工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

張 典 莊克玉 張奇志

（青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266061）

0　引言

我國(guó)從2015年開(kāi)始開(kāi)展工程教育專業(yè)認(rèn)證試點(diǎn)工作，目的是為了工程教育改革，提高工程教育畢業(yè)生的質(zhì)量，同時(shí)促進(jìn)該教育國(guó)際認(rèn)同和提升我國(guó)工程技術(shù)人才的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和影響力。2016年6月，我國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》，這標(biāo)志我國(guó)的工程教育體系得到了國(guó)際組織的認(rèn)可，教育部、財(cái)政部在“實(shí)施本科教學(xué)工程”的意見(jiàn)指出，將明確建立自動(dòng)化、測(cè)控等專業(yè)認(rèn)證體系作為主要建設(shè)內(nèi)容之一。因此，全國(guó)很多有工程背景的高等院校紛紛開(kāi)展工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。青島科技大學(xué)的自動(dòng)化專業(yè)是山東省特色專業(yè)，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，理論與實(shí)踐相結(jié)合，科學(xué)素質(zhì)與人文素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，具備控制理論與控制工程技術(shù)的高級(jí)工程技術(shù)人才。

為契合目前專業(yè)認(rèn)證的大背景，自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)方案、課程體系、教學(xué)目標(biāo)和方法、考核方式等均需要做出重大改革。本文以青島科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程為例進(jìn)行工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的教學(xué)改革研究。

1　課程特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

自動(dòng)化專業(yè)專業(yè)主要研究工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)控制理論及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，自動(dòng)化單元技術(shù)和集成技術(shù)。它以自動(dòng)控制理論為基礎(chǔ)，以電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)為主要工具，面向工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制及各行業(yè)、各部門(mén)的自動(dòng)化。它具有控制與管理結(jié)合，強(qiáng)電與弱電并重，軟件與硬件協(xié)調(diào)等鮮明特點(diǎn)，是多學(xué)科交叉的寬口徑工科專業(yè)?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”課程是自動(dòng)化專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，總學(xué)時(shí)是48學(xué)時(shí)，其中包括課堂32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。課程融合了數(shù)字電路、高級(jí)語(yǔ)言、控制原理等相關(guān)課程知識(shí)，同時(shí)也是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。從現(xiàn)代工程認(rèn)證的角度看傳統(tǒng)的課堂模式，存在諸多弊端，具體如下：

（1）該課程知識(shí)面寬，內(nèi)容抽象枯燥，教師的講解和學(xué)生的學(xué)習(xí)難度都比較大，教師課堂講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，不利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。目前我校該課程主要教學(xué)內(nèi)容包括MCS-51單片機(jī)寄存器結(jié)構(gòu)、引腳功能、總線與時(shí)序、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)、接口電路等。實(shí)驗(yàn)使用SXL-100B+(PCI)實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也主要是由生產(chǎn)商預(yù)先給出，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以突破實(shí)驗(yàn)箱的限制，某些創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法開(kāi)出，與工程認(rèn)證的思想相違背，同時(shí)維護(hù)實(shí)驗(yàn)箱很不方便[1-2]。

（2）“驗(yàn)證性”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

傳統(tǒng)模式的實(shí)驗(yàn)課程中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)多，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)A向于對(duì)理論講述知識(shí)的驗(yàn)證，沒(méi)有趣味性的實(shí)驗(yàn)，幾乎沒(méi)有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，與工程教育專業(yè)認(rèn)證指導(dǎo)思想相違背，不能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，無(wú)法培養(yǎng)創(chuàng)新性工程師。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生完全參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，每2人一組，按部就班地輸入指令和連線操作，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上觀察應(yīng)出現(xiàn)的特定現(xiàn)象等，學(xué)生幾乎沒(méi)有獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的機(jī)會(huì)[3-4]。

從以上幾點(diǎn)可以看出，以往的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)輕視了動(dòng)手能力的培養(yǎng)，也忽視了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和終身學(xué)習(xí)的能力的提升，與專業(yè)認(rèn)證的理念要求有很大差距。本研究正是在以上幾點(diǎn)不足的基礎(chǔ)上提出的。

2　工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下教學(xué)改革思路

2.1　課堂教學(xué)的改革

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課堂教學(xué)占32個(gè)學(xué)時(shí)，為了取得良好的課堂效果，根據(jù)專業(yè)特色和要求，選定一本合適自動(dòng)化專業(yè)的教材。教研室課題組老師們反復(fù)研究，最終選擇姜志海編著的 《單片機(jī)原理及應(yīng)用》（第4版），本書(shū)從教學(xué)的角度出發(fā)，系統(tǒng)、全面地介紹51系列單片機(jī)的基本知識(shí)，是一本重在原理與應(yīng)用、兼顧理論的實(shí)用教程。主要內(nèi)容包括：概述、51系列單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、單片機(jī)指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、中斷及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用基礎(chǔ)、串行口應(yīng)用基礎(chǔ)、并行擴(kuò)展接口技術(shù)等。在上課過(guò)程中，徹底改變了傳統(tǒng)“滿堂灌”式的教學(xué)模式，采用設(shè)問(wèn)、研討式的教學(xué)方式，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變主動(dòng)學(xué)習(xí)，其主要方法是在每節(jié)課前，根據(jù)課程各部分的知識(shí)點(diǎn)提出問(wèn)題，可以將學(xué)生分成幾個(gè)討論小組，讓學(xué)生查閱資料，然后通過(guò)在實(shí)驗(yàn)課上討論和陳述觀點(diǎn)使學(xué)生牢固掌握知識(shí)點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，活躍教學(xué)氣氛，提高教學(xué)效果。

2.2　實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證指導(dǎo)思想的要求，課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革使學(xué)生具備掌握單片微機(jī)指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)。具體實(shí)施如下：

（1）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)：在課堂教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)課堂講授和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)知識(shí)作好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，并在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行驗(yàn)證。教師應(yīng)在實(shí)驗(yàn)課上與學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的分析過(guò)程和方法，加深理解指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的過(guò)程。

（2）項(xiàng)目式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)：經(jīng)歷幾次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后，比如匯編語(yǔ)言排序?qū)嶒?yàn)、簡(jiǎn)單的I/O接口實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行程序輸入、硬件連線的操作后，迫切希望自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)有點(diǎn)難度的實(shí)驗(yàn)。此時(shí)可以要求學(xué)生完成一些項(xiàng)目式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)，可以設(shè)計(jì)利用8255實(shí)現(xiàn)LED顯示實(shí)驗(yàn)、8253定時(shí)/計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)、以及難度更大的十字路口交通燈控制實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)。在具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，不設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)答案，只要學(xué)生能夠正確實(shí)現(xiàn)功能即可。經(jīng)歷過(guò)項(xiàng)目式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生能夠進(jìn)一步加深對(duì)本課程的認(rèn)知和理解，極大提高了學(xué)生的創(chuàng)新熱情和自信心。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)掘和選取合適的項(xiàng)目課題，充分調(diào)動(dòng)大學(xué)生的主觀能動(dòng)性，發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)合作精神，是學(xué)生學(xué)習(xí)效果達(dá)到課程大綱的要求，同時(shí)具備了終身學(xué)習(xí)的能力。在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)類的實(shí)驗(yàn)中，可以將一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小項(xiàng)目，通過(guò)小項(xiàng)目的訓(xùn)練學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)掌握復(fù)雜項(xiàng)目的能力，使得學(xué)生既有整體的認(rèn)識(shí)，又有專業(yè)的訓(xùn)練，進(jìn)而在校園里就能獲得較為豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3　教學(xué)大綱的修訂

針對(duì)傳統(tǒng)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)出現(xiàn)的種種弊端，學(xué)院組織自動(dòng)化專業(yè)教研室和專業(yè)教師對(duì)本課程的教學(xué)大綱做了較大修訂。對(duì)于課程的性質(zhì)、目的和教學(xué)任務(wù)做了較為詳細(xì)的規(guī)定，課程性質(zhì)為自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)必修基礎(chǔ)課，是一門(mén)面向工程應(yīng)用、具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、創(chuàng)新性的課程。教學(xué)目的是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握單片微機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、引腳功能、系統(tǒng)擴(kuò)展、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)和每個(gè)章節(jié)需要講述的內(nèi)容太；同時(shí)給出了4點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)：

（1）了解單片微機(jī)發(fā)展歷程和現(xiàn)代單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）掌握現(xiàn)代單片微機(jī)體系結(jié)構(gòu)、引腳功能、程序設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容。

（3）能夠利用單片微機(jī)開(kāi)展工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、并給出正確答案。

（4）學(xué)生通過(guò)此課程的學(xué)習(xí)，具備團(tuán)隊(duì)合作能力和終生學(xué)習(xí)的能力。

4　考核方式改革

學(xué)生考試成績(jī)不僅是學(xué)生最為關(guān)心的焦點(diǎn)之一，也是用人單位作為對(duì)畢業(yè)生能力評(píng)價(jià)的一個(gè)重要標(biāo)志。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生的考試成績(jī)由期末一張?jiān)嚲碓u(píng)定，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程評(píng)價(jià)，在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，這種考試模式的弊端顯得尤為突出。我院召集了自動(dòng)化專業(yè)教研室的教師及涉及到自動(dòng)化專業(yè)課程的老師一起，探討專業(yè)認(rèn)證背景下，如何改革課程的考核方式，根據(jù)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程特點(diǎn)及專業(yè)特點(diǎn)，具體改革方式如下：

學(xué)生的最終成績(jī)是由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)構(gòu)成。具體分配如下，實(shí)驗(yàn)課程分為8個(gè)實(shí)驗(yàn)（6個(gè)驗(yàn)證性和2個(gè)項(xiàng)目式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)），每個(gè)實(shí)驗(yàn)滿分10分，8個(gè)實(shí)驗(yàn)共80分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占20分，這兩個(gè)成績(jī)占總成績(jī)的60%，期末考試成績(jī)滿分100分，占總成績(jī)的40%。具體公式如下：

5　總結(jié)與展望

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)課程是是一門(mén)理論性比較強(qiáng)，且與工程實(shí)踐聯(lián)系相對(duì)緊密的課程。論文給出了傳統(tǒng)課堂講授方式、課程考核的弊端，引出工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方式。專業(yè)認(rèn)證要求以成果為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心，建立持續(xù)改進(jìn)機(jī)制的理念，逐漸被我國(guó)高等院校工程類專業(yè)所接受。通過(guò)本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了良好的效果，參與自動(dòng)化專業(yè)工程認(rèn)證培訓(xùn)的教師們也受益匪淺，實(shí)現(xiàn)了由過(guò)去“填鴨式”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的模式，逐步與國(guó)際工程教育接軌。教師們一直認(rèn)為在今后的教學(xué)課程中，凡是涉及到工程類專業(yè)的課程，均按照工程認(rèn)證方式進(jìn)行講授，同時(shí)也定期走訪用人單位，對(duì)本課程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，提高畢業(yè)生的就業(yè)能力，以滿足國(guó)內(nèi)外對(duì)于工程類人才需求。

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