基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)教學(xué)方法改革

吳愛萍

南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 江蘇南京 211167

1 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)是自動(dòng)化類學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是以后學(xué)生開發(fā)智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和系統(tǒng)性，旨在提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)開發(fā)能力，提高學(xué)生的競爭力。

目前我院該課程分配了40學(xué)時(shí)的理論教學(xué)，8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及一周的課程設(shè)計(jì)。從前面幾屆的教學(xué)效果來看，該課程的教學(xué)效果不盡如人意，只有少數(shù)同學(xué)能掌握單片機(jī)的開發(fā)步驟，自己設(shè)計(jì)出以單片機(jī)為控制核心的應(yīng)用系統(tǒng)，多數(shù)同學(xué)云里霧里不知道怎么下手開發(fā)系統(tǒng)，沒有達(dá)到我們預(yù)期的教學(xué)效果。究其原因主要有以下幾點(diǎn)。

(1)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)。在單片機(jī)的教學(xué)中，我們通常是在講完單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)及匯編語言程序設(shè)計(jì)之后才安排第一次上機(jī)實(shí)驗(yàn)，而在這之前學(xué)生學(xué)習(xí)的大量知識(shí)點(diǎn)是零碎的、抽象的，顯然是很枯燥。等到上機(jī)時(shí)，面對這么多的知識(shí)點(diǎn)學(xué)生不可能很輕松地在實(shí)驗(yàn)中加以運(yùn)用，那么前面學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)就像是一堆建房材料無序地堆在那，學(xué)生不知道怎樣利用這些建材構(gòu)造自己的小房子，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。另一方面由于理論課時(shí)偏少，當(dāng)下流行的接口也無法講授，學(xué)生碰到相關(guān)的器件不會(huì)使用。

(2)實(shí)踐環(huán)節(jié)課時(shí)偏少。8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)和一周的課程設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能讓學(xué)生建立單片機(jī)系統(tǒng)的概念。目前實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是實(shí)驗(yàn)箱，其自身開發(fā)能力較弱，完成一些簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)沒有問題。但是在課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)等集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，由于時(shí)間緊，學(xué)生只能在教師的指導(dǎo)下在實(shí)驗(yàn)箱上搭建硬件電路，編制程序，在實(shí)驗(yàn)箱上調(diào)試。學(xué)生沒有經(jīng)歷原理設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)、元器件購置、元器件安裝及調(diào)試的全過程，對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程沒有直接體會(huì)，動(dòng)手能力得不到預(yù)期的提高，大部分學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力不理想，對單片的開發(fā)過程缺乏認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生不能發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性。

(3)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣未能激發(fā)，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，得過且過，考試通過就行，學(xué)生從中體會(huì)不到成就感。

(4)考核方式單一，期末采用閉卷考試形式，只注重基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的考查，忽視學(xué)生開發(fā)調(diào)試能力考核。目前實(shí)習(xí)課程考核實(shí)習(xí)報(bào)告占的比重太高，實(shí)踐過程考核比重低，學(xué)生只要到場不管做的效果如何都會(huì)得到一個(gè)差不多的分?jǐn)?shù)，因此學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室消極怠工，不積極思考、調(diào)試。針對以上幾點(diǎn)問題，為了達(dá)到“學(xué)以致用”的培養(yǎng)理念，我院對單片機(jī)的教學(xué)從教學(xué)理念、教學(xué)體系、教學(xué)方式、考核方式等方面進(jìn)行了一系列的改革。目前，已實(shí)施了一年，教學(xué)效果喜人。

2 教學(xué)體系的改革

為了提高學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，增加單片機(jī)理論課時(shí)到56學(xué)時(shí)，增加I2C總線、SPI總線和單總線接口及應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容，與當(dāng)下檢測元件的接口對接；適當(dāng)增加基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)還在原有的實(shí)驗(yàn)箱上做，讓學(xué)生有個(gè)過渡過程；對現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行改革，將單片機(jī)課程實(shí)習(xí)更改為2周，并且與電子線路CAD實(shí)習(xí)聯(lián)合起來做，將單片機(jī)課程實(shí)習(xí)的硬件設(shè)計(jì)任務(wù)安排到電子線路CAD實(shí)習(xí)中，摒棄原有實(shí)驗(yàn)箱的束縛，讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路原理圖，學(xué)習(xí)常用器件的參數(shù)選取、購買，為防止學(xué)生自己設(shè)計(jì)的電路有問題，教師事先可以準(zhǔn)備一些常見接口單元電路，提供典型模塊的印制電路板，學(xué)生自己進(jìn)行元件的焊接，最后進(jìn)行硬件系統(tǒng)的調(diào)試和程序?qū)懭?。這樣學(xué)生課余時(shí)間也可以調(diào)試，充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生直接參與微處理器應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的全過程，有效培養(yǎng)學(xué)生微處理器應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力和動(dòng)手能力。

3 教學(xué)方式的改革

對常規(guī)教學(xué)進(jìn)行改革，引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種建立在構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法，以任務(wù)為主線，以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)，讓學(xué)生帶著任務(wù)進(jìn)行自主探索和協(xié)作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際問題出發(fā)、分析問題、解決問題的能力。強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，突出任務(wù)的目標(biāo)性和真實(shí)情景創(chuàng)建。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)施過程通常包括：設(shè)計(jì)并提出任務(wù)、分析任務(wù)、自主協(xié)作完成任務(wù)，交流評價(jià)等環(huán)節(jié)。這一改革與學(xué)校正在積極推進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)綜合改革，實(shí)施“學(xué)以致用”的宗旨一致。這需要學(xué)院提供實(shí)踐平臺(tái)，同時(shí)要求學(xué)生發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和能動(dòng)性，讓學(xué)生帶著任務(wù)進(jìn)行自主探索和協(xié)作學(xué)習(xí)，可以使得學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，成為學(xué)習(xí)的主體。這需要課程組的老師針對單片機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀，構(gòu)建單片機(jī)課程實(shí)習(xí)的任務(wù)體系，并對每個(gè)任務(wù)要完成的內(nèi)容提出詳細(xì)要求，在課程講授時(shí)幫助學(xué)生分析任務(wù)要求和控制方案選擇。

我們課程組的老師根據(jù)控制類專業(yè)應(yīng)用背景，統(tǒng)一思想，為實(shí)施任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法通力合作，團(tuán)結(jié)協(xié)作，每位教師提出2～3個(gè)設(shè)計(jì)課題，將課程組教師提出的任務(wù)反復(fù)精選出10個(gè)具有一定典型性、實(shí)用性、開放性的課題構(gòu)建單片機(jī)實(shí)習(xí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法中需要的任務(wù)體系。同時(shí)將每個(gè)實(shí)習(xí)任務(wù)劃分為幾個(gè)典型子模塊(顯示模塊、MCU模塊、電源模塊、鍵盤模塊、下載接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊、紅外模塊等)，便于實(shí)習(xí)時(shí)學(xué)生在子模塊的基礎(chǔ)上搭建自己的控制系統(tǒng)。每一個(gè)任務(wù)都包含設(shè)計(jì)要求、資料查詢、硬件原理設(shè)計(jì)、元器件的選擇、安裝調(diào)試、軟件設(shè)計(jì)、程序?qū)懭搿⒆珜憣?shí)習(xí)報(bào)告等部分。任務(wù)體系中任務(wù)數(shù)越多，學(xué)生個(gè)體越能得到鍛煉，所以在教學(xué)實(shí)施的過程中需要不斷擴(kuò)充任務(wù)體系。所以這部分需要項(xiàng)目組成人員的共同努力。其中硬件電路是重要的基礎(chǔ)，為防止學(xué)生的硬件電路設(shè)計(jì)問題使得實(shí)習(xí)不能進(jìn)行下去，由教師提供常見的電路基本模塊，學(xué)生根據(jù)自己原理圖選擇需要的模塊連接構(gòu)成系統(tǒng)，學(xué)習(xí)常用器件的參數(shù)選取、購買，自己進(jìn)行元件的焊接，最后進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。在電子線路CAD課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，讓學(xué)生獨(dú)立完成一個(gè)基于單片機(jī)的小型應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。學(xué)生自己進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、元器件的購買、焊接、寫入程序、安裝調(diào)試等，每位學(xué)生直接參與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的全過程，學(xué)生經(jīng)過該項(xiàng)目的實(shí)施，綜合創(chuàng)新能力、科技開發(fā)能力均有較大程度的提升。

采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法。在開始上理論課的時(shí)候就給學(xué)生分配好兩周課程實(shí)習(xí)所要完成的實(shí)習(xí)任務(wù)，讓每個(gè)學(xué)生都可以帶著任務(wù)學(xué)理論，做實(shí)驗(yàn)，思考如何將學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到自己的實(shí)習(xí)任務(wù)上。這樣可以加深理論知識(shí)的理解與掌握，提高應(yīng)用能力，建立系統(tǒng)性。教師上課可以以某一任務(wù)為導(dǎo)向講解各知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生從簡單的子項(xiàng)目開始邊學(xué)邊做，將課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融合在一起。這樣也可以避免個(gè)別任課教師對實(shí)踐教學(xué)參與較少，教師不重視、不愿意參與實(shí)踐教學(xué)的問題，同時(shí)提升教師的創(chuàng)新實(shí)踐能力。通過任務(wù)的實(shí)施改變理論知識(shí)與實(shí)踐相脫節(jié)的局面。

4 課程考核方式的改革

目前我院單片機(jī)的考核分為理論課的考核和單片機(jī)的課程實(shí)習(xí)考核。單片機(jī)的理論考核采用閉卷方式，比較注重基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的考查，基本忽視學(xué)生開發(fā)調(diào)試能力考核。我們課程組的教師正積極思考采用開卷考試方式，題目盡量開放式，和我們給定的任務(wù)體系密切相關(guān)，這項(xiàng)工作還在雛形之中。工科院校以“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)為目標(biāo)，在課程設(shè)置上安排了較多的實(shí)踐課程，以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能和工程實(shí)踐能力，科學(xué)合理地評價(jià)學(xué)生實(shí)踐課程的成績是實(shí)踐課教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。目前單片機(jī)的課程實(shí)習(xí)考核基本是教師以學(xué)生在操作和調(diào)試過程中處理問題的能力和實(shí)習(xí)報(bào)告的質(zhì)量為依據(jù)綜合評定成績，按優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級計(jì)分，由于學(xué)生較多，教師很難全面了解每個(gè)學(xué)生實(shí)際實(shí)踐情況，成績的評定很大程度上看實(shí)習(xí)報(bào)告質(zhì)量，帶有較大的隨意性和主觀性，嚴(yán)重挫傷了學(xué)生的積極性，實(shí)習(xí)報(bào)告占的比重太高，實(shí)踐過程考核比重低，導(dǎo)致報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重?，F(xiàn)在的思路是要加強(qiáng)實(shí)踐過程、設(shè)計(jì)思路、實(shí)習(xí)成果的考核，真實(shí)全面考核學(xué)生實(shí)踐課程的表現(xiàn)情況，成績考核表見表1。

表1

考核方式有如下構(gòu)成：平時(shí)占20%、設(shè)計(jì)15%、調(diào)試 25%、答辯驗(yàn)收20%、報(bào)告20% 。這樣可以科學(xué)合理、公正客觀、簡便可行地評價(jià)實(shí)踐課程成績，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，收到較好的教學(xué)效果。

5 結(jié)語

我們已在2015級11個(gè)班的單片機(jī)課程教學(xué)中采用了以上教學(xué)方案，實(shí)施過程中教師付出了大量的時(shí)間和精力，學(xué)校給予了經(jīng)費(fèi)支撐，學(xué)生確實(shí)學(xué)到了很多工程實(shí)踐知識(shí)，多方位提升了學(xué)生的動(dòng)手能力和開發(fā)能力，教師和學(xué)生都很有成就感。