單片機(jī)課程一體化教學(xué)模式的研究與實(shí)踐

段英宏 劉秀紅

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)課程是一門以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、技術(shù)創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等為目標(biāo)的教學(xué)課程，它與生產(chǎn)實(shí)際緊密相連，在整個(gè)電類課程體系中具有非常重要的位置。但當(dāng)前單片機(jī)課程教學(xué)往往存在教學(xué)形式單一，實(shí)踐操作方法、內(nèi)容滯后于現(xiàn)代企業(yè)需求等諸多問題，因此采用了一體化教學(xué)模式對(duì)單片機(jī)教學(xué)進(jìn)行了改革嘗試，使學(xué)生邊學(xué)邊做，理論緊密聯(lián)系于實(shí)踐，提高了學(xué)生單片機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用的能力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；一體化；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G420文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-9214（2016）09-0112-02

單片機(jī)是一種常用的嵌入式微控制器，廣泛應(yīng)于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活的電子電氣設(shè)備中。單片機(jī)課程是自動(dòng)化、電子信息、通信工程、電氣工程及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、機(jī)電一體化等多個(gè)專業(yè)的專業(yè)必修課[1]。學(xué)好單片機(jī)，可以有效提升學(xué)生硬件設(shè)計(jì)能力、軟件編程能力、以及綜合應(yīng)用能力，為嵌入式微處理器應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。

單片機(jī)課程是一門以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、技術(shù)創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等為目標(biāo)的教學(xué)課程，它把理論性和實(shí)踐性融合到一起，與生產(chǎn)實(shí)際緊密相連，在整個(gè)電類課程體系中具有非常重要的位置。目前，單片機(jī)課程教學(xué)往往不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)單片機(jī)技術(shù)人才的要求，存在著諸多問題。

一、存在的問題

1.教學(xué)形式單一，理論教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐脫離

目前，多數(shù)高校單片機(jī)課程教學(xué)采取的模式仍為按照知識(shí)體系講解。這種常規(guī)教學(xué)模式，雖然能使學(xué)生理解單片機(jī)結(jié)構(gòu)，了解指令使用方法和運(yùn)行過程，掌握單片機(jī)系統(tǒng)知識(shí)，但易使學(xué)生感到內(nèi)容枯燥乏味，缺乏學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致很多學(xué)生失去主動(dòng)學(xué)習(xí)欲望。而在實(shí)踐教學(xué)上，大多數(shù)學(xué)校采取先理論教學(xué)后實(shí)踐訓(xùn)練的形式，且實(shí)踐操作訓(xùn)練學(xué)時(shí)較少，導(dǎo)致課程理論多實(shí)踐少，理論實(shí)踐相脫離。

2.實(shí)踐操作方法、內(nèi)容滯后于現(xiàn)代企業(yè)需求

當(dāng)前單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)手段大多以試驗(yàn)箱為平臺(tái)進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的集成化，使學(xué)生忽視了硬件設(shè)計(jì)能力的學(xué)習(xí)。且實(shí)驗(yàn)環(huán)境與企業(yè)實(shí)際工作環(huán)境差距較大，造成了學(xué)生適應(yīng)性差，動(dòng)手能力弱的境地。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)方式單一

現(xiàn)如今的教學(xué)方法，主要靠學(xué)生死記硬背知識(shí)點(diǎn)，缺少靈活應(yīng)用。學(xué)生軟硬件設(shè)計(jì)只能模仿他人例程，忽視設(shè)計(jì)過程，僅注重結(jié)果，缺少分析問題、解決問題的能力。

由于以上問題，學(xué)生普遍反映單片機(jī)概念抽象、知識(shí)點(diǎn)瑣碎、編程難，硬件設(shè)計(jì)無(wú)從著手等。因此，研究適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需求的單片機(jī)教學(xué)模式，改革單片機(jī)課程教學(xué)方式迫在眉睫。

為解決上述問題，本文采用一體化教學(xué)模式對(duì)單片機(jī)教學(xué)進(jìn)行了改革嘗試，將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合在一起，以教學(xué)計(jì)劃為主導(dǎo)，以任務(wù)教學(xué)法為主要載體，以多種教學(xué)方法的結(jié)合為途徑，形成“教、學(xué)、練”深度融合、互相促進(jìn)的教學(xué)過程，改變了傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)模式，使學(xué)生邊學(xué)邊做，理論緊密聯(lián)系于實(shí)踐，提高了學(xué)生單片機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用的能力。

二、一體化教學(xué)模式改革思路

單片機(jī)課程的一體化教學(xué)模式改革是本著以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)、以任務(wù)教學(xué)法為主導(dǎo)，輔以其它多種教學(xué)手段相結(jié)合，以動(dòng)手實(shí)踐為導(dǎo)向的原則進(jìn)行的。教學(xué)中以提升學(xué)生設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，邊學(xué)邊做，通過一些具體任務(wù)，突出單片機(jī)的“應(yīng)用性”，提高學(xué)生的綜合能力，包括社會(huì)能力、創(chuàng)新能力和專業(yè)能力[3]。社會(huì)能力主要培養(yǎng)學(xué)生之間的交流與溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、組織能力，提高學(xué)生的敬業(yè)精神及社會(huì)責(zé)任心等。創(chuàng)新能力主要培養(yǎng)學(xué)生獲取新知識(shí)、新信息和新技術(shù)的能力，使學(xué)生能夠獨(dú)立進(jìn)行任務(wù)分析、評(píng)價(jià)及實(shí)施；專業(yè)能力主要培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)能力，合理利用和支配資源，擁有較強(qiáng)的職業(yè)生涯規(guī)劃能力等。

在一體化教學(xué)改革過程中，改變了傳統(tǒng)教學(xué)的章節(jié)次序，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了重新歸納整理，加入了大量的典型實(shí)例，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合。并在教學(xué)中給學(xué)生布置一定的學(xué)習(xí)任務(wù)，任務(wù)的安排由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單一到綜合，單個(gè)任務(wù)可以包含某個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，也可以涉及整本書的內(nèi)容。隨著學(xué)生逐漸完成學(xué)習(xí)任務(wù)，教師也從知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)換成知識(shí)學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)，為他們今后的工作或者繼續(xù)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、改革的方法

單片機(jī)的一體化教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力為目標(biāo)，以提高學(xué)用實(shí)用技能為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。讓學(xué)生在實(shí)在實(shí)際操作中，圍繞著即定的任務(wù)和目標(biāo)，一邊學(xué)一邊做來(lái)完成某一教學(xué)任務(wù)。針對(duì)單片機(jī)課程自身的特點(diǎn)，從以下幾方面進(jìn)行改革。

1.改革教學(xué)環(huán)境

沒有健全的基礎(chǔ)設(shè)施和單片機(jī)教學(xué)環(huán)境，一體化教學(xué)模式就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室受資金和場(chǎng)地的限制，一般都采用硬件仿真，這限制了配置的靈活性和完整性[4]。本項(xiàng)目在傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了基于個(gè)人PC和軟件的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)。這種虛擬實(shí)驗(yàn)硬件投入少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面，學(xué)生可在個(gè)人電腦上自行實(shí)驗(yàn)，具有直觀、節(jié)約成本、不受實(shí)驗(yàn)室條件限制等特點(diǎn)。

2.用多種方式結(jié)合的教學(xué)方法改革

教學(xué)方法很大程度上決定了教學(xué)效果如何。如果教學(xué)方法不能跟上時(shí)代需要，就很難得到令人滿意的教學(xué)效果。單片機(jī)課程教學(xué)應(yīng)多利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，采用多種教學(xué)手段來(lái)輔助多媒體教學(xué)，這樣才能明顯提升教學(xué)效果[5]。在單片機(jī)教學(xué)中，若引入以實(shí)踐為主的多種教學(xué)方法，就可以縮短實(shí)踐與理論的差距，發(fā)揮靈活性特點(diǎn)，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。本項(xiàng)目在對(duì)目前單片機(jī)教學(xué)過程中所存在的主要問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，尋求幾種有效的教學(xué)方法與模式，力爭(zhēng)克服單片機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，探索出一條既有利于學(xué)生入門，又能有效提高學(xué)習(xí)效率的途徑。

3.教學(xué)改革實(shí)施方法

考慮到單片機(jī)課程比較抽象、難于理解，因此在教學(xué)模式上改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，采用了邊教邊做邊學(xué)，注重啟法式實(shí)踐教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，同時(shí)還對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行了改革，具體采取的方法如下：

（1）任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)法

我們?cè)诮虒W(xué)中布置多個(gè)任務(wù)，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)完成，記入課程成績(jī)。通過任務(wù)制作，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生主動(dòng)去掌握相關(guān)知識(shí)。學(xué)生通過了解任務(wù)背景、分析任務(wù)要求，提出解決方法，然后設(shè)計(jì)電路、編寫程序，電路安裝、產(chǎn)品調(diào)試，最后進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)，通過這一系列過程培養(yǎng)了學(xué)生的各種能力，如硬件設(shè)計(jì)能力、編程能力、問題分析能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。

例如，在《智能交通燈設(shè)計(jì)》項(xiàng)目，問題的提出：在一個(gè)十字路口要安裝一個(gè)交通燈，可以采用什么方法可以解決這一問題，進(jìn)一步提出，當(dāng)遇到救護(hù)車通過時(shí)該如何設(shè)計(jì)，再進(jìn)一步提出，若在交通繁忙時(shí)，某路口堵車時(shí)，該如何更改交通燈。通過問題的一步步深入，學(xué)生思考的也越深入，所了解的知識(shí)也就越多，越與實(shí)際相關(guān)聯(lián)。

為達(dá)到教學(xué)目的，把即將講授的理論知識(shí)和實(shí)踐技能按照由淺入深、現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的原則安排到一個(gè)個(gè)任務(wù)中，讓學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成這些具有明確應(yīng)用目標(biāo)的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在解決任務(wù)的同時(shí)學(xué)習(xí)理論知識(shí)和提升實(shí)踐技能，從而把單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容分解到一個(gè)個(gè)具體任務(wù)之中。通過這些任務(wù)的實(shí)施，經(jīng)過了解任務(wù)背景、實(shí)地實(shí)物查看、分析問題、討論方案、制定方案、制定實(shí)施方案，即設(shè)計(jì)電路、估算參數(shù)、設(shè)計(jì)印制電路板、采購(gòu)元器件、程序編寫、電路安裝調(diào)試、成果展示、項(xiàng)目總結(jié)等教學(xué)環(huán)節(jié)，綜合提高了學(xué)生的關(guān)鍵能力。

（2）現(xiàn)場(chǎng)演示法

在單片機(jī)教學(xué)過程中，就學(xué)生在任務(wù)實(shí)施過程中遇到的常見問題，開展現(xiàn)場(chǎng)演示方法，介紹編程技巧，介紹相關(guān)軟件使用方法以及程序調(diào)試技巧，然后讓學(xué)生修改程序，觀察調(diào)試結(jié)果。這樣在教學(xué)過程中把理論和實(shí)踐結(jié)合到一起，提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，提升教學(xué)效果。

（3）小組討論啟發(fā)法

在單片機(jī)教學(xué)過程中，讓學(xué)生分成若干個(gè)小組，以自己感興趣的項(xiàng)目為題，設(shè)計(jì)單片機(jī)外圍電路和編制程序，并進(jìn)行小組討論，要求每個(gè)學(xué)生說(shuō)出自己的意見和見解。該方法提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，總結(jié)了自己的學(xué)習(xí)成果，并用語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)。有利于學(xué)生掌握單片機(jī)知識(shí)及素質(zhì)教育的實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生的自信心、語(yǔ)言表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等綜合職業(yè)能力。

（4）教師啟發(fā)法

單片機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐過程中，為引入新的概念和知識(shí)，采用教師啟發(fā)法，讓學(xué)生從工程實(shí)際角度尋求解決問題的方法或，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。同時(shí)加強(qiáng)綜合設(shè)計(jì)性及開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生積極提出原創(chuàng)性設(shè)計(jì)。

（5）依托電子類競(jìng)賽，提高學(xué)生創(chuàng)新能力

組織學(xué)生參加全國(guó)和學(xué)校的各類電子類設(shè)計(jì)競(jìng)賽，如全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、飛思卡爾杯智能車大賽、全國(guó)機(jī)器人大賽等。通過各種電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的積極性和主動(dòng)性，理解也更為透徹。依托各種電子類競(jìng)賽，再與單片機(jī)教學(xué)結(jié)合，構(gòu)造出全新的教學(xué)內(nèi)容體系，在課堂中穿插些一些電子類競(jìng)賽的相關(guān)知識(shí)及注意事項(xiàng)，使學(xué)生更愿意參加這些比賽，而學(xué)生在比賽中，把所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)和實(shí)踐相融合，相互促進(jìn)，極大的提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（6）加大實(shí)踐能力在課程考核中的比重

為全面考核學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的掌握情況，將實(shí)踐能力加大入到課程考核。將任務(wù)制作結(jié)果加入到考核當(dāng)中。任務(wù)制作完成后，要求學(xué)生說(shuō)出單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、硬件電路原理、程序設(shè)計(jì)思想、調(diào)試中遇到的問題、系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果，注重實(shí)踐過程考查和學(xué)生的反饋。對(duì)完成的制作實(shí)物進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，采取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和口試兩種形式，對(duì)任務(wù)制作的過程和質(zhì)量給予綜合評(píng)分，考察學(xué)生技能熟練程度，測(cè)試學(xué)生分析處理實(shí)際問題能力，并將該成績(jī)計(jì)入課程總成績(jī)。

實(shí)際教學(xué)過程中，上述教學(xué)方法不是僅孤立使用某一種教學(xué)方法，經(jīng)常是多種方法的有機(jī)結(jié)合，從而有效提高了教學(xué)效果。

四、結(jié)論

重理論輕實(shí)踐是過去單片機(jī)教學(xué)中的弊端。教學(xué)方法單一，實(shí)踐、教學(xué)內(nèi)容跟不上時(shí)代發(fā)展是單片機(jī)教學(xué)中存在的主要問題。而采用一體化教學(xué)方法，同時(shí)將任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)法、小組討論法，教師啟發(fā)法，現(xiàn)場(chǎng)演示法等應(yīng)于課程改革之中，更加注重了研究實(shí)踐性教學(xué)，可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)需要，采用和變換多種教學(xué)方法結(jié)合，如實(shí)物展示，仿真演示，多媒體講解，實(shí)戰(zhàn)操作等?？梢允箤W(xué)生邊學(xué)邊練，對(duì)單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容快速融會(huì)貫通、舉一反三的教學(xué)效果。通過一體化教學(xué)模式改革，打破實(shí)踐與理論教學(xué)脫節(jié)的現(xiàn)狀，使各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)銜接緊密；提高了學(xué)生動(dòng)手能力，提升了學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)了應(yīng)用型本科人才；將當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)充實(shí)到各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，使教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，同步更新，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（作者單位：天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院）

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