基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用是一門理論聯(lián)系實(shí)際、綜合多學(xué)科知識(shí)的實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。從提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力著手，提出基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，探討了在該課程中實(shí)施此模式的具體步驟、考核方式以及取得的效果。實(shí)踐證明，該教學(xué)模式對(duì)于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、加深知識(shí)理解、提高工程實(shí)踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維等具有積極的作用，是新形勢(shì)下教學(xué)改革的有益嘗試。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目學(xué)習(xí)；教學(xué)改革；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

單片機(jī)原理及應(yīng)用的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生如何將已學(xué)的單片機(jī)知識(shí)應(yīng)用于面向?qū)嶋H工程需求的項(xiàng)目中的能力，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力開發(fā)。[12]基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)（ ProjectBased Learning，PBL）的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一種十分有效的教學(xué)手段，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、加深學(xué)生對(duì)課本理論知識(shí)的理解程度，并提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。[35]

我們將基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式運(yùn)用到單片機(jī)原理及應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，取得了預(yù)期的效果。

1 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)施方法

1.1 改變教學(xué)模式

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和實(shí)踐本著以項(xiàng)目為中心，以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力為目標(biāo)。

在教學(xué)過程中，教師指導(dǎo)學(xué)生小組進(jìn)行資料收集和整理，確立研究進(jìn)程、研究方法，討論實(shí)施路線，學(xué)生小組獨(dú)立、自主完成實(shí)踐項(xiàng)目的各項(xiàng)工作，最后編寫總結(jié)報(bào)告。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，結(jié)合機(jī)電工程學(xué)院的專業(yè)特點(diǎn)和科研項(xiàng)目需求，使學(xué)生從單純模仿到個(gè)人（ 團(tuán)隊(duì)） 創(chuàng)造、從依賴輔導(dǎo)到獨(dú)立設(shè)計(jì)、從被動(dòng)接受到主動(dòng)發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。

1.2 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

在單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過對(duì)基于以理論知識(shí)點(diǎn)為中心的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行內(nèi)容擴(kuò)充和知識(shí)點(diǎn)的重新整理，重構(gòu)PBL教學(xué)內(nèi)容。

（1）對(duì)原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行整合，人工增加應(yīng)用背景，構(gòu)造出多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的虛擬項(xiàng)目。這種遷移策略目的在于最大限度利用現(xiàn)有以理論知識(shí)點(diǎn)為中心的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，確定一系列有一定深度和廣度的復(fù)合問題，為這些問題增加一個(gè)虛構(gòu)應(yīng)用背景，作為 PBL 教學(xué)項(xiàng)目。

對(duì)于復(fù)合問題所包含的知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)造一個(gè)從容易到困難的層次，并在求解問題的時(shí)候通過子問題引導(dǎo)學(xué)生掌握不同層次的知識(shí)點(diǎn)。例如在我院的專業(yè)課單片機(jī)原理及應(yīng)用和機(jī)器人基礎(chǔ)的 PBL 教學(xué)中，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目—基于單片機(jī)控制的機(jī)器人小車，機(jī)器人小車由機(jī)械本體（底盤、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等）和控制部分（轉(zhuǎn)向控制、驅(qū)動(dòng)控制、通信等）組成，可實(shí)現(xiàn)走直線、循跡、避障和PC機(jī)遙控等功能。該項(xiàng)目的控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，其設(shè)計(jì)將涉及“機(jī)械原理”、“機(jī)械設(shè)計(jì)”、“電子技術(shù)”、“傳感與測(cè)試技術(shù)”、“自動(dòng)控制基礎(chǔ)”等課程知識(shí)。該項(xiàng)目通過定義不同的步驟，從容易到困難，并把課程中各種知識(shí)點(diǎn)有效的連接起來，同時(shí)機(jī)器人小車的應(yīng)用背景能激發(fā)學(xué)生求解問題的熱情，因此在實(shí)踐中取得了較好效果。

（2）在實(shí)際應(yīng)用中尋找包含相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的項(xiàng)目，并把原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容以理論指導(dǎo)的方式加入到真實(shí)項(xiàng)目中。在實(shí)際應(yīng)用中尋找能夠覆蓋教學(xué)計(jì)劃中知識(shí)點(diǎn)的項(xiàng)目，并加以改造，對(duì)其中的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行細(xì)化和更明確定義。

1.3 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

單片機(jī)課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)應(yīng)該引起高度重視。由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)人數(shù)等因素的限制，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)大多數(shù)停留在驗(yàn)證性層次。為了解決這個(gè)問題，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Proteus仿真軟件和Keil C編程軟件搭建的虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生只要有臺(tái)電腦，在電腦上安裝了Proteus軟件和Keil C軟件，就可以在這個(gè)仿真平臺(tái)上做虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)時(shí)間不受限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也不受限制，既可以是基本實(shí)驗(yàn)，也可以是綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這樣為實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)帶來很大靈活性。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，利用Proteus軟件提供的元器件模型和外設(shè)模型設(shè)計(jì)硬件電路原理圖，在Keil軟件中編寫程序代碼，最后聯(lián)合調(diào)試觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有的實(shí)驗(yàn)需要利用虛擬儀器儀表的輸入輸出效果輔助檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的教學(xué)方法，讓學(xué)生既了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，又鍛煉了編程能力，同時(shí)給學(xué)生提供了更大的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新空間。

1.4 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐

教師預(yù)先準(zhǔn)備 12個(gè)左右的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其中4個(gè)是必選基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，8個(gè)是綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目，學(xué)生自由組成小組，提倡每個(gè)學(xué)生組自主提出設(shè)計(jì)項(xiàng)目，同時(shí)，當(dāng)教師認(rèn)為學(xué)生的設(shè)計(jì)項(xiàng)目具備可行性時(shí)，學(xué)生組采用主動(dòng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目；反之，學(xué)生組從預(yù)先準(zhǔn)備的8個(gè)綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目中選擇一個(gè)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)要考慮到其知識(shí)容量，實(shí)踐難度，與課程的關(guān)聯(lián)程度等，各個(gè)題目之間應(yīng)該盡量均衡；既要滿足課程知識(shí)構(gòu)建的需要，也要根據(jù)機(jī)電工程學(xué)院的專業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)綜合性的題目；設(shè)計(jì)的題目需要有一些擴(kuò)展性，給學(xué)生的思維擴(kuò)展和獨(dú)立探索留有空間，充分考慮學(xué)生的自主要求。

每組學(xué)生需要對(duì)題目進(jìn)行全面分析和討論，在正式實(shí)施前，要進(jìn)行由課程組全體老師組成的開題答辯，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的可行性進(jìn)行論證。之后學(xué)生在機(jī)電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心（河南省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心）開展項(xiàng)目研究，完成電路設(shè)計(jì)、制作、程序設(shè)計(jì)、調(diào)試、改進(jìn)、完善等，最終提供規(guī)范的設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，進(jìn)行結(jié)題答辯及實(shí)物展示。

為及時(shí)解答學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的問題，每周安排一個(gè)下午或晚上由任課教師、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和全天候由教學(xué)助手（由年輕老師或是高年級(jí)本科生擔(dān)任）為學(xué)生答疑，以使學(xué)生遇到的問題及時(shí)解決，保證項(xiàng)目的進(jìn)度。

1.5 考核評(píng)價(jià)方式

創(chuàng)新考試模式的改革，克服死記硬背，一張?jiān)嚲矶ǔ煽?jī)的弊病，重點(diǎn)放在考查學(xué)生實(shí)際的軟硬件設(shè)計(jì)能力的考核上。總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)5%+期中成績(jī)15%+綜合性設(shè)計(jì)20%+實(shí)驗(yàn)20%+期末試卷40%成績(jī)組成，除考查學(xué)生掌握基本概念、知識(shí)點(diǎn)的情況外，重點(diǎn)考察實(shí)際的軟、硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。

基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用實(shí)驗(yàn)出勤20%+實(shí)驗(yàn)過程表現(xiàn)40%+實(shí)驗(yàn)報(bào)告40%的考核方式，綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目采用硬件電路原理圖30%+軟件運(yùn)行30%+系統(tǒng)運(yùn)行40%的考核方式，由任課教師、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和教學(xué)助手組成項(xiàng)目驗(yàn)收組，聽取每個(gè)小組的研究總結(jié)匯報(bào)，并經(jīng)過提問、答辯、點(diǎn)評(píng)和實(shí)物演示等互動(dòng)，進(jìn)一步分析討論各個(gè)題目完成的情況、存在的問題、其他解決方案以及優(yōu)化改進(jìn)的措施，同時(shí)由教學(xué)助手做好答辯記錄。最后老師根據(jù)考核方式及各小組題目的難易程度、預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況、答辯情況和最終結(jié)果以及提交的總結(jié)報(bào)告等資料情況，討論確定各小組的成績(jī)。

我們的考核方法盡量做到全面、公平，當(dāng)然仍需要進(jìn)一步在教學(xué)實(shí)踐中改進(jìn)和完善。

2 實(shí)施效果

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)大大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)該課程的興趣，有效提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，同時(shí)教學(xué)效果得到明顯提升?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了自我學(xué)習(xí)能力和終身學(xué)習(xí)能力。項(xiàng)目實(shí)施中鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)題目，對(duì)原有的題目進(jìn)行改進(jìn)，這充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造力。

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的能力。項(xiàng)目的實(shí)施是以小組為單位，分工合作。在這個(gè)過程中，小組成員為了共同的目標(biāo)而努力，相互之間建立充分的信任，共同面對(duì)問題，調(diào)動(dòng)團(tuán)隊(duì)成員的所有資源和才智完成項(xiàng)目的實(shí)施。

經(jīng)過項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式的洗禮，學(xué)生們提高了動(dòng)手能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，組織學(xué)生參加全國(guó)及河南省內(nèi)專業(yè)設(shè)計(jì)比賽。

如以《基于單片機(jī)控制的機(jī)器人小車》為項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，組織學(xué)生參加河南省第一屆河南省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽，并獲得一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)的成績(jī)。

以《硬幣分揀機(jī)》為項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，組織學(xué)生參加第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽河南賽區(qū)預(yù)賽，獲得一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)的好成績(jī)以及第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)；

以“網(wǎng)店商品自動(dòng)包裝機(jī)”為項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，組織學(xué)生參加第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組（2016）競(jìng)賽，獲得三等獎(jiǎng)等。

3 結(jié)語(yǔ)

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革創(chuàng)新與實(shí)踐在新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院已經(jīng)開展 2 年，通過課程實(shí)踐，學(xué)生更加深入地理解了單片機(jī)原理，掌握了單片機(jī)應(yīng)用的基本知識(shí)，一致認(rèn)為課程學(xué)習(xí)后收獲大，開課價(jià)值高。但是在同時(shí)有多門專業(yè)課程要修讀的情況下，如何使學(xué)生能夠既完成本課程項(xiàng)目又不至于占用過多時(shí)間，如何加強(qiáng)各小組間的交流等問題，值得我們?cè)诟母镏兴伎己屯晟?，并推廣應(yīng)用到更多的專業(yè)課程。

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基金項(xiàng)目：2015年河南省教育技術(shù)裝備和實(shí)踐教育研究。課題編號(hào)：GZS093（河南省教育廳 教技裝[2016]35號(hào)）；新鄉(xiāng)學(xué)院青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目（1244160014）

作者簡(jiǎn)介：付會(huì)凱（1980），副教授，碩士，研究方向：機(jī)電一體化信息處理與控制技術(shù)。