應用型人才培養需求下單片機課程教學改革

謝 云 王 艷 馬逸新

南京理工大學紫金學院 江蘇南京 210023

應用型人才培養需求下單片機課程教學改革

謝 云 王 艷 馬逸新

南京理工大學紫金學院 江蘇南京 210023

單片機原理及應用是電氣信息類專業中一門應用性較強的課程，在應用型人才培養計劃中有著至關重要的課程地位，它不僅銜接著整個專業計劃中的基礎課程與專業課程，同時也承擔著提高學生實踐動手水平，知識轉化為實際應用技能的教學任務。根據單片機原理及應用課程的特點，開展新模式課程教學，通過典型案例為主線整合知識體系，引入新考評機制，加強校企合作，拓寬課程發展渠道，最終實現學生進行自我學習管理，增加團隊合作意識，提高解決問題能力，提升教學效果。

應用型人才；教學案例；教學效果

2014年3月教育部改革方向已經明確：全國普通本科高等院校1 200所學校中，將有600多所逐步向應用技術型大學轉變，轉型的大學本科院校正好占高校總數的50%[1]。應用型本科重在“應用”二字，要求以體現時代精神和社會發展要求的人才觀、質量觀和教育觀為先導，以在新的高等教育形勢下構建滿足和適應經濟與社會發展需要的新的學科方向、專業結構、課程體系，更新教學內容、教學環節、教學方法和教學手段，全面提高教學水平，培養具有較強社會適應能力和競爭能力的高素質應用型人才。要求各專業緊密結合地方特色，注重學生實踐能力，培養應用型人才，從教學體系建設體現“應用”二字，其核心環節是實踐教學。

通常來說“應用型人才”這一定義是指把成熟的技術和理論應用到實際的生產、生活中的技能型人才。即：能將專業知識和技能應用于所從事的專業社會實踐的一種專門的人才類型，是熟練掌握社會生產或社會活動一線的基礎知識和基本技能，主要從事一線生產的技術或專業人才，其具體內涵是隨著高等教育歷史的發展而不斷發展的。

隨著電子技術的飛速發展，學科方向與技術門類劃分日益細化、專業化，電子設備及器件往高速化、微型化、低功耗、網絡化、智能化邁進。單片機作為電子技術中經典的器件歷經數代發展、演進之后，它的應用已經滲入到生產生活的各個領域[2]。如智能家電、智能儀表、汽車導航、高速列車控制系統、飛行器導航裝置、醫療器械、物聯網通訊、網絡數據終端、工業自動化控制和數據處理、機器人技術等[3]。顯然，掌握單片機技術已經成為電氣信息類工程師的必備專業技能，同時相關領域對技術人才的需求量也非常大，所以諸多院校在當前應用型人才培養背景下尤其注重電類工科專業的單片機原理及應用課程的發展，并將其定位為專業必修課程。

1 單片機課程教學改革具體內容

1.1 整合課程知識體系

單片機原理及應用課程中所涉及的基本概念、專業術語、指令系統、外圍芯片等較多，如果不對課程知識體系進行有效梳理整合，那么將無法把握到知識間的關聯性，更談不上如何掌握知識，如何應用知識。例如，以往我們講授知識是以章節編排順序進行，先講單片機課程概述、然后講單片機硬件系統、軟件系統(匯編指令系統、C語言編程)，接著講單片機內部功能部件(定時器、串行接口、中斷管理系統)，最后講單片機資源擴展、功能擴展和系統設計。學生在授課過程中雖然學習了整個課程的所有知識點，但是，當實際要將軟件與硬件知識結合完成一個簡單的單片機應用系統設計時卻感到無從下手。學生普遍反映該門課程概念枯燥，指令繁雜，應用抽象。基于以上信息反饋，筆者從多年的實際教學經驗出發，對教學大綱中所涉及的知識點、知識單元進行重新整合，采取知識模塊化，從單片機系統應用的角度將課程中所涉及的知識點劃分為以下幾個模塊：單片機最小應用系統、I/O接口(顯示器、鍵盤)、 內部部件資源(中斷管理系統、定時/計數器、串行通信)、外部部件資源(并行擴展、串行擴展)。

同時，借鑒現代高等教育中的案例教學法，以典型案例為主線串接起各個知識模塊。案例的設定滿足知識間的遞進規律，學生的認知規律，具有可實現性、層次性、關聯性、靈活性與可擴展性。在案例的分析過程中同時兼顧硬件電路設計與軟件編程，即同步實現電路設計模塊化、軟件編程模塊化，這樣能有效引導學生掌握實際產品開發中系統設計的基本方法和實現思想。以單片機最小系統為基礎，通過不同案例逐步帶入知識模塊，硬件設計中順序添加數碼管顯示模塊、鍵盤模、定時/計數器和中斷管理系統等；同時，軟件設計中順序添加C語言基礎語法、I/O口輸入/輸出程序控制、數碼管靜態顯示程序控制、數碼管動態顯示程序控制、定時/計數器驅動程序、查詢方式處理定時器溢出和鍵盤掃描和中斷方式處理定時器溢出和鍵盤掃描等，部分案例與課程知識體系關系表如表1所示。教學過程中學生親自動手實踐，通過分析、解決這些典型案例不僅能產生直觀的、生動的體驗感觸，最為關鍵的是新知識點仍然在后續知識點中有所體現，這樣就創建了一種有形的知識關聯路徑，便于學生自我構建對課程知識結構體系的有效認知。當然以上示范的僅僅是教學案例中的很小部分，其共性的特點是注重基礎，通用性強，但是沒有體現出較強的專業應用，或者換個角度說課程教學中需要加強案例設計方面的專業特點以便適宜來自不同專業學生的發展需求。課程最后環節是通過引入專業性較強的系統級案例來進行分方向教學，部分單片機應用系統案例與適用專業關系見表2。系統級的案例中都有涉及專業培養計劃中一些其他課程，例如電工電路、模擬電路、數字電路、C語言、傳感器技術等，這樣有益于學生了解專業課程體系，拓寬學生的專業視野，培養學生的應用能力[4]。

表1 案例與課程知識體系關系

表2 單片機應用系統案例與適用專業

1.2 課堂教學組織新思路

課堂教學中根據實施時間先后分為4個環節，引入基礎案例進行知識講授、課后分組進行案例拓展、課中分組匯報與討論分析、課后總結形成文檔報告。為了促進每個學生積極參與到課程學習，開課前在授課教師的引導下全體學生經過協商自愿組成學習小組，每個小組推選一位負責人擔任小組長，由小組長負責組織本組成員在課后開展案例拓展工作；安排本組某一成員作為代表在課堂匯報環節講述案例拓展思路并展示軟、硬件的成果，同時小組長擔任課堂匯報環節中其他小組的評委，針對案例拓展工作量是否達標，硬件電路是否標準、軟件設計是否規范、預期功能是否實現以及軟件操作是否熟練等項進行評判并給出評分；課后組織組員按照課堂集中討論分析的結果以及授課教師和其他小組給出的意見進行方案改進，并總結形成報告文檔。

1.2.1 知識模塊案例化講授

以知識模塊化為基礎，結合典型的案例，先提出問題，然后引導學生分析問題，接著提出解決相應具體問題所涉及的基礎知識和基本原理。例如，講授單片機硬件系統時，通過單片機最小系統設計這一案例，依次提出若干個關聯性問題：單片機最小系統包括哪幾部分電路？如何實現單片機系統復位？系統復位后，MCU芯片內部各部件的初始狀態如何？系統工作的時鐘來源哪里？單片機最小系統進行應用擴展時與外部器件、設備信息交換的通道是什么？通過一個個問題的剖析順序代入與講解最小系統組成，復位電路、時鐘電路、初始狀態等知識。以該案例為鋪墊可以接著設定引出下一個案例，例如模擬開關或廣告流水燈控制，提出以下若干問題：單片機I/O引腳如何驅動一個發光二極管？如何實現兩種狀態間延時時間的控制?如何讀取單片機I/O引腳的輸入狀態？授課教師將會從I/O引腳內部結構出發，結合C51語言編程來講授與案例有關的電路與程序設計、軟件仿真分析以及硬件制作。以此類推，設定的案例逐步升級，涉及的知識模塊也在不斷疊加，最終完成所有知識點的鏈接與集成。案例分析是知識點的應用，知識點又應用于案例，原理與實踐融合成有機整體。

1.2.2 課后分組完成案例拓展

以課堂上教師講授的案例為基礎，各學習小組進行案例拓展，拓展內容自由發揮，形式可以多樣，拓展內容大體涉及：硬件拓展升級和軟件拓展升級。硬件拓展升級是指學生可以在原有案例基礎上增加內部功能部件的使用或添加新的外圍電路使得硬件系統更加復雜。軟件拓展升級是指學生保留原有案例硬件電路的基礎上，完善程序，豐富其功能，又或者是基于硬件拓展升級進一步實現新的設計理念從而產生一個全新的系統化成果。例如，顯示器模塊，教師可以引入基礎案例，例如：實現兩個獨立數碼管靜態顯示任意整型數，那么各小組的拓展思維可以向多方向發展，以下用框圖展示某一組學生采用的拓展路徑(如圖1所示)。

圖1 案例拓展思維路徑

課后學生完成案例拓展工作，就必須要鞏固知識、查閱資料、集體討論、仿真分析與驗證。學生在這樣的實踐過程中逐步得到鍛煉，而團隊式的學習，更有利于他們集體意識、組織能力、合作精神的培養，與應用型人才整體素質的發展目標相一致。

1.2.3 課上分組匯報與評分

案例拓展的成果將由本組選派的代表向全體同學和老師陳述，包括拓展思路、硬件電路設計、軟件功能規劃以及編程思想等。陳述后，由評委組按照各評分項標準做出評分(評委組由授課教師、各組小組長組成)、點評以及改進建議。最后，全體學生參與討論優勝小組的評定以及優秀拓展案例的篩選。評分結果將按比例計入平時成績，小組成績即為組內各成員在拓展環節中的成績[5]。

1.2.4 課后改進與總結歸納

根據課上評委組給出的建議，各學習組進行設計方案完善，并總結歸納形成文檔，文檔中要求進一步分析闡述案例與所涉及的基礎知識、基本原理的關聯性，目的在于促進學生對知識的內化吸收。

1.3 建設立體化教學資源

課堂教學的推進離不開教學資源作為基礎與后盾，同時教學資源又是課堂教學的擴充與延伸。除了與課程內容契合較好的教材、PPT以外，隨著新媒體應用的影響，學生的學習行為也在改變，新學習行為對傳統教學資源與教學手段也提出了新要求。授課教師有必要將文字化的、平面化的教學資源借助互聯網時代的新媒體技術進行重新構建，形成立體化、移動式教學資源。例如，知識講授、案例軟件仿真、實物制作都通過微視頻呈現，并且上傳到網絡平臺供學生點播，這樣學生在課余時間有條件重溫課堂，加深印象。

教學資源的來源也不再局限于書本、基礎實驗平臺，而是加強引入企業資源，促進課程發展與市場主流技術的銜接。單片機課程的授課內容先以MCS-51系列作為入門基礎，在學生了解了單片機技術并掌握了單片機應用系統開發流程之后，給學生提供升級版的單片機技術資源。例如，我校與美國德州儀器公司(TI)合作，引入MSP430xxx系列超低功耗單片機的軟、硬件開發平臺。這樣基礎教學將會緊隨社會發展，也有利于培養學生對新技術的學習和應用能力。

1.4 實施考核新機制

考核既是對教師教學效果的一種評判，同時也是學生學習源動力的一種激勵因素。以往對學生課程學習情況的考核主要采取筆試形式，側重考察學生知識記憶、計算、分析問題這些方面的能力，而對學生的知識綜合應用以及實踐能力的關注有所忽略或重視不夠。顯然，改變單一的考核形式在新教學活動中顯得尤為重要。新的考核機制中，學生的最終成績有三大部分組成：平時成績、實踐成績以及筆試成績。平時成績包含到課考勤情況、案例匯報評分與案例拓展報告得分，占總成績的30%；實踐成績含實驗課程完成情況與拓展案例樣品實現情況，占總成績的30%；筆試成績側重考察基礎知識、基本原理的掌握情況，占總成績的40%。新的考核機制以應用能力為目標設計評估標準，關注學生的學習過程和效果，尤其是學生在平時的學習過程中所取得的進步。教師的角色定位也有所調整，在教學活動中以引導學生發現問題，鼓勵學生解決問題，促進學生逐漸進步和成長為主導目標，而不是扮演站在學生對立面的“審判員”；同樣，學生互評環節創造機會使得學生學會觀察別人的長處，并對自身的學習成果進行反思。

2 結束語

面向應用型人才培養目標，針對傳統單片機課程教學中的實際問題，在教學方法、教學資源和教學手段等方面做了一定的革新與探索，尤其是在課程知識體系構建、案例設定、教學資源新媒體化、考核機制方面取得了一定成績，積累了一些經驗。教與學是個互助的過程，是個可持續發展的過程，只有在教學實踐中不斷探索，始終與教育發展、社會發展保持一致，才能培養出符合社會需求的應用型人才。

[1]600多所本科高校將轉向職業教育[N/OL].http://news.sina. com.cn/o/2014-05-11/015930106772.shtml?qq-pf-to=pcqq.c2c.

[2]梁璐.基于開發板的單片機案例教學探索[J].寧夏師范學院學報:自然科學,2012,33(3):92-94.

[3]陳慕君,張劍鋒.高職高專單片機教學改革思路探索[J].黑龍江科技信息,2011,19(1):156-157.

[4]劉敏華,賈仙魚.電路分析基礎案例庫的設計與應用[J].中國現代教育裝備,2012,155(19):48-55.

[5]趙鴻圖.單片機課程教學中的案例教學法研究[J].科技創新導報,2008(32):149-151.

Reform of SCM Teaching in the Demand of Application-Oriented Talents Cultivation

Xie Yun, Wang Yan, Ma Yixin

Zijin College, Nanjing University of Science and Thechology, Nanjing, 210023, China

SCM course is a very practical, comprehensive application-oriented courses in Electronics and Engineering field, it occupies a critical position in Applied talent cultivation. SCM course connected with foundation courses and professional courses, enhanced student’s capability to transforming theory into practice. This paper based on characteristics of SCM course, it carried out a new teaching model with typical cases and new evaluating system. Through cooperation between campus and company, enhance students’ self-study, team-work and problem solving ability, eventually improve SCM course teaching effect.

application-oriented talents; teaching cases; improving teaching effects

2016-03-22

謝云，碩士，講師。

南京理工大學紫金學院教育教學改革研究一般項目“案例教學法在《微機與單片機原理及應用》教學中的應用研究”(編號：20130102001)。