新工科背景下機電專業(yè)單片機系列課程教學(xué)探索*

齊鳳蓮 侯玲玲 鄒媛媛

沈陽建筑大學(xué) 沈陽 110168

0 引言

機械電子工程專業(yè)是一個跨學(xué)科的二級學(xué)科專業(yè)，對于該專業(yè)“新工科”建設(shè)背景要求下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，涉及機械、計算機、自動控制等相關(guān)的基礎(chǔ)知識，其目的是培養(yǎng)從事機械電子相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計制造、控制系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的高級專門人才。沈陽建筑大學(xué)單片機系列課程包括微機原理及接口技術(shù)、嵌入式控制系統(tǒng)、課程設(shè)計等，該系列課程在機電學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)體系中，占有十分重要的地位[1-3]。本文作者近年來致力于探索在機電專業(yè)中該系列課程的教學(xué)改革，從應(yīng)用的角度出發(fā)，理論和實踐結(jié)合、硬件和軟件的結(jié)合以及機械與電的結(jié)合，側(cè)重學(xué)生興趣和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。本文主要從理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)兩方面展開，就教學(xué)探索的過程和成效進行闡述。

1 理論課教學(xué)探索

1.1 學(xué)時集中

單片機系列課程的理論課，主要在講解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理基礎(chǔ)上重點鍛煉學(xué)生理論與實踐的結(jié)合，軟件與硬件的配合，尤其鍛煉學(xué)生動手編程運用控制器的綜合能力。在編程調(diào)試過程，需要教師給予更多指導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生從初期的入門調(diào)試到熟練利用調(diào)試工具進行程序調(diào)試。為此，本專業(yè)改革傳統(tǒng)的一周2 次課、一次課2 學(xué)時的課程安排，將該課程集中周次講授，一周2 次、每次4 學(xué)時，4 學(xué)時既可以保證學(xué)生課上的理論知識點講授，同時還可以結(jié)合知識點進行程序調(diào)試，教師當(dāng)堂指導(dǎo)，問題及時解決；一周2 次的安排既集中又分散，既保證了學(xué)習(xí)的連貫性，又保證學(xué)生有充足的時間在課后完成作業(yè)。從近兩輪的學(xué)生反饋反映該課程安排比較合理。

1.2 基于項目目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容

單片機系列課程理論課內(nèi)容需要掌握微型機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，對單片機的內(nèi)部資源定時器/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)的原理和使用方法，以及常用外部接口技術(shù)的應(yīng)用方法，運用微機的指令系統(tǒng)使用現(xiàn)代軟件工具能夠結(jié)合控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合、設(shè)計需求等，搭建以微型機為核心的簡單控制系統(tǒng)。這些知識點前后銜接，結(jié)合其特點，每節(jié)課結(jié)合教學(xué)內(nèi)容設(shè)定一個小的項目目標(biāo)[4]，單片機基礎(chǔ)這部分內(nèi)容的項目目標(biāo)設(shè)計示例如圖1 所示，由淺入深，逐層遞進。比如，從基礎(chǔ)的跑馬燈開始，這個小目標(biāo)中，涵蓋了多個知識點，教師首先要結(jié)合電路給學(xué)生講解二極管點亮的條件，其次引入程序運行過程中時間的概念，然后再結(jié)合keil 軟件進行程序編寫，最后再利用調(diào)試工具進行延時時間的測試，改變不同延時參數(shù)，演示不同的運行效果。在一系列講解后，學(xué)生可以隨堂利用keil 軟件進行程序設(shè)計及調(diào)試，調(diào)試過程出現(xiàn)問題并解決問題，既是對知識點融會貫通的過程，目標(biāo)達成，又會極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，課后會對該項目達成度進一步完善。結(jié)合每堂課設(shè)計的各個項目目標(biāo)，在課程實施過程中運用并不斷完善，項目結(jié)合度較好。

圖1 項目目標(biāo)技術(shù)知識點示例

1.3 教學(xué)方法多形式融合

該系列理論課授課過程中采取多形式融合，體現(xiàn)在以下幾方面。

1.3.1 多媒體授課

多媒體授課依然是課堂主要知識點講解的主要手段。不論是線上還是線下，以多媒體為主要手段，與其他工具融合運用才能使課堂教學(xué)更豐富多彩。

1.3.2 短視頻課內(nèi)課外、課上課下結(jié)合

短視頻分課內(nèi)觀看和課外知識點拓展兩個方面，由于學(xué)時有限，有些知識點學(xué)生可以通過課下觀看短視頻進行自學(xué)。課上播放的短視頻多為相關(guān)功能運行效果的短視頻，更有助于讓學(xué)生對該知識點的理解；課下的短視頻有網(wǎng)上的資源，也有教師自行制作完成的。授課教師提前制作好相關(guān)知識點的講解視頻，一個個小的知識點講解，不建議時間太長，但應(yīng)為一個系列，視頻內(nèi)容既有課堂上的理論講解內(nèi)容，也有課堂外的知識拓展。

1.3.3 課堂實時電路板操作

由于該系列課程改革，實驗學(xué)時融入理論課學(xué)時中，學(xué)生借用實驗板，上課過程直接結(jié)合實驗板資源進行相關(guān)講解，更有利于學(xué)生對知識點的消化吸收。實驗板資源比較豐富，基本能夠滿足學(xué)生理論課程知識點的實操訓(xùn)練。圖2 為學(xué)生課上利用實驗板所完成的實驗效果。

圖2 實驗板實驗效果

1.3.4 Protues 系統(tǒng)仿真輔助

由于單片機系列涉及外擴資源較多，電路板有些功能不能滿足時，可利用Protues 進行系統(tǒng)仿真實現(xiàn)，仿真與電路板結(jié)合運用，相輔相成，更有助于學(xué)生對該系列課程的學(xué)習(xí)。

1.3.5 云班課課前課后相輔相成

該系列課程的特點是理論結(jié)合實踐，每堂課既要考查學(xué)生的理論掌握程度，又要檢驗學(xué)生的編程運用能力，因此，該系列課程利用云班課的功能，在課前對學(xué)生進行理論知識的課堂小測驗，課后完成的項目作業(yè)上傳至云班課，程序及運行視頻一目了然。

1.4 課堂安排預(yù)教結(jié)合

根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，提出該系列課程理論課六步法，按此進行課前、課中和課后安排，如圖3所示。

圖3 六步法教學(xué)安排

學(xué)生此前對教授內(nèi)容的知識點很少進行預(yù)習(xí)，為此，作者結(jié)合講授知識點及參考教材，提前給學(xué)生發(fā)放適量預(yù)習(xí)題，讓學(xué)生結(jié)合思考題對基礎(chǔ)知識點進行預(yù)習(xí)；在課堂講授過程中，先根據(jù)預(yù)習(xí)題與學(xué)生進行互動，讓盡可能多的學(xué)生參與，再結(jié)合這些基礎(chǔ)知識點進行教學(xué)內(nèi)容的擴展，根據(jù)教學(xué)重點設(shè)定項目目標(biāo)，課堂中完成項目目標(biāo)基礎(chǔ)功能，課后進行項目目標(biāo)的完善，課前、課中、課后安排比較緊湊。根據(jù)學(xué)生反饋的情況，該方法可以比較有效地提高上課質(zhì)量，大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時也培養(yǎng)他們的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。

1.5 實戰(zhàn)項目跟隨考核

本課程根據(jù)教學(xué)大綱的要求，改變“期末一張卷”的做法，同時改變以理論考核為主，實踐技能考核為輔的做法，加大實戰(zhàn)技能考核的比例。探尋能夠鍛煉學(xué)生的書面表達能力，提高學(xué)生獨立動腦能力及實際動手能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動力，提高學(xué)生針對實際工程問題的分析能力、解決工程問題的能力的考核方案[5]。本課程制定了成績評定方式。

1.5.1 平時互動考核

1）預(yù)習(xí)互動考核。

2）知識點掌握互動考核。該部分考核主要是對學(xué)生自學(xué)能力和知識融會貫通能力的考查。

1.5.2 項目目標(biāo)考核

1）課堂項目目標(biāo)實現(xiàn)考核。

2）課后項目實現(xiàn)效果考核。這些主要考查學(xué)生課堂的理解掌握能力，該考核促使學(xué)生能集中精力學(xué)習(xí)講授的知識點，并當(dāng)堂運用，且能保證課后順利完成項目目標(biāo)。

1.5.3 基于項目的結(jié)課大作業(yè)考核

課程結(jié)束以綜合項目目標(biāo)為任務(wù)，學(xué)生完成該大作業(yè)的程度即是對該課程學(xué)習(xí)掌握的綜合考核，重在綜合運用的實戰(zhàn)訓(xùn)練，不止編寫程序，要求學(xué)生調(diào)試通過，由于單片機系列課程的特點，學(xué)生更傾向于該大作業(yè)的實戰(zhàn)訓(xùn)練，學(xué)生調(diào)試的狀態(tài)反映學(xué)生對該課程的投入，同時也對其后續(xù)的學(xué)習(xí)、就業(yè)、考研等產(chǎn)生一定的影響。

1.5.4 期末綜合考試

最后一次考試為期末考試，主要考核系統(tǒng)知識的應(yīng)用，或方案的選擇與設(shè)計等，該考核內(nèi)容綜合，主要考查學(xué)生對單片機的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等綜合掌握能力。考試的命題范圍不受階段知識限制，可涵蓋本門課程的任何內(nèi)容。

2 實踐環(huán)節(jié)探索

2.1 實驗環(huán)節(jié)融入理論學(xué)時

2.1.1 實驗環(huán)節(jié)改革前形式

實驗環(huán)節(jié)是該系列課程的重要環(huán)節(jié)，在之前由于實驗設(shè)備不夠充足的情況下，安排學(xué)生在實驗室完成相應(yīng)的實驗，由實驗教師負責(zé)講解，學(xué)生4 ～5人一組，組內(nèi)學(xué)生輪流完成實驗內(nèi)容。

2.1.2 存在的問題

1）實驗設(shè)備數(shù)量有限，幾個人一組，大部分同學(xué)不能實時操作，不能及時跟上教師講解。

2）實驗教師和授課教師在銜接上會略有偏差。

3）單片機系列課程需要花時間調(diào)試，設(shè)備在實驗室，僅利用實驗時間進行調(diào)試是遠遠不夠的。

2.1.3 探索新形式

首先，考慮到課程特點，實驗室批量進行了實驗板采購，目前用于學(xué)生實驗的設(shè)備數(shù)量比較充足；其次，在設(shè)備使用上對學(xué)生采用了借用模式，學(xué)生根據(jù)課程安排在授課及大作業(yè)完成期間，可借用實驗板，隨時根據(jù)教師安排及自己興趣進行項目調(diào)試，這樣可以最大限度地發(fā)揮實驗設(shè)備的作用，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性及學(xué)習(xí)的效果；最后，在修訂培養(yǎng)方案時，將該系列課程的實驗學(xué)時融入理論學(xué)時，授課時學(xué)生直接根據(jù)教師講解，利用實驗板進行操作和調(diào)試，實時性好，且設(shè)備利用高，學(xué)生反饋學(xué)習(xí)效果良好。

2.2 機與電結(jié)合的課程設(shè)計創(chuàng)新

機械電子專業(yè)涵蓋多個領(lǐng)域的知識融合，單片機系列課程在機械電子專業(yè)課程能力和素質(zhì)培養(yǎng)體系中，占有十分重要的地位，該系列課程在一定程度上承擔(dān)著機電結(jié)合的角色。機電專業(yè)該系列的課程設(shè)計總學(xué)時為3 周，在完成單片機理論課程的基礎(chǔ)上，后續(xù)的實踐環(huán)節(jié)旨在鍛煉學(xué)生結(jié)合已掌握的機械設(shè)計知識，進行機電結(jié)合的實踐設(shè)計訓(xùn)練。為達到教學(xué)目標(biāo)，機電專業(yè)的課程設(shè)計做出以下探索。

設(shè)計題目方面，確定三大類題目，分別為工件自動抓取機械臂、三軸全自動移動裝置和自動循跡避障移動車設(shè)計。從內(nèi)容上，要求學(xué)生完成設(shè)計題目要求的機械結(jié)構(gòu)，并進行實物裝配。學(xué)生可根據(jù)三維造型進行3D 打印，也可以利用慧魚的模塊進行拼搭，在此基礎(chǔ)上進行控制系統(tǒng)的調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生從機械結(jié)構(gòu)到控制系統(tǒng)調(diào)試全過程的動手實踐。

成績考核方面，改革傳統(tǒng)的看圖紙說明書答辯的形式，采用比賽并現(xiàn)場答辯，從機械結(jié)構(gòu)的可行性、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)執(zhí)行的快速性等方面進行考查，答辯教師現(xiàn)場根據(jù)實物的運行情況提出針對性問題，共同討論。

這兩方面的探索一是極大提高學(xué)生做設(shè)計的積極性，提高了課程設(shè)計的完成質(zhì)量；二是為學(xué)生后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計打下來一個比較堅實的基礎(chǔ)，學(xué)生從機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、工程圖紙輸出、實物制作以及控制系統(tǒng)調(diào)試，各環(huán)節(jié)都得到鍛煉的同時，也做到了各環(huán)節(jié)的融合運用。圖4 為學(xué)生自行利用3D 打印完成的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)的機械臂抓取工件。圖5 為學(xué)生利用慧魚模塊拼搭的機械機構(gòu)，并實現(xiàn)的三軸移動機構(gòu)。

圖4 自動抓取機械臂

圖5 三軸移動機構(gòu)

在實施過程中，教師提出設(shè)計題目，學(xué)生根據(jù)設(shè)計題目進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計后進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，最后完成該項目的整體調(diào)試，整體效果比較理想。

2.3 以賽代練模式探索

課程負責(zé)人近些年帶隊參加機械設(shè)計大賽、機器人大賽、嵌入式人工智能大賽等，利用單片機實現(xiàn)對設(shè)備的控制，充分發(fā)揮機電專業(yè)的優(yōu)勢，實現(xiàn)參賽項目完成中的機電結(jié)合。以參賽項目為基礎(chǔ)，通過項目簡化，同時形成可用于該課程教學(xué)的虛擬項目，實現(xiàn)教學(xué)與競賽相長，在促進該課程學(xué)習(xí)的同時，提高學(xué)生參賽的積極性。圖6 為作者指導(dǎo)學(xué)生參加機械設(shè)計大賽的作品旋轉(zhuǎn)環(huán)狀立體停車設(shè)備。

圖6 環(huán)狀立體停車設(shè)備

3 結(jié)束語

通過對單片機系列課程在理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)的探索，從歷年來的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計作品及參賽的效果來看，收效比較明顯，質(zhì)量明顯提升，學(xué)生對該系列課程的學(xué)習(xí)積極性極大提高，創(chuàng)新能力不斷提升，同時，對學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)工作等產(chǎn)生了積極的影響。在后續(xù)的教學(xué)活動中，還需結(jié)合機電專業(yè)繼續(xù)探索對學(xué)生更行之有效的方法。