基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和混合教學(xué)模式的單片機(jī)課程教學(xué)方法研究

薛偉 黃玉金 劉瑋

摘要：單片機(jī)課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。該文針對(duì)當(dāng)前單片機(jī)課程教學(xué)中存在的不足，提出了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和混合教學(xué)模式的新教學(xué)方法。該方法將項(xiàng)目分為三個(gè)層次，對(duì)不同層次的項(xiàng)目分別采用常規(guī)教學(xué)模式和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，可利用不同教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。實(shí)踐結(jié)果表明，新的教學(xué)方法可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法;混合教學(xué)模式;翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G424? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）11-0149-03

1 背景

單片機(jī)課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)課程體系中起著重要的銜接作用[1]。單片機(jī)課程知識(shí)點(diǎn)多，涉及數(shù)字電路、模擬電路、傳感器、信號(hào)處理和程序設(shè)計(jì)等多方面的內(nèi)容，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和綜合性[2]。熟練掌握單片機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，不僅有助于提升知識(shí)技能和創(chuàng)新實(shí)踐能力，更有利于專業(yè)素養(yǎng)的提高，滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

在傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)中，一般采用先講理論、再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式，這種方式存在著以下的不足：1）理論部分講授過多，形式單一，且知識(shí)點(diǎn)比較分散，導(dǎo)致學(xué)生理解困難，學(xué)習(xí)效率不高;2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，且相互獨(dú)立、沒有關(guān)聯(lián)性，缺少設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的鍛煉;3）教學(xué)過程都以教師為中心，難以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

針對(duì)單片機(jī)課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，本文提出了一種基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和混合教學(xué)模式的新教學(xué)方法。首先，將課程知識(shí)點(diǎn)分解到三個(gè)不同層次的項(xiàng)目中，按照項(xiàng)目導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式組織教學(xué)，以提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和實(shí)踐能力;然后，對(duì)于難度較低的前兩個(gè)層次項(xiàng)目，采用常規(guī)教學(xué)模式，以引導(dǎo)學(xué)生快速入門，強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率;最后，對(duì)于難度較高的第三層次項(xiàng)目，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)啟發(fā)性思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法理念及實(shí)施過程

2.1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)理念

傳統(tǒng)的教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)以教材中心，理論學(xué)習(xí)為主，實(shí)踐為輔。在教學(xué)形式上，教師主要通過PPT、板書和語言講解來講授知識(shí);在教學(xué)內(nèi)容上，主要按照教材章節(jié)順序進(jìn)行講授。對(duì)于單片機(jī)課程，其知識(shí)點(diǎn)多，實(shí)踐性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解不深、理論與實(shí)踐存在脫節(jié)。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法是一種建立在建構(gòu)主義理論上的新方法[3-4]，教材知識(shí)點(diǎn)不是教師唯一講授的內(nèi)容，而是學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)的對(duì)象。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的特點(diǎn)是在教學(xué)過程中將理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐緊密結(jié)合，將老師的“教”和學(xué)生的“做”充分融合。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法中，知識(shí)點(diǎn)都嵌入在項(xiàng)目中，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，通過任務(wù)目標(biāo)來鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。在項(xiàng)目進(jìn)行中，學(xué)生帶著任務(wù)去學(xué)習(xí)，能更深刻理解知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵及其關(guān)聯(lián)性，提高學(xué)習(xí)效率。

2.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的實(shí)施過程

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方法需要重組教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容不再按照教材中的章節(jié)來劃分，而是歸納為多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，按照知識(shí)點(diǎn)來設(shè)計(jì)項(xiàng)目，通過項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以課程培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，以社會(huì)需求為導(dǎo)向。這里根據(jù)項(xiàng)目的復(fù)雜度和覆蓋知識(shí)點(diǎn)的情況，采用循序漸進(jìn)的方式，將項(xiàng)目分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)性項(xiàng)目、提升性項(xiàng)目和綜合性項(xiàng)目。

1） 基礎(chǔ)性項(xiàng)目。基礎(chǔ)性項(xiàng)目針對(duì)初學(xué)者的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)，主要是掌握單片機(jī)的基本知識(shí)點(diǎn)。這一層次項(xiàng)目功能簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生快速入門。

2）提升性項(xiàng)目。提升性項(xiàng)目針對(duì)具有初步基礎(chǔ)學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)，主要是掌握單片機(jī)知識(shí)點(diǎn)的簡單組合應(yīng)用。這一層次項(xiàng)目具有一定的檢測控制功能，能讓學(xué)生建立單片機(jī)系統(tǒng)的概念。

3） 綜合性項(xiàng)目。綜合性項(xiàng)目針對(duì)具有一定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)，主要是掌握單片機(jī)功能的綜合應(yīng)用。這一次層次項(xiàng)目具有完整的系統(tǒng)檢測控制功能，覆蓋知識(shí)點(diǎn)多，需要團(tuán)隊(duì)合作完成，能發(fā)揮學(xué)生的自學(xué)能力，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

基礎(chǔ)性項(xiàng)目的設(shè)計(jì)如表1所示，一共8個(gè)，每個(gè)項(xiàng)目均涵蓋單片機(jī)的1～2個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。通過基礎(chǔ)性項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)、工作原理和外設(shè)接口，掌握基本程序設(shè)計(jì)和調(diào)試方式，具備單片機(jī)基本功能開發(fā)能力。

提升性項(xiàng)目的設(shè)計(jì)如表2所示，一共5個(gè)，每個(gè)項(xiàng)目均包含若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)。通過提升性項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)片內(nèi)資源和外圍電路有進(jìn)一步了解，掌握軟硬件調(diào)試方法，具備單片機(jī)基本系統(tǒng)的開發(fā)能力。

綜合性項(xiàng)目的設(shè)計(jì)如表3所示，一共2個(gè)，如表3所示，每個(gè)項(xiàng)目均包含多個(gè)功能模塊。通過綜合性項(xiàng)目的教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)擴(kuò)展知識(shí)的應(yīng)用有比較深刻的了解，具備單片機(jī)綜合應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力。

3 混合教學(xué)模式及實(shí)施過程

目前的教學(xué)模式可分為常規(guī)教學(xué)模式和翻轉(zhuǎn)課堂模式。常規(guī)教學(xué)模式中以老師為主導(dǎo)，以課堂講授為主，以課后輔導(dǎo)答疑為輔，側(cè)重于基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)，通過老師的講授和督促有利于教學(xué)進(jìn)度的統(tǒng)一，但是很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

翻轉(zhuǎn)課堂模式是將課堂內(nèi)的事情轉(zhuǎn)換到課堂之外進(jìn)行，在課堂內(nèi)主要進(jìn)行討論和答疑[5]，即將常規(guī)模式中課堂內(nèi)外的任務(wù)進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，課堂內(nèi)的學(xué)習(xí)任務(wù)轉(zhuǎn)換到課堂之外進(jìn)行，而課后的討論答疑轉(zhuǎn)換到課內(nèi)進(jìn)行。在翻轉(zhuǎn)課堂模式中，學(xué)生有更多的學(xué)習(xí)自主權(quán)，需要在課前通過自學(xué)完成大部分知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí);在課堂上學(xué)生起主導(dǎo)作用，教師不再進(jìn)行知識(shí)的講授，而是通過討論輔導(dǎo)學(xué)生完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂模式能夠節(jié)省課堂上理解新知識(shí)的時(shí)間，專注于更深層次知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解，讓學(xué)生有更強(qiáng)的學(xué)習(xí)參與感，提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性。翻轉(zhuǎn)課堂模式雖然可以發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主導(dǎo)作用，但學(xué)生在課堂外的自主學(xué)習(xí)中與教師聯(lián)系較少，有些問題無法得到教師的及時(shí)解答，這樣也會(huì)影響學(xué)習(xí)的積極性。此外，不同的學(xué)生在學(xué)習(xí)主動(dòng)性方面存在差異，對(duì)于學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差的學(xué)生，還需要老師督促推進(jìn)，否則會(huì)影響教學(xué)效果。

在單片機(jī)課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，三個(gè)層次項(xiàng)目的難度是逐漸增加的，單一的常規(guī)教學(xué)模式或者翻轉(zhuǎn)課堂模式難以很好地適應(yīng)所有層次的項(xiàng)目，因此，這里采用混合教學(xué)模式來實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目化教學(xué)。

3.1 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的常規(guī)教學(xué)模式的實(shí)施

對(duì)于基礎(chǔ)性項(xiàng)目和提升性項(xiàng)目，采用常規(guī)教學(xué)模式，著重于讓學(xué)生掌握單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)及其組合應(yīng)用。這一層次項(xiàng)目的平臺(tái)為MCS-51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，包含單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)和常見的外圍功能模塊，最小系統(tǒng)和各模塊之間通過簡單的連線可組成不同項(xiàng)目的硬件系統(tǒng)。項(xiàng)目的教學(xué)以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，實(shí)施流程如圖1所示。首先，教師在課堂上發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，并根據(jù)項(xiàng)目要求講解知識(shí)點(diǎn)，通過面對(duì)面講授，教師可以掌控整體進(jìn)度，并能及時(shí)回答學(xué)生的問題。然后，教師分析項(xiàng)目方案，每個(gè)學(xué)生根據(jù)方案搭建硬件系統(tǒng)，并編寫軟件，這期間教師需要巡回指導(dǎo)，及時(shí)答疑解惑。最后，學(xué)生進(jìn)行功能演示并撰寫項(xiàng)目報(bào)告，教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收并給出總結(jié)評(píng)價(jià)。在具體實(shí)施中，對(duì)于基礎(chǔ)性項(xiàng)目，以教師講解為主、輔導(dǎo)答疑為輔;對(duì)于提升性項(xiàng)目，教師講解適當(dāng)減少，輔導(dǎo)答疑則適當(dāng)增加，以給學(xué)生一定的自主學(xué)習(xí)空間。這樣將集中講解和分析輔導(dǎo)相結(jié)合，通過簡單的硬件搭建和的軟件編程，可讓學(xué)生能較快地掌握基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，鍛煉實(shí)踐能力，提高學(xué)習(xí)效率。

3.2 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)課堂模式的實(shí)施

對(duì)于綜合性項(xiàng)目，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，著重于讓學(xué)生掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。這一層次項(xiàng)目的平臺(tái)為MCS-51單片機(jī)開發(fā)板，包含單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)和擴(kuò)展接口。項(xiàng)目的教學(xué)以學(xué)生為主進(jìn)行，教師進(jìn)行相關(guān)輔導(dǎo)，實(shí)施流程如圖3所示。

在課前，教師根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)分解，準(zhǔn)備開發(fā)板和擴(kuò)展器件的原理資料，并制作微視頻，提供給學(xué)生，讓學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)，充分了解項(xiàng)目的知識(shí)點(diǎn)。

在課堂上，學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，3～4名學(xué)生分為1組進(jìn)行學(xué)習(xí)。首先，學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)討論交流，確定項(xiàng)目方案，教師需要關(guān)注每組討論的進(jìn)展，對(duì)學(xué)生的思維進(jìn)行啟發(fā)，分析設(shè)計(jì)思路是否正確。然后，學(xué)生根據(jù)確定的方案，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合開發(fā)和調(diào)試，在此期間教師也需巡回檢查，隨時(shí)解答學(xué)生的問題。最后，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行功能演示，并提交報(bào)告，教師驗(yàn)收后分別給出小組評(píng)價(jià)和個(gè)人評(píng)價(jià)。

在課后，學(xué)生需要對(duì)項(xiàng)目完成情況進(jìn)行總結(jié)，分析項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步完善項(xiàng)目。教師需要根據(jù)各個(gè)小組完成的情況，對(duì)教學(xué)進(jìn)行反思，不斷完善教學(xué)資料，優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升教學(xué)效果。

在綜合性項(xiàng)目的教學(xué)中，學(xué)生在課前學(xué)習(xí)、課中討論和實(shí)現(xiàn)、課后總結(jié)完善三個(gè)環(huán)節(jié)均占主導(dǎo)地位，教師不再進(jìn)行集中講解，從主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)變?yōu)檩o導(dǎo)地位，以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。此外，通過小組方式進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)調(diào)溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4 實(shí)踐效果

在最近兩年的單片機(jī)課程教學(xué)中，對(duì)基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和混合教學(xué)模式的教學(xué)方法進(jìn)行了實(shí)踐，取得了較好的效果，體現(xiàn)如下：

1） 學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯增強(qiáng)，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的理解更加深刻，期末考試中平均成績提高了9%;

2） 學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到提升，在完成基礎(chǔ)性項(xiàng)目的學(xué)習(xí)后，基本能夠掌握單片機(jī)原理和基本應(yīng)用;

3） 學(xué)生的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力得到提升， 在以單片機(jī)為核心、以小組形式進(jìn)行的檢測技術(shù)實(shí)習(xí)中，所有小組在完成課題基本任務(wù)的基礎(chǔ)上，都能完成擴(kuò)展任務(wù)要求，優(yōu)秀率達(dá)到40%以上。

5 結(jié)束語

針對(duì)單片課程的特點(diǎn)和目前教學(xué)方法的不足，本文提出了一種基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和混合教學(xué)模式的新教學(xué)方法。通過項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，可提高動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率;通過設(shè)計(jì)三個(gè)不同層次的項(xiàng)目，分別采用常規(guī)教學(xué)模式和翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行教學(xué)，在以教師為主強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，逐步讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主角，可充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。實(shí)踐結(jié)果表明新方法可有效提升教學(xué)效果，提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)的綜合理解和應(yīng)用能力。

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