面向工程強(qiáng)化實(shí)踐的“單片機(jī)”課程改革與探索

王金波?姜華?王學(xué)惠?王立新

摘要：“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是機(jī)械類等專業(yè)必須掌握的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)效果直接影響單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。針對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程自身的特點(diǎn)及傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的弊端，從課程人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段等環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革與探索并運(yùn)用在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，取得了明顯的效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)原理及應(yīng)用；教學(xué)改革；CDIO工程教育理念

作者簡介：王金波（1976-），女，黑龍江依蘭人，黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，副教授；姜華（1976-），男，滿族，遼寧鳳城人，黑龍江科技學(xué)院電信學(xué)院，工程師。（黑龍江 哈爾濱 150027）

基金項(xiàng)目：本文系黑龍江科技學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目“基于CDIO理念的單片機(jī)課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐”的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0077-03

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是機(jī)械、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化等專業(yè)一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程多基礎(chǔ)、多理論、實(shí)踐性較強(qiáng)，在教學(xué)過程中必須軟件硬件結(jié)合，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)單片機(jī)知識解決實(shí)際工程問題的能力。但是傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在課程內(nèi)容設(shè)置不合理、教學(xué)方法單一、重理論輕實(shí)踐、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)等諸多問題，再加上課程內(nèi)容較抽象，沒有直觀的教學(xué)儀器和設(shè)備，學(xué)生很容易產(chǎn)生厭煩心理、放棄學(xué)習(xí)，無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，嚴(yán)重影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文旨在運(yùn)用CDIO工程教育理念，采用先進(jìn)的教學(xué)方法和手段，切實(shí)改善“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為企業(yè)培養(yǎng)“留得下、用得上、出得去”的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)人才。

一、傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的主要問題

現(xiàn)階段，在具體的教學(xué)過程中，不但學(xué)生普遍感到難學(xué)，授課教師也存在許多困惑。問題的癥結(jié)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.課程內(nèi)容設(shè)置不合理

具體的授課內(nèi)容是以單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理為主線，先介紹單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，其次是指令、軟件編程，然后是單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展和各種外圍器件的應(yīng)用，最后列舉一至兩個(gè)實(shí)例。然而，當(dāng)教師講到單片機(jī)抽象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、七種尋址方式以及煩雜的111條指令時(shí)，大部分學(xué)生就已經(jīng)望而生畏了，漸漸失去了學(xué)習(xí)的興趣和信心。實(shí)際上，此時(shí)課程的核心部分，如軟、硬件開發(fā)的技巧學(xué)生還沒有開始學(xué)，他們甚至對一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的全過程都不了解。試想，如此這般的教學(xué)效果與課程的教學(xué)目標(biāo)是相背離的，完全抹殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)，對于學(xué)生的自信心會(huì)造成極大地摧殘，同時(shí)，為學(xué)生以后的學(xué)習(xí)設(shè)下障礙，進(jìn)而使培養(yǎng)單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)人才終將成為一句空話。

2.學(xué)生存在差異，教學(xué)方法單一

自1999年我國高校擴(kuò)招以來，高等教育規(guī)模迅速擴(kuò)大。然而，擴(kuò)招使得學(xué)生綜合素質(zhì)下降，對專業(yè)知識的理解和掌握存在較大差異；尤其是學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重滑坡，主要表現(xiàn)在：學(xué)習(xí)氛圍不濃、學(xué)習(xí)態(tài)度不端正、學(xué)習(xí)方法不科學(xué)。[1]同時(shí)，教師在授課過程中無視學(xué)生個(gè)體之間的差異，對學(xué)生施以相同的教學(xué)方法，主要以單一的灌輸為主，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的求知欲、主動(dòng)學(xué)習(xí)意識嚴(yán)重缺乏，課堂教學(xué)效果很差。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)

課程總學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)44學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置2個(gè)實(shí)驗(yàn)總計(jì)4學(xué)時(shí)，理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)是脫離的。教學(xué)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)驗(yàn)箱，但只有六個(gè)，且部分箱子已經(jīng)損壞，學(xué)生無法進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與搭接，只是簡單地連線，所以對于硬件設(shè)計(jì)無法進(jìn)行鍛煉；電腦也只有三臺是好使的，學(xué)生對軟件編程更是無法涉獵。實(shí)際上，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)就是演示性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是看下效果，同時(shí)，沒有設(shè)置課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，僅在下學(xué)期的期末設(shè)置一周（5天）工程實(shí)訓(xùn)，而且在后續(xù)課程里沒有與“單片機(jī)原理及應(yīng)用”這門課相關(guān)的課程。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，機(jī)電專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)有近一半用到單片機(jī)相關(guān)知識，同時(shí)畢業(yè)生有近30%從事單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的工作。由此不難看出，這種實(shí)踐條件根本就無法培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，嚴(yán)重影響了學(xué)生的畢業(yè)與就業(yè)。

4.教師隊(duì)伍年輕化

目前，本課程教師大部分是學(xué)校到學(xué)校的理論型、學(xué)術(shù)型青年教師；同時(shí)，由于教學(xué)任務(wù)繁重，教師缺乏機(jī)會(huì)和渠道接觸實(shí)際的工程項(xiàng)目；對于本學(xué)科的前沿知識匱乏；獨(dú)立承擔(dān)及完成單片機(jī)開發(fā)的科研項(xiàng)目能力比較弱。因此，在具體教學(xué)過程中，教師理論聯(lián)系實(shí)際的能力一般，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生的理論與實(shí)踐脫節(jié)，實(shí)際動(dòng)手能力、分析問題、解決問題的能力較差，極大地影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。[2]

二、CDIO工程教育理念

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是由美國麻省理工學(xué)院、瑞典哥德堡查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院和瑞典林雪平大學(xué)等4所工程技術(shù)大學(xué)發(fā)起的一項(xiàng)工程教育改革計(jì)劃，以產(chǎn)品生命周期上的四個(gè)環(huán)節(jié)——構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)行（Operate）代表四個(gè)教育和實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)。換言之，CDIO是產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期。[3]CDIO改革的主要目標(biāo)是以C-D-I-O的產(chǎn)品生命周期為教育背景，以工程實(shí)踐為載體，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)工程技術(shù)知識，培養(yǎng)動(dòng)手操作能力，使學(xué)生在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中引導(dǎo)創(chuàng)新，并理解研究和技術(shù)發(fā)展對社會(huì)的重要影響，承擔(dān)培養(yǎng)工程科技人才的社會(huì)責(zé)任。

CDIO工程教育理念是一整套符合工程科技人才成長規(guī)律和特點(diǎn)的教育模式，是全面培養(yǎng)發(fā)展創(chuàng)新型工程科技人才的有效途徑和方法。在“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)中運(yùn)用CDIO工程教育理念，將理論與實(shí)踐相結(jié)合、教育與工程實(shí)際相結(jié)合、知識與技能相結(jié)合，改進(jìn)課堂教學(xué)、啟發(fā)學(xué)生思維、增強(qiáng)學(xué)生的思考能力和動(dòng)手能力，為學(xué)生學(xué)好后續(xù)專業(yè)課程、更好地完成課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)，可強(qiáng)化黑龍江科技學(xué)院的“大德育、大工程、大實(shí)踐”的教育理念，[4]彰顯辦學(xué)特色；能夠大力培養(yǎng)思想道德素質(zhì)高，基礎(chǔ)理論扎實(shí)、知識面寬、實(shí)踐能力強(qiáng)，具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級專業(yè)人才，為人才更好更快地服務(wù)地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)，起著重要的指導(dǎo)作用。

三、教學(xué)改革的主要環(huán)節(jié)

1.制定課程的人才培養(yǎng)目標(biāo)

深入從事單片機(jī)開發(fā)及應(yīng)用企業(yè)，了解企業(yè)對人才的需求；走訪同類院校，進(jìn)一步搜集、整理“單片機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)中好的做法，系統(tǒng)制訂課程的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

2.課程體系的改革

打破原有的課程體系。根據(jù)CDIO工程教育理念，構(gòu)建理論與實(shí)踐相結(jié)合、教育與工程實(shí)際相結(jié)合、知識與技能相結(jié)合的課程體系。

3.教學(xué)內(nèi)容的改革

打破原有以教材內(nèi)容為主的教學(xué)內(nèi)容。通過對企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，了解企業(yè)對單片機(jī)技術(shù)人才需求狀況，經(jīng)過座談、討論由企業(yè)專家和教師共同確定課程面向的工作崗位，形成若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，把每一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目分解為若干個(gè)學(xué)習(xí)性工作任務(wù)，最后形成以項(xiàng)目為導(dǎo)向、以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、將知識傳授與能力培養(yǎng)融為一體的教學(xué)內(nèi)容。

4.教學(xué)模式的改革

本課程將采用“全過程工學(xué)結(jié)合”的教學(xué)模式，即將傳統(tǒng)教學(xué)中的教室移至校內(nèi)實(shí)訓(xùn)室，以實(shí)訓(xùn)室真實(shí)的場景、真實(shí)的設(shè)備為背景，按照教、學(xué)、做一體化的教學(xué)模式進(jìn)行仿真教學(xué)，使學(xué)生在校內(nèi)就可進(jìn)行單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)等能力的訓(xùn)練，并將職業(yè)道德和情感態(tài)度有機(jī)地融合，為學(xué)生畢業(yè)與就業(yè)的“零距離”對接奠定基礎(chǔ)。

5.教學(xué)方法和手段的改革

在具體教學(xué)環(huán)節(jié)中，主要采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”、“小組合作學(xué)習(xí)”及“案例分析”等先進(jìn)教學(xué)方法，讓學(xué)生“學(xué)中做、做中學(xué)”，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)合作精神，同時(shí)對學(xué)生的人文素養(yǎng)、職業(yè)道德和法律知識進(jìn)行強(qiáng)化。

運(yùn)用模塊化機(jī)器人、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱及開發(fā)板等實(shí)訓(xùn)設(shè)備，進(jìn)行仿真一體化教學(xué)，將現(xiàn)代教育技術(shù)，即PPT技術(shù)、Flash技術(shù)及視頻技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引進(jìn)課堂教學(xué)，通過大容量的信息和豐富多彩的形象描述與實(shí)物展示，將課程中抽象的內(nèi)容形象化、真實(shí)化，有效地化解教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而提高教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)效果。

整合、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，利用Proteus等仿真軟件建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)加強(qiáng)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)，為學(xué)生在校體驗(yàn)單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)全過程奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，充分調(diào)動(dòng)企業(yè)的積極性，建立校企合作機(jī)制，采取“校企合作”的方式，建立校外實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)現(xiàn)“校企雙贏”的目標(biāo)。

建立單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng)站，讓學(xué)生課下也能自主地學(xué)習(xí)和交流。同時(shí)，開展學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃，使學(xué)生接受特定的科學(xué)研究方法訓(xùn)練，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的工程意識及工程實(shí)踐能力。

聘請企業(yè)專家作為兼職教師，定期開設(shè)與單片機(jī)系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)相關(guān)的學(xué)術(shù)講座使學(xué)生了解、掌握行業(yè)最前沿的科技動(dòng)態(tài)，從而為培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6.評價(jià)與考核方式的改革

為了更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，全面客觀地考查學(xué)生的綜合素養(yǎng)，課程采用過程評價(jià)與課程評價(jià)相結(jié)合的方式，即根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)性工作任務(wù)實(shí)施過程中的表現(xiàn)、學(xué)習(xí)成果等進(jìn)行任務(wù)評價(jià)，每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目完成后，組織一次項(xiàng)目評價(jià)；當(dāng)所有教學(xué)項(xiàng)目完成后進(jìn)行課程評價(jià)。過程評價(jià)與課程評價(jià)的成績比重為6∶4。[5]

四、教學(xué)設(shè)計(jì)

有效的教學(xué)設(shè)計(jì)有助于學(xué)生開展具體學(xué)習(xí)活動(dòng)，糾正學(xué)生行為以幫助學(xué)生有效地完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)設(shè)計(jì)堅(jiān)持以項(xiàng)目為導(dǎo)向、以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、基于完成任務(wù)的工作過程進(jìn)行設(shè)計(jì)；以學(xué)生職業(yè)能力培養(yǎng)為主線，突出綜合素質(zhì)培養(yǎng)。其中包括：制定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法與組織形式以及評價(jià)是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的方法。下面通過具體設(shè)計(jì)一次課來闡述相關(guān)環(huán)節(jié)。

教學(xué)內(nèi)容——學(xué)習(xí)項(xiàng)目：模擬汽車轉(zhuǎn)向燈；任務(wù)單元：轉(zhuǎn)向燈的閃爍。

教學(xué)目標(biāo)——專業(yè)能力目標(biāo)：了解單片機(jī)I/O口的結(jié)構(gòu)，掌握單片機(jī)與發(fā)光二極管接口電路的設(shè)計(jì)方法；引入延時(shí)的概念，掌握延時(shí)子程序的作用。方法能力目標(biāo)：具備自學(xué)能力、理解能力與表達(dá)能力。社會(huì)能力目標(biāo)：具備團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、計(jì)劃組織能力與安全意識。

教學(xué)方法與組織形式——教學(xué)方法：在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)室，運(yùn)用多媒體及實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源，采用“以項(xiàng)目為導(dǎo)向，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法，融教、學(xué)、做于一體。組織形式：全程采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的形式，讓學(xué)生在完成“任務(wù)”過程中掌握知識、技能和方法；真正體現(xiàn)教學(xué)中學(xué)生的主體地位和教師的主導(dǎo)地位；充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)能力，鍛煉他們的創(chuàng)造性思維，全面提升他們的綜合素質(zhì)。教學(xué)過程：具體教學(xué)過程如圖1所示。

情景導(dǎo)入（5分鐘）：播放正在路上行駛汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的視頻，引入具體學(xué)習(xí)項(xiàng)目，分成兩個(gè)工作性任務(wù)，本次課只完成第一個(gè)任務(wù)——轉(zhuǎn)向燈的閃爍。任務(wù)分析（5分鐘）：明確具體任務(wù)要求——AT89C51單片機(jī)作為主控機(jī)，用發(fā)光二極管模擬汽車轉(zhuǎn)向燈，設(shè)計(jì)發(fā)光二極管與單片機(jī)的接口電路，編寫軟件流程圖。小組討論（20分鐘）：學(xué)生分小組討論，自行完成相關(guān)任務(wù)，教師給予必要指導(dǎo)。任務(wù)完成后，選派一組來陳述任務(wù)具體完成情況。教師點(diǎn)評（15分鐘）：根據(jù)學(xué)生陳述情況，采用鼓勵(lì)、贊許等語氣進(jìn)行點(diǎn)評，指出其設(shè)計(jì)中可取的方面以及存在的不足。同時(shí)，對于小組討論時(shí)發(fā)現(xiàn)的共性問題進(jìn)行分析、講解相關(guān)知識。任務(wù)設(shè)計(jì)（40分鐘）：其他各組根據(jù)教師講解的相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)一步完善任務(wù)，在此基礎(chǔ)上完成硬件電路的焊接，源代碼的編寫、編譯、下載以及演示。最后，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評價(jià)。任務(wù)拓展（1分鐘）：要求學(xué)生利用課余時(shí)間，完成單片機(jī)與繼電器接口電路的設(shè)計(jì)。回顧總結(jié)（3分鐘）：由學(xué)生總結(jié)本次課的重點(diǎn)內(nèi)容，教師加以歸納、補(bǔ)充。任務(wù)布置（1分鐘）：布置下次課任務(wù)——按鍵模擬轉(zhuǎn)向開關(guān)控制轉(zhuǎn)向燈閃爍，同時(shí)，布置預(yù)習(xí)及查找的相關(guān)內(nèi)容。

與此同時(shí)，教師還采用國際通用的PDCA（戴明環(huán)）循環(huán)管理系統(tǒng)，即Plan（制定計(jì)劃）、Do（具體實(shí)施）、Check（檢查與分析）及Action（評價(jià)與調(diào)整）對整個(gè)教學(xué)過程進(jìn)行管理，采取反思性教學(xué)，這樣每一輪下來都有不同的收獲，不但逐漸提升了課堂教學(xué)質(zhì)量，而且自身的教學(xué)水平也得到了顯著提高。具體步驟如圖2所示。

經(jīng)過全體課題組教師的不斷努力，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革已經(jīng)取得了初步成效，教學(xué)效果得到了顯著提高。通過對黑龍江科技學(xué)院2008級和2009級學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識得到了極大增強(qiáng)，由原來的怕學(xué)、厭學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橄矚g學(xué)這門課程。課程結(jié)束后，一些學(xué)生成為本校航模協(xié)會(huì)、大學(xué)生科技協(xié)會(huì)等社團(tuán)組織優(yōu)秀隊(duì)員；部分學(xué)生通過導(dǎo)師制參與到教師的科研項(xiàng)目中，在這一過程中，學(xué)生的工程意識、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和職業(yè)素養(yǎng)得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，縮短了與企業(yè)之間的距離，進(jìn)而得到了用人單位的認(rèn)可。同時(shí)，教師的教學(xué)水平也得到了明顯提高，對加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)起到了積極的作用。今后還將繼續(xù)努力，不斷研究、探索更為先進(jìn)的教育理念和方法，進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為企業(yè)培養(yǎng)更優(yōu)秀的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人才。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）