工程教育專業認證背景下“單片機原理及應用”課程實驗教學改革研究

張典　莊克玉　張奇志

【摘 要】工程教育專業認證是由行業協會、專業學會等領域的專家對高等院校開設的工程類專業教育開展的認證，旨在為工程技術人才從業提供教育質量保證。在工程教育背景下，文中提出了單片機原理及應用課程教學改革方案，首先介紹了專業認證的意義，然后通過具體課程知識的結構、課程教學改革、考核方式的改革開展分析，給出了適應工程教育專業認證要求下的“單片機原理及應用”課程教學模式。

【關鍵詞】工程教育；專業認證；單片機原理及應用；教學改革

中圖分類號： TP29， 文獻標識碼：A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0043-002

Under the Background of the Professional Education of Engineering Education， “The Principle and Application of Single Chip Microcomputer” Research on Experimental Teaching Reform

ZHANG Dian ZHUANG Ke-yu ZHANG Qi-zhi

（School of Automation and Electronic Engineering， Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266061， China）

【Abstract】The engineering education certification is a certification of engineering specialties offered by colleges and universities in the fields of industry associations， professional societies and other fields， aiming at providing education quality assurance for engineering and technical personnel. Under the background of engineering education， this paper proposes the principle of SCM and the teaching reform of the applied curriculum. Firstly， it introduces the significance of professional certification. Then， through the analysis of the structure of specific curriculum knowledge， the teaching reform of the curriculum and the reform of assessment methods， Education Professional Certification Requirements of the “SCM Principle and Application” teaching mode.

【Key words】Engineering education； Professional certification； SCM theory and application； Teaching reform

0 引言

我國從2015年開始開展工程教育專業認證試點工作，目的是為了工程教育改革，提高工程教育畢業生的質量，同時促進該教育國際認同和提升我國工程技術人才的國際競爭力和影響力。2016年6月，我國正式加入《華盛頓協議》，這標志我國的工程教育體系得到了國際組織的認可，教育部、財政部在“實施本科教學工程”的意見指出，將明確建立自動化、測控等專業認證體系作為主要建設內容之一。因此，全國很多有工程背景的高等院校紛紛開展工程教育專業認證工作。青島科技大學的自動化專業是山東省特色專業，培養適應現代科學技術與經濟社會發展需要，理論與實踐相結合，科學素質與人文素質協調發展，具備控制理論與控制工程技術的高級工程技術人才。

為契合目前專業認證的大背景，自動化專業的培養方案、課程體系、教學目標和方法、考核方式等均需要做出重大改革。本文以青島科技大學自動化專業的“單片機原理及應用”課程為例進行工程教育專業認證背景下的教學改革研究。

1 課程特點及存在的問題

自動化專業專業主要研究工業生產過程中的自動控制理論及實現技術，自動化單元技術和集成技術。它以自動控制理論為基礎，以電子技術、電力電子技術、傳感器技術、計算機技術、網絡與通信技術為主要工具，面向工業生產過程自動控制及各行業、各部門的自動化。它具有控制與管理結合，強電與弱電并重，軟件與硬件協調等鮮明特點，是多學科交叉的寬口徑工科專業。“單片機原理及應用”課程是自動化專業的必修專業基礎課，總學時是48學時，其中包括課堂32學時，實驗16學時。課程融合了數字電路、高級語言、控制原理等相關課程知識，同時也是一門實踐性很強的課程。從現代工程認證的角度看傳統的課堂模式，存在諸多弊端，具體如下：

（1）該課程知識面寬，內容抽象枯燥，教師的講解和學生的學習難度都比較大，教師課堂講授為主的傳統教學模式，學生被動地接受知識，不利于發揮學生學習的主動性，嚴重影響教學效果。目前我校該課程主要教學內容包括MCS-51單片機寄存器結構、引腳功能、總線與時序、存儲器擴展、指令系統、程序設計、接口電路等。實驗使用SXL-100B+（PCI）實驗箱，實驗箱內硬件結構已經固定，實驗項目也主要是由生產商預先給出，實驗內容難以突破實驗箱的限制，某些創新性的實驗項目無法開出，與工程認證的思想相違背，同時維護實驗箱很不方便[1-2]。

（2）“驗證性”的實驗教學方式

傳統模式的實驗課程中，驗證性實驗過多，實驗項目傾向于對理論講述知識的驗證，沒有趣味性的實驗，幾乎沒有創新性的實驗，與工程教育專業認證指導思想相違背，不能充分發揮學生的主觀能動性，無法培養創新性工程師。在實驗過程中，學生完全參照實驗指導書，每2人一組，按部就班地輸入指令和連線操作，在實驗設備上觀察應出現的特定現象等，學生幾乎沒有獨立思考和設計創新的機會[3-4]。

從以上幾點可以看出，以往的“單片機原理及應用”教學輕視了動手能力的培養，也忽視了團隊協作精神和終身學習的能力的提升，與專業認證的理念要求有很大差距。本研究正是在以上幾點不足的基礎上提出的。

2 工程教育專業認證背景下教學改革思路

2.1 課堂教學的改革

“單片機原理及應用”課堂教學占32個學時，為了取得良好的課堂效果，根據專業特色和要求，選定一本合適自動化專業的教材。教研室課題組老師們反復研究，最終選擇姜志海編著的《單片機原理及應用》（第4版），本書從教學的角度出發，系統、全面地介紹51系列單片機的基本知識，是一本重在原理與應用、兼顧理論的實用教程。主要內容包括：概述、51系列單片機硬件結構、單片機指令系統、匯編語言程序設計、中斷及定時器/計數器應用基礎、串行口應用基礎、并行擴展接口技術等。在上課過程中，徹底改變了傳統“滿堂灌”式的教學模式，采用設問、研討式的教學方式，使學生從被動學習變主動學習，其主要方法是在每節課前，根據課程各部分的知識點提出問題，可以將學生分成幾個討論小組，讓學生查閱資料，然后通過在實驗課上討論和陳述觀點使學生牢固掌握知識點，充分調動學生的主動性和積極性，活躍教學氣氛，提高教學效果。

2.2 實驗教學改革

根據工程教育專業認證指導思想的要求，課程實驗教學改革使學生具備掌握單片微機指令系統、硬件結構、程序設計等方面的知識。具體實施如下：

（1）驗證性實驗教學：在課堂教學過程中，根據課堂講授和實驗指導書設置實驗內容和實驗要求，學生根據課堂所學知識作好實驗預習，并在實驗課上進行驗證。教師應在實驗課上與學生分析實驗現象和實驗結果，解決實驗過程中遇到的問題，讓學生掌握實驗驗證理論的分析過程和方法，加深理解指導實踐、實驗驗證理論的過程。

（2）項目式開發實驗教學：經歷幾次驗證性實驗后，比如匯編語言排序實驗、簡單的I/O接口實驗，學生能夠按照實驗指導書進行程序輸入、硬件連線的操作后，迫切希望自己動手設計一個有點難度的實驗。此時可以要求學生完成一些項目式開發實驗，可以設計利用8255實現LED顯示實驗、8253定時/計數實驗、以及難度更大的十字路口交通燈控制實驗、直流電機調速實驗等實驗。在具體實驗項目中，不設定標準答案，只要學生能夠正確實現功能即可。經歷過項目式開發實驗后，學生能夠進一步加深對本課程的認知和理解，極大提高了學生的創新熱情和自信心。

實驗教學內容應引導學生充分發掘和選取合適的項目課題，充分調動大學生的主觀能動性，發揚團隊合作精神，是學生學習效果達到課程大綱的要求，同時具備了終身學習的能力。在項目開發類的實驗中，可以將一個復雜的實驗項目分成幾個相對獨立的小項目，通過小項目的訓練學生能夠實現掌握復雜項目的能力，使得學生既有整體的認識，又有專業的訓練，進而在校園里就能獲得較為豐富的工程實踐經驗。

3 教學大綱的修訂

針對傳統“單片機原理及應用”課堂教學和實驗教學出現的種種弊端，學院組織自動化專業教研室和專業教師對本課程的教學大綱做了較大修訂。對于課程的性質、目的和教學任務做了較為詳細的規定，課程性質為自動化專業的專業必修基礎課，是一門面向工程應用、具有很強的實踐性、創新性的課程。教學目的是通過本課程的學習，學生能夠掌握單片微機的硬件結構、指令系統、引腳功能、系統擴展、高級語言程序設計等方面的知識和每個章節需要講述的內容太；同時給出了4點教學目標：

（1）了解單片微機發展歷程和現代單片機的發展趨勢。

（2）掌握現代單片微機體系結構、引腳功能、程序設計等方面內容。

（3）能夠利用單片微機開展工程設計和實驗設計、并給出正確答案。

（4）學生通過此課程的學習，具備團隊合作能力和終生學習的能力。

4 考核方式改革

學生考試成績不僅是學生最為關心的焦點之一，也是用人單位作為對畢業生能力評價的一個重要標志。在傳統的教學模式下，學生的考試成績由期末一張試卷評定，忽略了學生學習的過程評價，在工程教育專業認證的背景下，這種考試模式的弊端顯得尤為突出。我院召集了自動化專業教研室的教師及涉及到自動化專業課程的老師一起，探討專業認證背景下，如何改革課程的考核方式，根據“單片機原理及應用”課程特點及專業特點，具體改革方式如下：

學生的最終成績是由平時成績和期末考試成績構成。具體分配如下，實驗課程分為8個實驗（6個驗證性和2個項目式開發實驗），每個實驗滿分10分，8個實驗共80分，實驗報告占20分，這兩個成績占總成績的60%，期末考試成績滿分100分，占總成績的40%。

5 總結與展望

“單片機原理及應用”實驗課程是是一門理論性比較強，且與工程實踐聯系相對緊密的課程。論文給出了傳統課堂講授方式、課程考核的弊端，引出工程教育專業認證背景下的該課程實驗教學改革方式。專業認證要求以成果為導向、以學生為中心，建立持續改進機制的理念，逐漸被我國高等院校工程類專業所接受。通過本學期的實驗教學取得了良好的效果，參與自動化專業工程認證培訓的教師們也受益匪淺，實現了由過去“填鴨式”的教學模式轉為學生自主學習的模式，逐步與國際工程教育接軌。教師們一直認為在今后的教學課程中，凡是涉及到工程類專業的課程，均按照工程認證方式進行講授，同時也定期走訪用人單位，對本課程進行持續改進，提高畢業生的就業能力，以滿足國內外對于工程類人才需求。

【參考文獻】

[1]齊燦，鄧維.CDIO 模式下《計算機操作系統》課程教學改革與探索[J].教育教學論壇，2013（3）：52-53.

[2]張蕾，王興華，陳越洋，黨華.基于CDIO模式實驗教學改革的問題及對策[J].教育教學論壇，2015，7：79-80.

[3]周蕊.《微機原理》課程教學方法改革研究[J].科技創新導報，2014，10：125-126.

[4]李珍香，李全福.基于CDIO 模式的微機原理與接口技術課程實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學，2013，16（1）：65-68.