基于OBE的單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程教學(xué)

任國臣，郭 棟，藍(lán)和慧

基于OBE的單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程教學(xué)

任國臣，郭 棟，藍(lán)和慧

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

為了滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證需求，實現(xiàn)成果導(dǎo)向教育，針對單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行全方位的研究?；趯I(yè)人才培養(yǎng)定位以及課程與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系，確定了課程教學(xué)目標(biāo)，規(guī)劃了教學(xué)內(nèi)容，改革了教學(xué)方法和課程考核模式，闡述了課程的課前教學(xué)策劃、課堂教學(xué)方法、課后教學(xué)評測三個環(huán)節(jié)的實施方案，實現(xiàn)課前、課堂、課后有效銜接。通過教學(xué)實踐，獲得了良好的教學(xué)效果。

OBE；單片機(jī)；教學(xué)研究；工程教育專業(yè)認(rèn)證

目前，單片機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)滲透到工業(yè)及民用等各個領(lǐng)域，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能化儀表、家用電器等多方面得到很好的應(yīng)用，并以日新月異的速度不斷發(fā)展。因此電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)科技術(shù)必修基礎(chǔ)課中設(shè)置單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程，目的就是使學(xué)生掌握單片機(jī)控制技術(shù)，具備設(shè)計單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的能力，解決工程實際問題，滿足工程教育需求。

近年來，基于“以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為核心能力培養(yǎng)”的成果導(dǎo)向教育（OBE）引導(dǎo)工程教育改革[1]。因此，本文基于OBE理念，研究單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)、課程教學(xué)內(nèi)容、課程教學(xué)方法以及課程考核模式，注重學(xué)生能力培養(yǎng)，滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求[2]。

一、基于OBE的教學(xué)目標(biāo)

（一）教學(xué)目標(biāo)確定依據(jù)及流程

遼寧工業(yè)大學(xué)（以下簡稱我校）電氣工程及其自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)定位是培養(yǎng)適應(yīng)國家和地區(qū)能源戰(zhàn)略和電力行業(yè)發(fā)展，具有社會責(zé)任感，德、智、體、美、勞全面發(fā)展的高級應(yīng)用型工程技術(shù)人才，能夠勝任電力系統(tǒng)及其自動化、電氣自動化、電能變換等電氣工程領(lǐng)域工程師崗位，能夠利用所學(xué)知識解決工程問題和構(gòu)建工程系統(tǒng)[3]，具有較強工程實踐能力和創(chuàng)新精神，可從事電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備生產(chǎn)的運行與維護(hù)、設(shè)計與開發(fā)、保護(hù)與控制、實驗分析、項目管理、電氣設(shè)備制造等工作。這一人才培養(yǎng)定位是制定課程教學(xué)目標(biāo)的基本依據(jù)。圖1是基于OBE的教學(xué)目標(biāo)而制定的教學(xué)流程框圖。

圖1 基于OBE的教學(xué)目標(biāo)制定流程圖

（二）課程與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系

設(shè)置單片機(jī)原理與接口技術(shù)這門課程的目的是支撐本專業(yè)學(xué)生能夠開發(fā)設(shè)計電氣工程領(lǐng)域所需求的檢測控制系統(tǒng)，運用現(xiàn)代控制技術(shù)，解決電力系統(tǒng)故障識別、保護(hù)與控制、能量變換等復(fù)雜工程問題，具體對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系

（三）課程教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)以及本課程與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系，確定單片機(jī)原理及接口技術(shù)3個教學(xué)目標(biāo)，具體目標(biāo)如下：

目標(biāo)1：掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)知識，熟練掌握51單片機(jī)的片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)，包括中斷、定時器/計數(shù)器、串行口等資源的工作原理及應(yīng)用設(shè)計；掌握單片機(jī)系統(tǒng)常用接口的設(shè)計原理與設(shè)計方法，包括鍵盤、顯示、串行通信、D/A、A/D等接口擴(kuò)展方法；培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計滿足電氣工程領(lǐng)域要求的監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控單元的能力。

目標(biāo)2：熟練掌握單片機(jī)C51語言編程方法，包括存儲器和變量的使用、主程序和子程序的結(jié)構(gòu)特點、常用指令的邏輯功能等；為利用單片機(jī)解決電力系統(tǒng)故障識別、保護(hù)與控制、能量變換等復(fù)雜工程問題的算法設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

目標(biāo)3：掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)纹瑱C(jī)系統(tǒng)中基本單元及子系統(tǒng)綜合設(shè)計成解決電力系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的不同方案，并能夠根據(jù)需要構(gòu)建實驗系統(tǒng)，正確采集實驗數(shù)據(jù)，并能對實驗結(jié)果進(jìn)行分析處理。

二、基于OBE的教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

由課程教學(xué)目標(biāo)可知，單片機(jī)原理及接口技術(shù)是使學(xué)生掌握單片機(jī)基本知識及工作原理、常用接口設(shè)計方法以及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法，重點培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力，具備解決復(fù)雜電力系統(tǒng)的運行控制問題的能力。因此，基于課程教學(xué)目標(biāo)以及表1所示的課程與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系，規(guī)劃了8個教學(xué)模塊，每個教學(xué)模塊與課程教學(xué)目標(biāo)支撐關(guān)系如表2所示。

表2 課程內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)支撐關(guān)系表

表2中的8個教學(xué)模塊教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃如下：

1. 單片機(jī)硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及資源模塊，要求學(xué)生熟練掌握51單片機(jī)的片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)、引腳功能、存儲器（ROM、RAM、SFR）結(jié)構(gòu)、位地址空間；熟練掌握51單片機(jī)的I/O端口結(jié)構(gòu)及工作原理、時鐘電路及時序以及時鐘、復(fù)位電路的設(shè)計。

2. 在C51編程語言基礎(chǔ)模塊中，要求學(xué)生熟練掌握C51語言的數(shù)據(jù)類型與存儲類型、變量定義、絕對地址訪問、基本運算、程序結(jié)構(gòu)、C51語言的數(shù)組、指針、函數(shù)分類、函數(shù)參數(shù)與返回值、函數(shù)調(diào)用、中斷服務(wù)函數(shù)以及C51語言的宏定義與文件包含等操作方法。

3. 在51單片機(jī)人機(jī)對話接口模塊中，要求學(xué)生熟練掌握控制發(fā)光二極管、LED數(shù)碼管、獨立式按鍵和矩陣式按鍵的處理方法，設(shè)計人機(jī)對話接口硬件電路及其軟件編程。

4. 在51單片機(jī)中斷系統(tǒng)模塊中，要求學(xué)生熟練掌握51單片機(jī)中斷系統(tǒng)的中斷源、中斷請求標(biāo)志、中斷允許與中斷優(yōu)先級、中斷響應(yīng)過程、外部中斷的觸發(fā)方式選擇、中斷請求的撤銷、中斷程序的編寫。

5. 在51單片機(jī)定時器/計數(shù)器模塊中，要求學(xué)生掌握51單片機(jī)定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的特殊功能寄存器、定時器/計數(shù)器的工作方式、計數(shù)器對外部輸入計數(shù)脈沖的要求、計數(shù)初值計算、定時器/計數(shù)器應(yīng)用程序編寫，包括方波信號、LED燈閃爍、數(shù)碼管秒表以及按鍵次數(shù)計數(shù)等。

6. 在51單片機(jī)串行口模塊中，要求學(xué)生熟練掌握串行通信的基礎(chǔ)知識、51單片機(jī)串行口的結(jié)構(gòu)、串行口的4種工作方式、波特率的制定方法、串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口、串行口初始化以及應(yīng)用程序的編寫。

7. 在51單片機(jī)系統(tǒng)并行擴(kuò)展模塊中，要求學(xué)生了解常用數(shù)據(jù)存儲器RAM和程序存儲器ROM芯片及其操作時序；熟練掌握51單片機(jī)系統(tǒng)的三總線構(gòu)成、地址空間分配、外部地址鎖存器、擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）接口電路及其地址空間范圍計算。

8. 在51單片機(jī)與DAC、ADC接口模塊中，要求學(xué)生熟練掌握D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)、DAC0832芯片的引腳功能、工作方式、 DAC0832和51單片機(jī)接口電路設(shè)計；熟練掌握A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)、ADC0809芯片的引腳功能、工作方式、ADC0809和51單片機(jī)接口電路設(shè)計。

三、基于OBE的教學(xué)體系規(guī)劃

單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程由理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成，其中理論教學(xué)46學(xué)時。理論教學(xué)任務(wù)通過課堂教學(xué)和MOOC平臺來完成，利用課堂教學(xué)完成課程知識點講授，利用MOOC平臺發(fā)布作業(yè)和討論話題，考核學(xué)生對知識點掌握情況；實踐環(huán)節(jié)由10學(xué)時課內(nèi)實驗、2周的課程設(shè)計和技能測試三部分構(gòu)成，其中課內(nèi)實驗培養(yǎng)學(xué)生實驗基本技能。課程設(shè)計鍛煉學(xué)生項目設(shè)計能力，技能測試側(cè)重于學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。圖2為規(guī)劃的課程教學(xué)體系框圖。

圖2 課程教學(xué)體系

四、基于OBE的課程教學(xué)方法

完整的課程教學(xué)包含課前策劃、課堂教學(xué)、課后測評三個環(huán)節(jié)，這三個環(huán)節(jié)的良好銜接可以提高教學(xué)效果。因此，合理實施課前教學(xué)策劃、課堂教學(xué)方法、課后教學(xué)評測，開展線上、線下相結(jié)合的教學(xué)模式，是實現(xiàn)OBE教學(xué)理念的有效方法。圖3是本課程教學(xué)環(huán)節(jié)實施方案框圖。

圖3 課程教學(xué)環(huán)節(jié)實施方案

每一個教學(xué)環(huán)節(jié)的目標(biāo)及實施方案如下：

1. 課前教學(xué)策劃：利用學(xué)習(xí)QQ群下發(fā)的預(yù)習(xí)知識點，將制作相應(yīng)知識點的微課視頻等諸多學(xué)習(xí)資料上傳到QQ課堂群，并發(fā)布討論問題，使學(xué)生有針對性地進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，帶著問題去課堂聽課。

2. 課堂教學(xué)方法：課堂教學(xué)是教學(xué)實施的主要形式?；贠BE理念的課堂教學(xué)必須把灌輸式課堂變成對話式課堂，要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生成為主體，強化學(xué)生思考。教師要采用啟發(fā)式、互動式、任務(wù)驅(qū)動式和案例式多方法相結(jié)合的授課模式，滿足不同教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)需要，并結(jié)合多媒體和板書的模式講解知識點，力爭獲取良好的課堂教學(xué)效果。

3. 課后教學(xué)評測：利用MOOC平臺作業(yè)發(fā)布功能，發(fā)布作業(yè)和發(fā)布問題討論。通過作業(yè)和學(xué)生回答討論問題結(jié)果，獲取學(xué)生對相應(yīng)知識點的掌握情況，以便在線下授課時再次重點講解學(xué)生沒有掌握的知識點。

五、基于OBE的課程考核方法

（一）課程考核模式確定

OBE教育理念的核心是學(xué)生質(zhì)量，而學(xué)生質(zhì)量的核心是對所學(xué)知識的掌握程度[4]。因此，單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程的考核模式應(yīng)有利于促進(jìn)學(xué)生掌握單片機(jī)課程知識，促進(jìn)學(xué)生學(xué)以致用?；谏鲜瞿繕?biāo)，本課程的考核除了期末考試外，還將課程課內(nèi)實驗納入平時成績的考核，同時又增加作品設(shè)計與實驗技能測試考核環(huán)節(jié)，即單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程的考核包括期末考試（試卷）、平時課內(nèi)實驗、技能測試三部分，其中期末考試（試卷）占60%，平時課內(nèi)實驗占10%，技能測試占30%。

（二）考核方法及成績評定

1. 平時課內(nèi)實驗考核及成績評定。平時成績考核依據(jù)10學(xué)時的課程實驗完成情況進(jìn)行考核，每個實驗100分，其中預(yù)習(xí)情況占20%，實驗過程占50%，實驗報告占30%，實驗最終成績?nèi)∷袑嶒灥钠骄煽儭?/p>

2. 技能測試考核及成績評定。技能測試有實際作品制作和實驗技能測試兩大類，學(xué)生可以根據(jù)自己能力進(jìn)行選擇。表3為技能測試分類與評定規(guī)則。

表3 技能測試分類及成績評定規(guī)則

具體內(nèi)容及實施方法如下：（1）實際作品制作技能測試是授課初期下發(fā)設(shè)計項目，設(shè)計項目側(cè)重于實際應(yīng)用的小型監(jiān)控裝置制作，學(xué)生要獨立完成其硬件制作和軟件設(shè)計；期末進(jìn)行驗收考核，考核時學(xué)生需提交作品及原理圖、源程序清單等設(shè)計資料，并進(jìn)行現(xiàn)場演示和答辯，測評教師從作品完成情況、設(shè)計內(nèi)容掌握情況，綜合評定給出成績。（2）實驗技能測試類考核在期末進(jìn)行，事先建立實驗技能測試考核題庫，難度系數(shù)分三級（見表3所示），學(xué)生根據(jù)自己情況選擇相應(yīng)難度級別，并從題庫中隨機(jī)抽題，然后學(xué)生利用實驗裝置獨立完成實驗項目的方案設(shè)計、硬件連接、軟件編輯與調(diào)試。

3. 期末考試及成績評定。根據(jù)課程3個教學(xué)目標(biāo)，從單片機(jī)的硬件理論基礎(chǔ)、軟件變量定義與指令應(yīng)用、程序分析、綜合運用等4個方面考核學(xué)生學(xué)習(xí)效果，試卷滿分為100，其中目標(biāo)1占40%，目標(biāo)2占50%，目標(biāo)3占10%。

通過3年的教學(xué)實踐，基于OBE的單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程教學(xué)獲得了非常好的教學(xué)效果。學(xué)生成績大幅提高，學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力得到提升。

[1] 吳志國, 楊宗政, 曹井國, 等. 工程教育認(rèn)證背景下化工原理教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新[J]. 中國輕工教育, 2018(3):70-74.

[2] 吳運兵, 朱丹紅, 余小燕, 等. 服務(wù)于工程教育認(rèn)證的課程教學(xué)模式探索[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2019, 41(4): 29-33.

[3] 任紅衛(wèi), 劉美. 工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的制定——以廣東石油化工學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)為例[J]. 教書育人(高教論壇), 2016(15): 20-21.

[4] 姜大偉, 劉立敏, 孫才英. 基于OBE理念的課程目標(biāo)達(dá)成評價方法[J]. 黑龍江教育(高教研究與評估), 2018(10): 61-63.

10.15916/j.issn1674-327x.2022.06.032

G642.1

B

1674-327X (2022)06-0122-04

2022-05-15

任國臣(1966-)，男，遼寧錦州人，副教授。

(責(zé)任編輯：付春玲)