以“學(xué)科競(jìng)賽為平臺(tái)、應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心”單片機(jī)課程教學(xué)改革的研究

鄭洪慶，程 蔚，蔡 凡，韓之剛，張洪杰

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅362700）

隨著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，對(duì)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)對(duì)人才的能力提出高要求。以培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，借助學(xué)科競(jìng)賽這平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，分析、解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力[1]。對(duì)于電子信息類的學(xué)生來(lái)說(shuō)，單片機(jī)是一門很重要的必修課程。結(jié)合我校電子信息工程專業(yè)的需求和定位，依托2017年福建省本科重大教改項(xiàng)目，對(duì)單片機(jī)課程進(jìn)行改革。提出以學(xué)科競(jìng)賽為平臺(tái)，以應(yīng)用能力培養(yǎng)為目的的課程教學(xué)模式。

1 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 理論課時(shí)較多，缺乏實(shí)踐

目前大部分高校的單片機(jī)教學(xué)是先理論再實(shí)驗(yàn)，理論課只講不做，實(shí)驗(yàn)課只做不講，理論和實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上斷檔。另外，課堂上知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生遇到問(wèn)題無(wú)法在課堂上解決，日積月累造成學(xué)生失去學(xué)習(xí)動(dòng)力[2]。

1.2 設(shè)備陳舊，缺乏應(yīng)用創(chuàng)新

傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室一般采用實(shí)驗(yàn)箱，雖然比較全面，但形式固化更新速度慢，不利于學(xué)生接觸新技術(shù)[3]。實(shí)驗(yàn)箱自身開(kāi)發(fā)能力較弱，學(xué)生想完成設(shè)計(jì)性和綜合性設(shè)計(jì)時(shí)，受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，無(wú)法提升創(chuàng)新實(shí)踐。

1.3 單片機(jī)課程與其他相關(guān)課程缺乏聯(lián)系

單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)一般離不開(kāi)傳感器，控制算法等。涉及這些內(nèi)容的課程的授課教師與單片機(jī)授課教師不同，教學(xué)內(nèi)容、計(jì)劃缺乏整合，教師之間缺少溝通，不能將知識(shí)進(jìn)行整合教學(xué)[4]，很容易造成學(xué)生知識(shí)的孤立，不能掌握系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)和技能，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)。

1.4 競(jìng)賽資源不足，缺乏引領(lǐng)

學(xué)生希望通過(guò)參加各類學(xué)科競(jìng)賽提高自身的創(chuàng)新實(shí)踐能力，但競(jìng)賽資源不足[5]。比如教師指導(dǎo)不到位，教師自身能力，課程內(nèi)容限制，教學(xué)過(guò)程中沒(méi)有引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)高級(jí)的芯片以及學(xué)生自學(xué)能力等[6]。

2 單片機(jī)課程教學(xué)改革實(shí)踐

2.1 基于學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)的重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 “電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”平臺(tái)

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目涉及電子信息類的相關(guān)課程包括電路、模電、數(shù)電、傳感器、自動(dòng)控制原理，單片機(jī)等，涉及知識(shí)面廣，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)要求高[7]。選擇合適的傳感器及元件，設(shè)計(jì)電路，制作電路板，焊接電路，編寫(xiě)程序，采用不同的控制算法完成對(duì)象控制。在訓(xùn)練和競(jìng)賽中，接觸到新技術(shù)和新器件，對(duì)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的要求[8]。在理論教學(xué)中增加電子涉及的新技術(shù)和新器件的應(yīng)用等，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，摒棄陳舊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如分立元件的電路實(shí)驗(yàn)，增加集成運(yùn)放的各種應(yīng)用、電子線路仿真設(shè)計(jì)等內(nèi)容，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.1.2 “藍(lán)橋杯”全國(guó)軟件與信息技術(shù)專業(yè)人才大賽

大賽單片機(jī)組，主要針對(duì)配套的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成題目的程序設(shè)計(jì)，達(dá)到鍛煉學(xué)生單片機(jī)開(kāi)發(fā)的能力。主要涉及的模塊有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、數(shù)碼管、鍵盤、各類傳感器、A/D和D/A、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

課程群內(nèi)容重構(gòu)及學(xué)期安排如圖1所示。

圖1 單片機(jī)課程群內(nèi)容重構(gòu)及學(xué)期安排

2.2 口袋版單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

針對(duì)單片機(jī)原有實(shí)驗(yàn)箱存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)口袋版單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，促進(jìn)理論與實(shí)踐的銜接，拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，延展學(xué)生實(shí)踐時(shí)間和空間，引領(lǐng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)更高級(jí)的芯片。

以學(xué)科競(jìng)賽為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)口袋版單片機(jī)開(kāi)發(fā)板。主要包括：

（1）基礎(chǔ)模塊：矩陣/獨(dú)立按鍵、最小系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、A/D與D/A、UART模塊等。

（2）拓展模塊：DS18B20 溫度、DS1302、AT24C02、超聲波測(cè)距、PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外收發(fā)及兼容高級(jí)單片機(jī)芯片-STM32等。

通過(guò)模塊的有機(jī)結(jié)合，組成由易到難，由淺到深的項(xiàng)目。具體項(xiàng)目如表1所示。

表1 口袋版開(kāi)發(fā)板的基本項(xiàng)目

2.3 教學(xué)模式改革

2.3.1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

目前大部分大學(xué)生處于被灌輸狀態(tài)，缺少自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，遇到問(wèn)題時(shí)，不知道從何處解決[9]。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，每周或每?jī)芍苤?，布置并分析下周要完成的?xiàng)目，學(xué)生利用課后時(shí)間結(jié)合線上課程和口袋版開(kāi)發(fā)板，選擇傳感器，設(shè)計(jì)電路，編寫(xiě)程序，驗(yàn)證想法，完成項(xiàng)目。遇到問(wèn)題時(shí)，小組內(nèi)成員交流討論，通過(guò)查閱資料，解決問(wèn)題。解決不了的問(wèn)題，在翻轉(zhuǎn)課堂上，提出由大家一起討論。此模式一方面提高學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、解決問(wèn)題的能力；另一方面提高課堂教學(xué)效率，和學(xué)生一起解決問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的思考、分析問(wèn)題的能力。

2.3.2 線上線下混合式教學(xué)

借助互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，建立線上課程，擴(kuò)展單片機(jī)開(kāi)發(fā)內(nèi)容。以工程實(shí)踐為主，制作微課教學(xué)視頻，如使用KEIL軟件創(chuàng)建工程，編寫(xiě)單片機(jī)程序，程序下載與調(diào)試，流水燈，串口通信，溫度記錄器，超聲波測(cè)距等工程訓(xùn)練實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)視頻。在理論教學(xué)中增加高級(jí)單片機(jī)芯片的講解，為學(xué)生學(xué)習(xí)高級(jí)單片機(jī)芯片做好過(guò)渡。學(xué)生通過(guò)電腦或手機(jī)隨時(shí)隨地觀看學(xué)習(xí)。打破原來(lái)只能在固定的教室和固定的時(shí)間學(xué)習(xí)[10]。通過(guò)學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)和操作，提高工程實(shí)踐能力，鍛煉自主學(xué)習(xí)能力。

2.3.3 組織課外興趣小組

組織課外興趣小組，在新生入學(xué)后進(jìn)行引導(dǎo)并納新，采取傳幫帶方法，大一大二大三組成梯隊(duì)，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)模電、數(shù)電，組合口袋版單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)，為后續(xù)應(yīng)用打下基礎(chǔ)，組合參加學(xué)科競(jìng)賽逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力。

2.4 以應(yīng)用能力為主的評(píng)價(jià)體系

傳統(tǒng)的考核方式僅以一份期末試卷為主，學(xué)生只注重理論知識(shí)學(xué)習(xí)，減少動(dòng)力實(shí)踐，無(wú)法全面考核學(xué)生單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力[11]。如果注重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，會(huì)激發(fā)學(xué)生單片機(jī)開(kāi)發(fā)能力，但理論知識(shí)會(huì)弱化[12]。因此考核方式很重要。本文采用“235”考核方式，20%為翻轉(zhuǎn)課堂及線上課程的分?jǐn)?shù)，30%為期末理論知識(shí)的考核，50%期末前幾周布置的大項(xiàng)目設(shè)計(jì)的成績(jī)。通過(guò)多元化的考核方式，注重學(xué)生應(yīng)用能力的考核。

2.5 教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)

學(xué)科競(jìng)賽涉及內(nèi)容廣泛，對(duì)指導(dǎo)教師提出更高的要求，改變?cè)瓉?lái)教師只負(fù)責(zé)一兩門課程的現(xiàn)狀，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，需要建設(shè)一支具有“學(xué)科交叉融合”、理論知識(shí)扎實(shí)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的導(dǎo)師隊(duì)伍，提升教師的業(yè)務(wù)水平。教師一方面需要根據(jù)知識(shí)體系提取教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)相應(yīng)的教學(xué)方法把知識(shí)傳授給學(xué)生，并參加學(xué)科競(jìng)賽的培訓(xùn)和指導(dǎo)工作。另一方面根據(jù)學(xué)生掌握情況和學(xué)科競(jìng)賽知識(shí)的改變微調(diào)教學(xué)內(nèi)容與方法，做到閉環(huán)控制，如圖2所示。

圖2 “負(fù)反饋”教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

通過(guò)校內(nèi)學(xué)習(xí)與企業(yè)實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)資源整合，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力的企業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目實(shí)踐能力，明確每門課程在人才培養(yǎng)中的作用。做好核心課程建設(shè)規(guī)劃，細(xì)化并落實(shí)基本專業(yè)能力和核心專業(yè)能力。

3 運(yùn)行與成效

閩南理工學(xué)院是一所地方性民辦本科院校，剛升本不久。學(xué)生素質(zhì)和教師水平參差不齊，基礎(chǔ)比較弱，通過(guò)參加形式多樣的學(xué)科競(jìng)賽，進(jìn)一步提高學(xué)生單片機(jī)綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。近兩年來(lái)，積極引導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，注重學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教師團(tuán)隊(duì)的組建。近兩年的各類學(xué)科競(jìng)賽中取得較好的成績(jī)，如表2所示。

表2 近兩年學(xué)生參加的學(xué)科競(jìng)賽

從表中可以看出，這兩年學(xué)生參加部分學(xué)科競(jìng)賽，并取得一定的成績(jī)，并且成績(jī)逐年提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以“學(xué)科競(jìng)賽為平臺(tái)，應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心”，重構(gòu)單片機(jī)課程群的教學(xué)內(nèi)容及課程計(jì)劃，利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，線上線下混合式教學(xué)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)式，改變傳統(tǒng)的考核模式，建立一支具有“學(xué)科交叉融合”、理論知識(shí)扎實(shí)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的導(dǎo)師隊(duì)伍，旨在培養(yǎng)具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型人才。通過(guò)對(duì)本課程的教學(xué)模式改革，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，單片機(jī)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升了參加學(xué)科競(jìng)賽的成績(jī)。