元器件进行焊接。对单片机教学实验箱样机进行测试，包括电源测试、时钟测试、通信接口测试、外设测试、程序烧录测试等，确保各组件的正常工作。

5. 编程与实验指导书开发

选择使用Keil编写示例代码，并确保代码清晰、注释充分，易于理解。在此期间收集教师和学生的反馈，了解示例代码的易用性和有效性。根据反馈，对示例代码进行优化和改进，确保更好地满足教学需求。同时，编写了完备、清晰、易懂的实验指导书，为学生提供有力的实验指导。

创新点

紧密结合理论课程：本项目的实验箱设计紧密结合理论课程，使得实验内容与课堂理论知识有机衔接。在实验中引入相关理论知识，帮助学生更好地理解和应用所学的概念。

模块化设计：将实验箱划分为不同的模块，每个模块都专注于一个特定的实验项目。这样的设计使得学生有更清晰的学习规划和对单片机的功能模块有更深刻的认识。

独立与集成的有机结合：单片机所有的引脚全部引出，并且电源、复位、以及晶振都需要学生自己动手连接电路。外围电路如发光LED、数码管等也都各自独立，不与其他逻辑集成电路在硬件上焊接在一起，使学生有更大自由发挥的空间。连接电路所需要的电容、电阻、晶振插孔、按键等元器件集成到开发板上，做到了电路独立与集成的有机结合。这样既提高了学生的动手能力，加深对单片机最小系统及外围电路的理解，又使元器件的连接清晰、规范。

降低教学成本：自主开发的实验箱可以节省实验箱的采购成本，相同设备预算的情况下可以采购更多的自主开发设备，确保更多的学生都有实操的机会，使其可以更深入地理解和掌握课程内容。

影响与价值

提高教育质量：更贴切课程的实验箱将有助于提高学生的学术成绩和实际应用能力，培养工程思维和解决问题的能力。从而培养更多的工程师和技术人才。

促进创新和研究：学生和教师可以利用实验箱进行创新研究和项目，实验箱可作为科研人员的创新平台，用于验证新的单片机应用、算法和硬件设计。实验箱可以支撑学生的创新创业活动，为学生参加学科竞赛提供帮助。

服务社会：提供实验箱给企业，支持企业在实验箱上进行产品的开发测试，促进企业智能制造转型升级，推动科技产业的发展

结论

本项目开发的单片机教学实验箱实现了实践与理论的有机融合，为单片机教学提供了有力的工具和支持。该实验箱紧密结合理论课程，具有模块化设计、独立与集成的有机结合等特点。可以帮助学生更好地理解和应用所学的概念，在提高学生的学习效果和实际应用能力的同时降低了教学成本，为类似单片机课程改革提供参考。

参考文献

[1]徐伟悦，张晓花，郑剑锋，等.人工智能赋能单片机教学改革的创新路径研究[J].创新创业理论研究与实践，2024，7（18）：44-47.

[2]贾毅崇，陈锴，昌柯君，等.基于项目驱动的“单片机原理及接口技术”课程教学改革探索[J].南方农机，2024，55（12）：188-191+198.

[3]闫学勤，程志江，陈星志，等.虚实结合的单片机原理及应用虚拟仿真实验教学研究[J].中国教育技术装备，2024，（19）：87-91.

[4]周伟，尚冠宇.CDIO模式下“单片机原理及应用”课程教学改革对策探析[J].科教导刊，2024，（26）：122-124.

[5]操定友.新工科背景下单片机教学建设与思考[J].船舶职业教育，2024，12（04）：26-29.

[6]魏良，龚渝顺，陈碧华，等.面向综合能力培养的单片机教学模式探索[J].电气电子教学学报，2024，46（03）：49-52.

作者简介：崔庆虎，1988.07，男，山东聊城人，汉，实验师，硕士研究生，研究方向：电子与控制。