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

【摘 要】工程教育專業(yè)認(rèn)證是由行業(yè)協(xié)會、專業(yè)學(xué)會等領(lǐng)域的專家對高等院校開設(shè)的工程類專業(yè)教育開展的認(rèn)證，旨在為工程技術(shù)人才從業(yè)提供教育質(zhì)量保證。在工程教育背景下，文中提出了單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革方案，首先介紹了專業(yè)認(rèn)證的意義，然后通過具體課程知識的結(jié)構(gòu)、課程教學(xué)改革、考核方式的改革開展分析，給出了適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求下的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】工程教育；專業(yè)認(rèn)證；單片機(jī)原理及應(yīng)用；教學(xué)改革

中圖分類號： TP29， 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0043-002

Under the Background of the Professional Education of Engineering Education， “The Principle and Application of Single Chip Microcomputer” Research on Experimental Teaching Reform

ZHANG Dian ZHUANG Ke-yu ZHANG Qi-zhi

（School of Automation and Electronic Engineering， Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266061， China）

【Abstract】The engineering education certification is a certification of engineering specialties offered by colleges and universities in the fields of industry associations， professional societies and other fields， aiming at providing education quality assurance for engineering and technical personnel. Under the background of engineering education， this paper proposes the principle of SCM and the teaching reform of the applied curriculum. Firstly， it introduces the significance of professional certification. Then， through the analysis of the structure of specific curriculum knowledge， the teaching reform of the curriculum and the reform of assessment methods， Education Professional Certification Requirements of the “SCM Principle and Application” teaching mode.

【Key words】Engineering education； Professional certification； SCM theory and application； Teaching reform

0 引言

我國從2015年開始開展工程教育專業(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)該教育國際認(rèn)同和提升我國工程技術(shù)人才的國際競爭力和影響力。2016年6月，我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，這標(biāo)志我國的工程教育體系得到了國際組織的認(rèn)可，教育部、財(cái)政部在“實(shí)施本科教學(xué)工程”的意見指出，將明確建立自動(dòng)化、測控等專業(yè)認(rèn)證體系作為主要建設(shè)內(nèi)容之一。因此，全國很多有工程背景的高等院校紛紛開展工程教育專業(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)及存在的問題

自動(dòng)化專業(yè)專業(yè)主要研究工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動(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)過程自動(dòng)控制及各行業(yè)、各部門的自動(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、高級語言、控制原理等相關(guān)課程知識，同時(shí)也是一門實(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，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)目無法開出，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)過多，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目傾向于對理論講述知識的驗(yàn)證，沒有趣味性的實(shí)驗(yàn)，幾乎沒有創(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，無法培養(yǎng)創(chuàng)新性工程師。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生完全參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，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)生幾乎沒有獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的機(jī)會[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，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、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)課程各部分的知識點(diǎn)提出問題，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。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)過程中，根據(jù)課堂講授和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書設(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)過程中遇到的問題，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的分析過程和方法，加深理解指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的過程。

（2）項(xiàng)目式開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)：經(jīng)歷幾次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后，比如匯編語言排序?qū)嶒?yàn)、簡單的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)歷過項(xiàng)目式開發(fā)實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生能夠進(jìn)一步加深對本課程的認(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)相對獨(dú)立的小項(xiàng)目，通過小項(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，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)教師對本課程的教學(xué)大綱做了較大修訂。對于課程的性質(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、高級語言程序設(shè)計(jì)等方面的知識和每個(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。

（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畢業(yè)生能力評價(jià)的一個(gè)重要標(biāo)志。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生的考試成績由期末一張?jiān)嚲碓u定，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)的過程評價(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)生的最終成績是由平時(shí)成績和期末考試成績構(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)成績占總成績的60%，期末考試成績滿分100分，占總成績的40%。

5 總結(jié)與展望

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)課程是是一門理論性比較強(qiáng)，且與工程實(shí)踐聯(lián)系相對緊密的課程。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，逐漸被我國高等院校工程類專業(yè)所接受。通過本學(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，以滿足國內(nèi)外對于工程類人才需求。

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