新工科背景下“一仿二板三拓”的單片機(jī)教學(xué)新模式

摘 要 文章基于新工科建設(shè)，針對(duì)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的工程特點(diǎn)，構(gòu)建分難度、多層次的實(shí)踐體系，并以工程項(xiàng)目為牽引，提出“一仿二板三拓”的單片機(jī)教學(xué)新模式，旨在提升學(xué)生高階實(shí)踐技能，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜問題的能力。

關(guān)鍵詞 新工科；單片機(jī)；混合式；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.021

A New Teaching Mode for Single-chip Microcontrollers under the Background of

\"One Imitation， Two Boards， Three Expansions\" in the Context of New Engineering Disciplines

XUE Yuli1，2， LIU Xin1，2， LI Ming1，2

（1. School of Information Engineering， Shandong Youth University of Political Science， Jinan， Shandong 250103;

2. Shandong Province Intelligent Information Control New Technology Research and Development Center for Higher Education Institutions， Jinan， Shandong 250103;

Abstract Based on the construction of new engineering disciplines and the engineering characteristics of the course on microcontroller principles and applications， this article constructs a practical system with difficulty and multiple levels. Taking engineering projects as the driving force， it proposes a new teaching mode for microcontrollers called \"one imitation， two boards， and three expansions\"， which enhances students' high-level practical skills， cultivates their ability to draw analogies， innovate thinking， and solve complex problems.

Keywords new engineering; single-chip; mixed; teaching reform

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)品、智能控制、家用電器、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。在電子信息工程專業(yè)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中，單片機(jī)是使用最廣泛的微處理器。

新工科建設(shè)用新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展高等工程教育改革，“新工科”的提出與建設(shè)對(duì)高校工科課程改革提出了新要求。為此，許多教師開始探索新工科背景下單片機(jī)課程的教學(xué)改革 [1-5]。本文結(jié)合當(dāng)前的工程教育專業(yè)認(rèn)證背景，在OBE理念指導(dǎo)下確定教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建分層次的混合式實(shí)踐教學(xué)體系，提出“一仿二板三拓”的教學(xué)新模式，全方位培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題的能力。

1" 課程總體設(shè)計(jì)

1.1" 確定課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

結(jié)合行業(yè)調(diào)研和學(xué)校人才培養(yǎng)定位，山東青年政治學(xué)院電子信息工程專業(yè)確定了學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和12項(xiàng)畢業(yè)要求，并將其分解為34個(gè)二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)。單片機(jī)原理與應(yīng)用課程4個(gè)二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)的支撐關(guān)系見表1。

表1""" “單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐關(guān)系

1.2" 課程目標(biāo)制定

根據(jù)OBE理念的反向設(shè)計(jì)原則，筆者為課程支撐的4個(gè)二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)制定了與之對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的評(píng)價(jià)方式（見表2，p63）。

1.3" 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

課堂教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)遵循三個(gè)原則：一是內(nèi)容符合認(rèn)知和行業(yè)的崗位能力要求；二是模塊之間互相關(guān)聯(lián)，有序遞進(jìn)；三是融合現(xiàn)代技術(shù)，體現(xiàn)教學(xué)高階性。著重提高以“單片機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力”為主線的核心技術(shù)學(xué)時(shí)數(shù)，將課程主要內(nèi)容劃分為7個(gè)模塊，采用理論與實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合的方式開展教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容總體框架如圖1所示。

圖1""" 教學(xué)內(nèi)容總體框架

1.4" 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

整個(gè)教學(xué)過程設(shè)計(jì)分為線上（課前預(yù)習(xí)、課后作業(yè)）、線下（課中實(shí)踐）兩個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)模塊的教學(xué)步驟：線上完成課前預(yù)習(xí)，對(duì)本模塊有個(gè)初步的了解，線下講解核心知識(shí)點(diǎn)，教師引導(dǎo)學(xué)生完成“一仿二板三拓”螺旋上升的實(shí)踐訓(xùn)練，課后將作業(yè)上傳到線上教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生獲得分析問題、解決問題、創(chuàng)新拓展的實(shí)踐能力。

2" 教學(xué)模式的創(chuàng)新

2.1" 構(gòu)建線上線下混合式教學(xué)

教師在組織教學(xué)時(shí)，線上布置課前預(yù)習(xí)視頻，將本模塊的初步知識(shí)和實(shí)際生活應(yīng)用展示給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容有初步了解，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。線下教師講解核心知識(shí)點(diǎn)，分析電路的工作原理，講解核心代碼的編程思維，學(xué)生利用Proteus進(jìn)行仿真，完成基本的實(shí)驗(yàn)；然后，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)例電路圖和單片機(jī)開發(fā)板原理圖的異同，啟發(fā)學(xué)生在實(shí)例代碼的基礎(chǔ)上調(diào)整部分代碼，在單片機(jī)開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后，拓展學(xué)生的思維，聯(lián)想生活中的類似問題，指導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)拓展到其他應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2" “一仿二板三拓”螺旋上升推進(jìn)項(xiàng)目，提升學(xué)生高階實(shí)踐技能

按照高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點(diǎn)和規(guī)律，在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中充分融入“兩性一度”理念（如圖2所示）。

圖2""" 教學(xué)環(huán)節(jié)中融入“兩性一度”理念

2.2.1" 軟件仿真

以典型應(yīng)用電路為載體，引導(dǎo)學(xué)生分析課本實(shí)例的電路原理、編寫代碼，在Proteus上搭建電路，將hex文件燒錄到仿真單片機(jī)，觀察仿真效果。仿真效果與預(yù)期不符時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生分析出現(xiàn)問題的原因，修改代碼，直至電路運(yùn)行效果符合實(shí)際需求。通過軟件仿真培養(yǎng)學(xué)生的電路分析能力和基礎(chǔ)實(shí)踐能力。

2.2.2" 開發(fā)板實(shí)現(xiàn)

軟件仿真只是給了一個(gè)仿真結(jié)果，如何在實(shí)際硬件電路上實(shí)現(xiàn)？針對(duì)該問題，引導(dǎo)學(xué)生分析開發(fā)板電路與課本實(shí)例電路的不同。根據(jù)電路的不同，引導(dǎo)學(xué)生在軟件仿真代碼基礎(chǔ)上做適當(dāng)調(diào)整。燒錄代碼到開發(fā)板，調(diào)試直至效果實(shí)現(xiàn)，這一步實(shí)現(xiàn)了軟件仿真到硬件電路實(shí)現(xiàn)，提升了學(xué)生舉一反三的能力，為后續(xù)利用其他例程解決實(shí)際問題提供了基本方法。

2.2.3nbsp; 高階拓展

在軟件仿真和開發(fā)板實(shí)踐的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高階拓展，主要通過兩種方式：①整合功能模塊，考慮到實(shí)際使用的各種細(xì)節(jié)，使其更趨近實(shí)際應(yīng)用；②針對(duì)生活實(shí)際問題，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過小組討論、頭腦風(fēng)暴，拓展學(xué)生的思維，植入創(chuàng)新的種子，促進(jìn)其理解創(chuàng)新的本質(zhì)。

通過“一仿二板三拓”螺旋上升推進(jìn)項(xiàng)目，構(gòu)建全面、遞進(jìn)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，提升學(xué)生高階實(shí)踐技能，培養(yǎng)綜合運(yùn)用知識(shí)解決應(yīng)用問題的能力。

2.3" 教學(xué)設(shè)計(jì)階梯化，既體現(xiàn)個(gè)性化，又存在挑戰(zhàn)度

根據(jù)“能力導(dǎo)向、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的課程建設(shè)模式，結(jié)合單片機(jī)原理與應(yīng)用課程特點(diǎn)及學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)水平的差異，設(shè)置分難度、多層次的實(shí)踐體系，具體分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、拓展性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，難度逐級(jí)遞增，如圖3所示。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以運(yùn)行例程為主，讓學(xué)生初步感受程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行、結(jié)果調(diào)試的整個(gè)過程，并對(duì)整體軟硬件框架有所了解。拓展性實(shí)驗(yàn)是對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行延伸拓展，綜合多個(gè)模塊功能解決一個(gè)實(shí)際工程問題。考慮到學(xué)有余力學(xué)生的需求，課程設(shè)置了2―3個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，如智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電子密碼鎖設(shè)計(jì)等，題目較為開放，涉及實(shí)際工程中的問題，難度也較大，學(xué)生可以根據(jù)自身知識(shí)掌握程度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3""" 分難度、多層次的實(shí)踐體系

2.4" 建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，補(bǔ)齊學(xué)生短板

為更好地進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)，讓數(shù)字化資源輔助線下教學(xué)，在“超星泛雅”平臺(tái)建設(shè)并逐步完善單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。其提供了16講的課前預(yù)習(xí)視頻、課中錄制視頻和課件、課后拓展資料。一方面，可以通過明晰課前、課中、課后的內(nèi)容，開展線上線下混合式教學(xué)，做到課前預(yù)習(xí)知大概、課中實(shí)踐提技能、課后拓展闊眼界；另一方面，將課中錄制視頻上傳到平臺(tái)，有利于學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生課后回放，跟上整個(gè)班級(jí)的進(jìn)度，補(bǔ)齊學(xué)生短板。

3" 課程考核評(píng)價(jià)

課程考核采用全過程考核評(píng)價(jià)，根據(jù)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的特點(diǎn)，構(gòu)建“平時(shí)+期末、線上+線下”綜合考核評(píng)價(jià)體系，讓學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中動(dòng)起來、忙起來。綜合評(píng)價(jià)考核體系見表3。

4" 結(jié)語

經(jīng)過多年的教學(xué)改革與實(shí)踐，我校單片機(jī)原理與應(yīng)用課程已成長(zhǎng)為校級(jí)線上線下混合式教學(xué)一流課程，立項(xiàng)了省級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目。在進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，遵循“由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由軟件仿真到硬件實(shí)踐、由一般場(chǎng)景到特殊應(yīng)用”的認(rèn)知順序；教學(xué)實(shí)施時(shí)，課程團(tuán)隊(duì)使用“一仿二板三拓”螺旋上升推進(jìn)項(xiàng)目，提升學(xué)生高階實(shí)踐技能，培養(yǎng)了學(xué)生舉一反三、創(chuàng)新和解決復(fù)雜問題的能力。單片機(jī)已成為我校電子信息工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行科技活動(dòng)、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)工具。近五年學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的人數(shù)呈上升趨勢(shì)，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生開展實(shí)踐創(chuàng)新的積極性。

基金項(xiàng)目：山東省本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（M2022246、M2023024）；山東青年政治學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JGZD202205、JGZD2301、JGYB202218）；山東青年政治學(xué)院教學(xué)成果獎(jiǎng)培育項(xiàng)目（CGPY202208）；山東青年政治學(xué)院一流本科課程（2023YLKC10、2021YLKC04）。

參考文獻(xiàn)

[1] 童耀南，管瓊，鄧己媛，等.新工科背景下單片機(jī)課程理論與實(shí)踐一體化教學(xué)改革[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，36（4）：77-81.

[2] 李曉娟，李建科，胡良，等.新工科背景下單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)模式改革研究[J].科技風(fēng)，2023（12）：96-98.

[3] 張蓓，呂建勛，張靜，等.“新工科”背景下單片機(jī)通識(shí)課教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（5）：37-41.

[4] 吳葉蘭，謝宇忻，羅楊，等.新工科背景下單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2022（6）：149-152，157.

[5] 董燕麗，趙曉艷，劉攀，等.“新工科”背景下《單片機(jī)原理與應(yīng)用》的教學(xué)改革探索[J].中國(guó)設(shè)備工程，2020（22）：233-234.