基于單片機(jī)原理與應(yīng)用的一流本科課程建設(shè)研究與實(shí)踐

朱玉紅

(蘭州工業(yè)學(xué)院 教學(xué)質(zhì)量管理處，甘肅 蘭州 730050)

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量[1]。深化教育教學(xué)改革，必須把教學(xué)改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上。我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化本科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程，授課對(duì)象是三年級(jí)本科生，至今已開(kāi)設(shè)10年。一直以來(lái)，課程組老師在多年的教學(xué)積累的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了該課程教和學(xué)中存在的短板、瓶頸問(wèn)題，對(duì)標(biāo)應(yīng)用性人才的專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和一流課程高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度“兩性一度”的要求，開(kāi)展了課程建設(shè)和教學(xué)改革的實(shí)踐。

1 課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多輪的教學(xué)實(shí)踐與反思，總結(jié)出“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)中存在如下教學(xué)癥結(jié)：一是學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多，學(xué)生感覺(jué)課程內(nèi)容抽象難懂。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)該課程理論教學(xué)時(shí)數(shù)僅36學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。但教學(xué)內(nèi)容比較多，若按傳統(tǒng)滿堂灌的教學(xué)方式，學(xué)生難以消化學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)習(xí)興趣不高，產(chǎn)生畏難情緒，課程進(jìn)行到接口技術(shù)相關(guān)內(nèi)容時(shí)，學(xué)生反映基本在聽(tīng)“天書(shū)”，課程卷面及格率低；二是教師只完成了“教會(huì)”，而忽略了學(xué)生是否“學(xué)會(huì)”與“會(huì)用”。老師一味地注重完成教學(xué)時(shí)數(shù)，完成講課內(nèi)容，無(wú)暇顧及學(xué)生是否掌握知識(shí)點(diǎn)，學(xué)會(huì)應(yīng)用；三是只注重課堂教學(xué)，沒(méi)有調(diào)動(dòng)學(xué)生課外學(xué)習(xí)思考的主動(dòng)性和積極性等。學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容因不懂而產(chǎn)生畏懼心理，失去對(duì)課程學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性[2]。而唯一可以讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)課僅在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連線，缺少線路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)收效甚微。例如，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)，僅做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，沒(méi)有安排課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。本課程教學(xué)過(guò)程中所凸顯出的產(chǎn)出不明、內(nèi)容陳舊、手段單一、重教輕用、學(xué)而不會(huì)用的問(wèn)題迫切需要解決。

2 更新教學(xué)觀念，修訂課程教學(xué)大綱

2.1 更新教學(xué)觀念

樹(shù)立“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的先進(jìn)理念。首先教師要不斷學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)用的新技術(shù)、新知識(shí)，開(kāi)闊專(zhuān)業(yè)視野，更新專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大專(zhuān)業(yè)知識(shí)面，提升專(zhuān)業(yè)水平，這樣才能更好地扮演組織者、引導(dǎo)者、解疑釋惑者的角色[3]。其次，教師自我評(píng)價(jià)教學(xué)效果，要從學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的增長(zhǎng)、分析思考問(wèn)題的思維能力或解決問(wèn)題的綜合能力是否得到提升的獲得感的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。再次，根據(jù)學(xué)生喜歡動(dòng)手操作和制作，反感純理論知識(shí)灌輸?shù)膶?shí)際情況，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，教師需要設(shè)計(jì)一些小的動(dòng)手制作的題目，要求學(xué)生利用課外時(shí)間完成題目，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐消化理論知識(shí)，完成學(xué)習(xí)要求[5]。做到本次課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生在課外下一番功夫，才能達(dá)到課程目標(biāo)。

2.2 修訂課程教學(xué)大綱

依據(jù)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案，對(duì)接企業(yè)崗位技能要求和職業(yè)素質(zhì)需求，確定課程教學(xué)任務(wù)，形成知識(shí)、能力、素質(zhì)三維課程目標(biāo)體系。一是明確了課程教學(xué)任務(wù)。通過(guò)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、軟件仿真和實(shí)物制作等環(huán)節(jié)，以MCS-51單片機(jī)為背景機(jī)，使學(xué)生掌握單片機(jī)基本知識(shí)、Keil C軟件編程、 Proteus軟件仿真、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行I/O端口、串行通信接口、單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展、常用外圍接口芯片、單片機(jī)開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)、PCB印刷電路板設(shè)計(jì)等知識(shí)。掌握單片機(jī)系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)和應(yīng)用特點(diǎn)，為后續(xù)學(xué)習(xí)數(shù)控加工設(shè)備、智能制造等機(jī)械自動(dòng)加工控制技術(shù)打下必要的基礎(chǔ)。二是確定了課程目標(biāo)。課程目標(biāo)包括知識(shí)與技能目標(biāo)和思政育人目標(biāo)兩部分。知識(shí)與技能目標(biāo)主要內(nèi)容：掌握單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。熟悉單片機(jī)人機(jī)接口和指令系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)機(jī)械工程問(wèn)題擴(kuò)展人機(jī)接口并編制控制程序的能力；理解單片機(jī)的工作和應(yīng)用特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生將單片機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的總體方案設(shè)計(jì)中，提高機(jī)械產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化程度；熟悉單片機(jī)的性能特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的控制要求和性能指標(biāo)確定單片機(jī)實(shí)驗(yàn)方案和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的能力，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析機(jī)械產(chǎn)品控制方案的合理性和可行性的能力；掌握Keil C軟件編程、 Proteus軟件仿真等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并通過(guò)文獻(xiàn)檢索、資料查詢及運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)獲取信息的方法，對(duì)機(jī)械控制類(lèi)的工程問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)和分析，以獲得有效結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題分析能力。實(shí)現(xiàn)對(duì)C語(yǔ)言編程程序的邏輯分析及修改改進(jìn)；掌握單片機(jī)開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)、PCB印刷電路板設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，能夠針機(jī)械控制方面的問(wèn)題，確定合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)和解決方案，設(shè)計(jì)滿足需求的控制單元(部件)、系統(tǒng)或相關(guān)工藝流程，解決工程問(wèn)題，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素，提升學(xué)生設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)機(jī)械控制系統(tǒng)的能力。思政育人目標(biāo)主要內(nèi)容：通過(guò)融入課程思政育人元素，厚植家國(guó)情懷、社會(huì)主義核心價(jià)值觀和社會(huì)責(zé)任感；培養(yǎng)學(xué)生具備從事單片機(jī)技術(shù)相關(guān)行業(yè)工作的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)、文化素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，塑造專(zhuān)注、創(chuàng)新、完美的工匠精神；結(jié)合目前國(guó)際國(guó)內(nèi)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生基于單片機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。三是建立了課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系。

圖1 課程目標(biāo)制定邏輯框圖

3 課程與教學(xué)改革的主要舉措

3.1 立足“兩性一度”，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

一是改變單純匯編語(yǔ)言編程內(nèi)容，引入C語(yǔ)言在Keil C軟件中編寫(xiě)程序。采用Proteus ISIS電路設(shè)計(jì)及仿真軟件，在軟件中直接調(diào)用設(shè)計(jì)所需電子元器件，通過(guò)連線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)。采用Keil C軟件編寫(xiě)單片機(jī)系統(tǒng)所需程序并調(diào)試。將Keil C軟件編寫(xiě)程序裝載到Proteus軟件中的單片機(jī)中，聯(lián)合仿真，檢查是否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。三是重組教學(xué)內(nèi)容，將指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的內(nèi)容歸為一個(gè)模塊內(nèi)容。將中斷系統(tǒng)、定時(shí)計(jì)數(shù)器、接口技術(shù)等內(nèi)容歸為一個(gè)模塊；三是緊跟前沿，結(jié)合技術(shù)發(fā)展持續(xù)改進(jìn)更新內(nèi)容，注重實(shí)際應(yīng)用案例引入，做到理論教學(xué)對(duì)應(yīng)應(yīng)用案例，例如，基于公話網(wǎng)的單片機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、單片機(jī)控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)、交通燈控制、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)、水塔水位控制系統(tǒng)、電腦時(shí)鐘、USB數(shù)據(jù)傳輸、條形碼應(yīng)用等應(yīng)用案例。使學(xué)生獲得大量單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。四是課程實(shí)驗(yàn)由原來(lái)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連線完成，改革為采用電路設(shè)計(jì)、程序編程和電路板焊接方式開(kāi)展，增強(qiáng)課程實(shí)踐性，達(dá)到學(xué)生可以獨(dú)立制作單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)電路板的教學(xué)效果。五是注重課程思政，積累課程思政案例，實(shí)現(xiàn)課程育人功能。六是豐富了教學(xué)資源建設(shè)。建有多媒體教學(xué)課件1套、30個(gè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)案例、試題和練習(xí)題庫(kù)1套，MOOC、精品資源等網(wǎng)絡(luò)課程資源，建有單片機(jī)創(chuàng)新應(yīng)用零起點(diǎn)工作室。

3.2 立足“兩性一度”，改革教學(xué)模式

一是采用動(dòng)畫(huà)技術(shù)優(yōu)化教學(xué)PPT，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)效果形象生動(dòng)。二是采用理論教學(xué)與應(yīng)用案例開(kāi)發(fā)演示相結(jié)合的方式教學(xué)，每學(xué)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)一個(gè)案例開(kāi)發(fā)，增加學(xué)生開(kāi)發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提升知識(shí)應(yīng)用能力。三是課堂教學(xué)與課外一人一題實(shí)物制作相結(jié)合，增加學(xué)生學(xué)習(xí)度。四是延伸課堂教學(xué)，使課程教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、學(xué)科競(jìng)賽結(jié)合起來(lái)。創(chuàng)建單片機(jī)創(chuàng)新應(yīng)用工作室——零起點(diǎn)工作室，積極組織學(xué)生進(jìn)行智能產(chǎn)品制作、單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生學(xué)起來(lái)，動(dòng)起來(lái)，增加學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)度。

3.3 立足“兩性一度”，完善課程評(píng)價(jià)方式

設(shè)計(jì)了課堂討論小組闖關(guān)練習(xí)；課中實(shí)驗(yàn)完成；課后質(zhì)疑答題；課外作品制作等多種形式的形成性評(píng)價(jià)，完善過(guò)程評(píng)價(jià)。課程考核及分?jǐn)?shù)占比情況為：過(guò)程考核50%、課外實(shí)物制作20%、期末考試20%三部分構(gòu)成。其中過(guò)程考核構(gòu)成及分?jǐn)?shù)占比為：課堂闖關(guān)練習(xí)10%、作業(yè)練習(xí)20%、課堂實(shí)操練習(xí)30%、課堂考勤10%、課程實(shí)驗(yàn)30%。側(cè)重對(duì)課程實(shí)施后達(dá)到結(jié)果和學(xué)生的成長(zhǎng)性評(píng)價(jià)，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)是否有參與、收獲和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了與課程目標(biāo)達(dá)成的期末考試總結(jié)性評(píng)價(jià)。

3.4 立足“兩性一度”，組織實(shí)施課程教學(xué)

本門(mén)課程依據(jù)課程大綱組織教學(xué)實(shí)施，如圖2所示。課程教學(xué)按照成果導(dǎo)向教育理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)展課程教學(xué)組織與實(shí)施。實(shí)現(xiàn)“低、中、高”三個(gè)維度教學(xué)目標(biāo)：即“記憶、理解”的低階目標(biāo)，側(cè)重于對(duì)基本知識(shí)的初步掌握?！皯?yīng)用、綜合”的中階目標(biāo)，側(cè)重于理論應(yīng)用于實(shí)踐的訓(xùn)練。 “創(chuàng)新、實(shí)踐”的高階目標(biāo)，側(cè)重于創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的訓(xùn)練與提升。形成課堂講練結(jié)合實(shí)現(xiàn)基本能力訓(xùn)練+課程實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用思維和動(dòng)手能力訓(xùn)練+課外實(shí)物制作實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維和應(yīng)用實(shí)踐能力訓(xùn)練的進(jìn)階式教學(xué)模式。

圖2 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

按照課前+課程中+課后+課外四方面組織實(shí)施教學(xué)。課程開(kāi)課前，教師要進(jìn)行學(xué)情分析，查閱單片機(jī)課程前導(dǎo)課程試卷分析，了解學(xué)生知識(shí)薄弱點(diǎn)，布置學(xué)生預(yù)習(xí)內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)資源課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時(shí)在課程教學(xué)中加強(qiáng)薄弱內(nèi)容的教與學(xué)；課程在教學(xué)過(guò)程中，采用探究式課堂和講練結(jié)合方式，按“理論知識(shí)精講+案例講解+分組討論+闖關(guān)練習(xí)+總結(jié)精講”的小循環(huán)模式，有效建立起案例驅(qū)動(dòng)+探究研討+動(dòng)手動(dòng)腦的課堂教學(xué)環(huán)境。通過(guò)小組研討，讓學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作交流溝通，讓學(xué)生合作意識(shí)強(qiáng)起來(lái)。教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)課堂思政環(huán)節(jié)，起到融物細(xì)無(wú)聲的育人作用；課程中完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增進(jìn)對(duì)理論知識(shí)的理解掌握，提升軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)功能部件的應(yīng)用能力；課后布置作業(yè)和網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容；課外要求學(xué)生每人完成一個(gè)單片機(jī)控制實(shí)物制作，從繪制原理圖、購(gòu)買(mǎi)元器件、制作電路板、編程與程序調(diào)試整個(gè)過(guò)程全由學(xué)生自己完成，適當(dāng)增負(fù)，讓學(xué)生課余忙起來(lái)，學(xué)生能力高起來(lái)。

4 課程建設(shè)成效

該課程進(jìn)過(guò)多年的校級(jí)一流課程建設(shè)，以“兩性一度”為建設(shè)目標(biāo)，取得了一定建設(shè)成效。一是修訂了課程教學(xué)大綱；二是建立了“低、中、高”三個(gè)維度教學(xué)目標(biāo)：即“記憶、理解”的低階目標(biāo)，側(cè)重于對(duì)基本知識(shí)的初步掌握；“應(yīng)用、綜合”的中階目標(biāo)，側(cè)重于理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練；“創(chuàng)新、實(shí)踐”的高階目標(biāo)，側(cè)重于創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的訓(xùn)練與提升；形成課堂講練結(jié)合實(shí)現(xiàn)基本能力訓(xùn)練+課程實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際和動(dòng)手能力訓(xùn)練+課外實(shí)物制作實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維和應(yīng)用實(shí)踐能力訓(xùn)練的進(jìn)階式教學(xué)模式；激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生動(dòng)起來(lái)、忙起來(lái)。三是提高學(xué)生考試成績(jī)。學(xué)生卷面及格率基本穩(wěn)定在87%左右。四是適當(dāng)增負(fù)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，課外一人一題實(shí)物制作完成率100%。五是學(xué)生參與第二課堂活動(dòng)的興趣和主動(dòng)性大大增強(qiáng)。通過(guò)在零起點(diǎn)單片機(jī)工作室的練習(xí)和學(xué)習(xí)，學(xué)生參加各級(jí)各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽獲大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)省級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)，獲得學(xué)科競(jìng)賽A類(lèi)、B類(lèi)競(jìng)賽省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)7項(xiàng)。發(fā)表論文4篇，實(shí)用新型專(zhuān)利4項(xiàng)。教學(xué)效果得到學(xué)生和教學(xué)督導(dǎo)廣泛認(rèn)可，起到較好的示范效應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化時(shí)代，技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用在一定程度上也對(duì)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程教學(xué)提出了新的要求，貫徹立德樹(shù)人教育根本任務(wù)，立足“兩性一度”進(jìn)行課程建設(shè)是一項(xiàng)持之以恒、持續(xù)改進(jìn)的工作。優(yōu)質(zhì)的課程才能實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)人才畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)，才能支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量的全面提高，培養(yǎng)學(xué)生成為服務(wù)于社會(huì)的創(chuàng)新型人才[6]。