工程教育認(rèn)證背景下的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

譚筠梅，藍(lán) 天，張 晶

(蘭州交通大學(xué) 國家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730070)

2013年6月國際工程聯(lián)盟大會(huì)經(jīng)過正式表決，全票同意接納中國成為《華盛頓協(xié)議》的預(yù)備成員，標(biāo)志著我國工程教育(專業(yè))認(rèn)證進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性的實(shí)施階段[1]，這對(duì)我國的高等教育改革將產(chǎn)生巨大的影響與推動(dòng)作用。為了適應(yīng)國際工程教育認(rèn)證的發(fā)展形勢，滿足我國工程教育改革和深入，推進(jìn)工程認(rèn)證工作的需要，我國對(duì)《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》不斷進(jìn)行修訂，目前最新版本是 《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(2015版)》[2]。全國各類高校都非常重視工程教育認(rèn)證的工作，因?yàn)樗粌H是對(duì)本科工程類專業(yè)教育水平的一種評(píng)估，也可不斷提高工科專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量和工程類專業(yè)的國際競爭力[3]。

蘭州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程等專業(yè)獲批參加2016年的工程教育專業(yè)認(rèn)證。在此背景下，學(xué)校修訂了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃。在新的培養(yǎng)計(jì)劃中對(duì)于工程認(rèn)證本科教育提出了從人文文化、科學(xué)文化到工程文化等10個(gè)方面的要求。如計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在畢業(yè)要求的第4點(diǎn)要求，即學(xué)生應(yīng)能運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)、有關(guān)開發(fā)工具和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行研究，并能分析(了解)工具使用的局限性，解決計(jì)算機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、測試及實(shí)施過程中的實(shí)際工程問題。畢業(yè)要求的第8點(diǎn)，即要求學(xué)生具有一定的組織管理能力，能在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)發(fā)揮作用。新的教學(xué)要求對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式提出新的挑戰(zhàn)，改革現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程尤其是工程實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式迫在眉睫。

1 課程存在的問題及改革方向

單片機(jī)技術(shù)是高校計(jì)算機(jī)類硬件課程體系的重要課程，也是一門較能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的實(shí)用性課程。通過調(diào)研，我校開設(shè)單片機(jī)技術(shù)課程的專業(yè)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程、軌道交通與信號(hào)控制等多個(gè)專業(yè)，一般該課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)都在16或32課時(shí)。如表1所示，為16課時(shí)下常見的一些單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可看出這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間缺乏關(guān)聯(lián)性且絕大多數(shù)都是演示性實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式脫離了工程教育的培養(yǎng)要求，導(dǎo)致學(xué)生缺乏現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)思想和方法，欠缺綜合運(yùn)用多方面知識(shí)解決實(shí)際工程的能力。

為了把工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求逐條地落實(shí)到每一門課程的培養(yǎng)教學(xué)大綱中，針對(duì)當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題，制定了新的單片機(jī)課程的培養(yǎng)目標(biāo)，使得學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)能夠達(dá)到畢業(yè)能力指標(biāo)點(diǎn)的要求。新的培養(yǎng)目標(biāo)要求通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、接口電路、軟件編程及應(yīng)用系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力；培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用各種單片機(jī)軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的能力；以小組為單位，通過協(xié)作完成一個(gè)中小型工程應(yīng)用項(xiàng)目系統(tǒng)開發(fā)的能力。

表1 常見的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

課題組對(duì)當(dāng)前的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行了改革，把單片機(jī)技術(shù)的教學(xué)與實(shí)際工程項(xiàng)目相結(jié)合，提出新的單片機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是項(xiàng)目引領(lǐng)和層次化的實(shí)驗(yàn)。在這種新的教學(xué)方式下，師生可以共同參與，以教師為引導(dǎo)、以學(xué)生為主體、以完成一個(gè)完整工程項(xiàng)目為教學(xué)目標(biāo)，可充分提高教學(xué)效率、調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性[4－6]。

2 項(xiàng)目引領(lǐng)式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

為了解決現(xiàn)有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題，在教學(xué)中必須要突破傳統(tǒng)的教學(xué)方法，引入工程教育認(rèn)證的理念。解決復(fù)雜工程問題是國際工程教育發(fā)展的大趨勢，也是合格工程師必須具備的能力[7－8]。為此，在單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用了工程項(xiàng)目引領(lǐng)的教學(xué)模式，就是以工程項(xiàng)目為依托，讓學(xué)生參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作及調(diào)試，使學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施體驗(yàn)中獲得經(jīng)驗(yàn)和技能，培養(yǎng)出基于系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)意識(shí)和理念，從而達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)目標(biāo)，同時(shí)也可培養(yǎng)學(xué)生交流溝通能力及團(tuán)隊(duì)合作精神[9]。

項(xiàng)目的選取和設(shè)置應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生來變換。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要有系統(tǒng)性和實(shí)踐性，在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的過程中不僅要利用所學(xué)知識(shí)與理論，同時(shí)也要讓學(xué)生了解并緊跟行業(yè)相關(guān)需求，注重領(lǐng)域內(nèi)前沿技術(shù)，這樣才能真正體現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化，傳授知識(shí)與培養(yǎng)能力一體化[10]。

基于以上原則，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)必須根據(jù)學(xué)生的興趣愛好，掌握知識(shí)和技能的不同程度來設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際情況將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目科學(xué)地劃分為基礎(chǔ)和提高兩個(gè)級(jí)別，同時(shí)合理分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)，合理設(shè)計(jì)任務(wù)難度，達(dá)到既可完成每個(gè)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的要求，又可讓不同層次水平的學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況完成相應(yīng)難度的任務(wù)，找到完成任務(wù)的自豪感[11]。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

以 “大項(xiàng)目、小任務(wù)”為宗旨，設(shè)計(jì)了多個(gè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并對(duì)每一個(gè)大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了教學(xué)及實(shí)驗(yàn)任務(wù)分解。針對(duì)課時(shí)少的專業(yè)，設(shè)計(jì)了難度相對(duì)較小的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)測系統(tǒng)。按照單片機(jī)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思路，將該項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)分解，劃分成幾個(gè)小的功能模塊，包括最小系統(tǒng)的搭建、系統(tǒng)顯示模塊報(bào)警模塊、系統(tǒng)輸入模塊、溫度監(jiān)測模塊和溫度控制模塊，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分解及課時(shí)分配如圖1所示。與表1進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)同樣是教學(xué)內(nèi)容要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，改變了以往開設(shè)的這些常見的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是獨(dú)立無關(guān)聯(lián)這一缺點(diǎn)，以單片機(jī)最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過知識(shí)點(diǎn)的不斷增加逐步實(shí)現(xiàn)每一模塊的功能，最終完成該工程項(xiàng)目，使學(xué)生初步掌握了獨(dú)立進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作的能力。

圖1 農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成圖

針對(duì)一些課時(shí)相對(duì)較多，在嵌入式、單片機(jī)方向具有較高培養(yǎng)目標(biāo)和要求的專業(yè)，設(shè)計(jì)了一些相對(duì)具有一定難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如圖2所示，是其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“智能家居系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)任務(wù)分解和課時(shí)分配圖。該項(xiàng)目包含單片機(jī)最小系統(tǒng)搭建、系統(tǒng)顯示報(bào)警模塊、系統(tǒng)輸入模塊、系統(tǒng)通信模塊和家居控制模塊。通過實(shí)際的單片機(jī)工程項(xiàng)目可以打開學(xué)生的興趣大門，通過把每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)落實(shí)到每一次實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，使學(xué)生積極主動(dòng)并循序漸進(jìn)地掌握知識(shí)及應(yīng)用，不斷提高他們的工程實(shí)踐能力，達(dá)到工程教育認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)。

圖2 智能家居系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成圖

3 項(xiàng)目引領(lǐng)式的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)組織和任務(wù)分配

在工程認(rèn)證教育的背景下，針對(duì)不同專業(yè)，基于工程項(xiàng)目引領(lǐng)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)屬性和教學(xué)組織形式不同，如在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，該課程為必修課，有兩個(gè)學(xué)分，課程屬性為實(shí)踐類課程，考核方式為考試。此外，面向全校沒有開設(shè)該課程的學(xué)生，也按這種新的教學(xué)方式在每學(xué)期都開設(shè)了開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生被這種新的教學(xué)方式吸引，報(bào)名和學(xué)習(xí)熱情高漲。

在教學(xué)過程中，以項(xiàng)目為中心，以提高學(xué)生工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，按照項(xiàng)目管理的方式開展教學(xué)，教師相當(dāng)于項(xiàng)目經(jīng)理，學(xué)生是實(shí)施項(xiàng)目的主體[10]。把學(xué)生按3～4人分成一組，每組設(shè)有組長，小組成員既有分工又有合作。指導(dǎo)教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行講解，布置任務(wù)，給出建議實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。按照工程化的方法開展并完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求每組學(xué)生給出一份項(xiàng)目計(jì)劃書，項(xiàng)目計(jì)劃書中列出合理的項(xiàng)目計(jì)劃及小組成員職責(zé)分工表，把項(xiàng)目分工完成情況作為評(píng)價(jià)每位學(xué)生最終考核成績的依據(jù)之一。

在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的過程中，指導(dǎo)教師需要講解項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)所需的基本原理及技術(shù)難點(diǎn)，教師講解時(shí)注重單片機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法及常見問題的解決方法。教師還要重視學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下首先對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，分配好硬件資源，設(shè)計(jì)好軟件流程。將項(xiàng)目劃分為不同模塊，從搭建單片機(jī)最小系統(tǒng)開始實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊，最后系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目。

3.2 實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)價(jià)與考核

項(xiàng)目式教學(xué)模式不但要求對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)個(gè)人的評(píng)價(jià)和對(duì)小組的評(píng)價(jià)[12]。為了達(dá)到工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求，體現(xiàn)工程教育認(rèn)證下課程目標(biāo)的達(dá)成度，針對(duì)如前所述的畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)4和指標(biāo)點(diǎn)8，對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了指標(biāo)點(diǎn)分解，制定了多條考核標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分依據(jù)，如表2所示，為部分考核指標(biāo)及評(píng)分依據(jù)，對(duì)每個(gè)學(xué)生的每次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都從這些角度進(jìn)行考核并給出成績，學(xué)生的最終成績?yōu)楦鞔螌?shí)驗(yàn)成績的平均分，且這個(gè)成績也能較好地體現(xiàn)出課程目標(biāo)的達(dá)成度。

表2 實(shí)驗(yàn)成績考核和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

國際工程教育專業(yè)認(rèn)證為我國IT類人才培養(yǎng)提供了新的思路。以認(rèn)證的理念和標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)思想，以滿足工程教育認(rèn)證的新的培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案作為切入點(diǎn)，對(duì)單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革和實(shí)踐，設(shè)計(jì)了分層次的基于項(xiàng)目引領(lǐng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

[1]光明網(wǎng).中國加入 《華盛頓協(xié)議》工程教育質(zhì)量得到國際認(rèn)可[EB/OL]. (2013－08－20) [2013－11－20].http://edu.gmw.cn/2013－08/20/content＿ 8657268.html.

[2]中國工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)官網(wǎng).工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL]. (2015－05－16)[2015－06－22].http://meea.cmes.org/article.aspx＃id ＝3.

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