“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的高職單片機(jī)教學(xué)改革研究

摘要：當(dāng)前，在“互聯(lián)網(wǎng)+”大背景下，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是學(xué)校教育的重要目標(biāo)。單片機(jī)是通信工程、電子信息、機(jī)電工程等專業(yè)的一門方向課程，其課程實踐性強(qiáng)，學(xué)生對該課程內(nèi)容的掌握程度直接影響其專業(yè)素養(yǎng)的提高，對于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著舉足輕重的作用。本文針對原有的單片機(jī)教學(xué)模式的問題和弊端，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，進(jìn)行行之有效的框架設(shè)計，提出更實用的單片機(jī)學(xué)習(xí)方法。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);創(chuàng)新能力;教學(xué)模式;高職;“互聯(lián)網(wǎng)+”

一、概述

當(dāng)前，在國家深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新作為重要的支撐，成為有效落實供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要途徑?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”對各行各業(yè)都有積極推動作用。在教育領(lǐng)域，也應(yīng)順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，制訂相應(yīng)的“互聯(lián)網(wǎng)+”改革方案。面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的課程模式需要結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”背景特征，根據(jù)學(xué)科特色進(jìn)行教學(xué)改革。創(chuàng)新發(fā)展需要大量人才，學(xué)校擔(dān)當(dāng)了輸送創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主力軍的重要任務(wù)。為適應(yīng)發(fā)展，高職校的培養(yǎng)目標(biāo)從生產(chǎn)一線的技能人才逐漸過渡到具有創(chuàng)新技術(shù)能力的應(yīng)用型人才。近兩年，各級政府、教育部門舉辦的面向職業(yè)學(xué)校的各類科技創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)類比賽開展得如火如荼，已成為與技能競賽同等地位的重要人才選拔渠道。單片機(jī)以其體積小、低功耗、功能強(qiáng)的特點，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器等領(lǐng)域。單片機(jī)的應(yīng)用和實踐，是促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的良好平臺[1]。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是機(jī)電專業(yè)的一門主干課程，是多門專業(yè)基礎(chǔ)課程知識的綜合和提升，課程內(nèi)容為單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、項目設(shè)計等知識和技能，主要教學(xué)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行智能化控制系統(tǒng)整體設(shè)計的能力。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于智能控制、家用電器、通訊導(dǎo)航設(shè)備等領(lǐng)域。以單片機(jī)為技術(shù)基礎(chǔ)的電子設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品是學(xué)生們參加各類創(chuàng)新活動和創(chuàng)新比賽的基本技能。學(xué)生們可以通過掌握單片機(jī)技術(shù)來參與項目實踐、各類競賽甚至走上自主創(chuàng)業(yè)的發(fā)展道路。因此，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的國家戰(zhàn)略背景下，基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行單片機(jī)課程模式的改革實踐，可以有效地加強(qiáng)學(xué)生對單片機(jī)技術(shù)的掌握，促進(jìn)職校學(xué)生形成創(chuàng)新思維、富有創(chuàng)新精神、具備創(chuàng)新實踐能力、實現(xiàn)輕松就業(yè)創(chuàng)業(yè)。

二、單片機(jī)課程特點及教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)課程教學(xué)的主要內(nèi)容是講授單片機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、中斷、定時系統(tǒng)以及串行接口電路等，在課程學(xué)習(xí)中不僅要學(xué)習(xí)芯片結(jié)構(gòu)電路的知識基礎(chǔ)，還要學(xué)習(xí)匯編語言或者C語言來實現(xiàn)編程控制，內(nèi)容覆蓋面廣，涉及硬件、軟件及應(yīng)用，獨立性強(qiáng)，但又相互滲透，聯(lián)系緊密。高職單片機(jī)課程的特點為面向工程項目，是專門面向應(yīng)用實踐的一門專業(yè)必修課。高職學(xué)校針對單片機(jī)課程的教學(xué)模式多種多樣，大多數(shù)以項目化教學(xué)為主。在教學(xué)實施過程中總結(jié)有以下幾個問題：

（一）難度大、不易學(xué)。不同于高校，高職學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程少、要求低，計算機(jī)硬件和編程語言基礎(chǔ)較差，在講授過程中需花費大量課時補充，然而教學(xué)效果甚微。無論是采用匯編語言還是C語言教學(xué)，英語基礎(chǔ)差的高職學(xué)生在程序識讀上都存在很大障礙，更不談獨立進(jìn)行編程實驗了。同時在教學(xué)方式上，受教學(xué)環(huán)境和條件的限制，大多數(shù)學(xué)校還是采用理論講授為主，盡管利用多媒體講解，也缺乏具體感知認(rèn)識和靈活性，學(xué)生對枯燥乏味的理論知識缺乏興趣，容易喪失信心。例如在講授單片機(jī)存儲器分配知識點時，學(xué)生無法直觀地看到內(nèi)部電路組成，很難理解芯片的存儲原理，存儲單元的分配結(jié)構(gòu)，也就很難記住其中寄存器的功能用法了。部分學(xué)生從硬件結(jié)構(gòu)開始就對課程產(chǎn)生了畏難心理，不愿意投入學(xué)習(xí)精力在單片機(jī)課程上，以致形成不良的學(xué)習(xí)習(xí)慣，進(jìn)而惡性循環(huán)。

（二）項目陳舊，與實際相脫節(jié)。單片機(jī)作為一門實踐型的專業(yè)方向課，最能夠體現(xiàn)理論和實踐相結(jié)合的特點。高職單片機(jī)課程以項目化教學(xué)為主，實驗的項目基本上都是基礎(chǔ)項目。通過對教材指導(dǎo)項目的分析發(fā)現(xiàn)，實驗總是圍繞LED燈的輸出開展，甚至到接口編程階段，仍采用閃爍燈或者流水燈做中斷定時實驗。這對實驗設(shè)備缺乏的學(xué)校來講，確實解決了一定困難，但是大大制約了學(xué)生對創(chuàng)新項目的研究和探索。且實驗項目的操作過程都在教材或者實驗指導(dǎo)書上一步一步完整呈現(xiàn)，學(xué)生按照書本操作即可，這造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中失去主動，缺乏創(chuàng)新，不能很好地掌握單片機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計方法。高職院校的培養(yǎng)目標(biāo)是針對工業(yè)企業(yè)的實際崗位需求培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，而多數(shù)教學(xué)中設(shè)計的實驗項目都是單一項目，與企業(yè)的綜合項目開發(fā)存在著較大差距，學(xué)生在畢業(yè)后并不能夠?qū)⒄n堂所學(xué)應(yīng)用到企業(yè)系統(tǒng)開發(fā)上。

（三）教學(xué)資源缺乏。在傳統(tǒng)單片機(jī)項目化課程應(yīng)用中，多方面教學(xué)資源的匱乏制約著高職的課程建設(shè)。眾所周知，單片機(jī)課程廣泛開設(shè)于本科院校和高職院校的計算機(jī)、電子信息、機(jī)電、自動化等相關(guān)專業(yè)，目前對本科學(xué)段的課程研究較為豐富，而高職校的單片機(jī)課程建設(shè)沒有針對性，無論是教材還是實踐項目都沒有明顯的針對性，面向職校生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)資源更加缺乏。有些學(xué)校因?qū)W科發(fā)展受限、設(shè)備購置成本高、資金短缺等原因，學(xué)生實驗很難開展。近年來，Proteus仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)中廣泛應(yīng)用，作為輔助手段幫助教師指導(dǎo)學(xué)生開展仿真實驗，利用keil軟件作為編程環(huán)境，這種仿真軟件與項目實驗相結(jié)合的方法能夠降低教學(xué)成本、提高效率。然而，仿真實驗并不能真正代替實戰(zhàn)項目，仍然缺乏在難度和應(yīng)用對象上均適合高職學(xué)生進(jìn)行實踐的項目教學(xué)。

三、教學(xué)改革方案

（一）提高教師業(yè)務(wù)能力，接軌“互聯(lián)網(wǎng)+”

教師層面，高職校的教師創(chuàng)新意識較為淡薄，有的教師認(rèn)為職業(yè)學(xué)校的學(xué)生智能進(jìn)行技能訓(xùn)練，沒有進(jìn)行創(chuàng)新學(xué)習(xí)活動的能力，因而在教學(xué)中常常停留在知識和技能層面，忽略了“創(chuàng)新能力”的培養(yǎng)。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代技術(shù)背景下，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)加速更新，教師的專業(yè)能力也需要逐步成長。鼓勵教師多參加專業(yè)性強(qiáng)的培訓(xùn)，接觸前沿技術(shù)，只有自己具備創(chuàng)新思想創(chuàng)新能力，才能指導(dǎo)學(xué)生研發(fā)出高水平的作品。教師自身應(yīng)多參與科研課題，提升自己的研發(fā)能力，了解更多應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)業(yè)的案例。教師應(yīng)在符合教學(xué)大綱要求的基礎(chǔ)上，總結(jié)過往教學(xué)經(jīng)驗，在課堂上摒棄過往灌輸式的教學(xué)方法，設(shè)計綜合性和開放性的實驗項目，啟發(fā)學(xué)生獨立思考以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。有教師將原有項目拓展成創(chuàng)客小制作，例如將搶答器設(shè)計拓展成宿舍安防系統(tǒng)[2]。具備一定專業(yè)能力的教師可以根據(jù)需求研發(fā)項目套件，自主設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)板，再指導(dǎo)學(xué)生們通過選取元件、焊接裝配、編程調(diào)試等一系列操作有效了解單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的全過程。項目拓展成有條件的學(xué)校可建立導(dǎo)師制度，以團(tuán)隊模式開展實驗教學(xué)。高職教師大部分畢業(yè)后就從事教學(xué)，很少有開發(fā)實戰(zhàn)項目的經(jīng)驗，教師要多與企業(yè)合作，根據(jù)自己的專業(yè)能力參與到企業(yè)的實際項目中去，了解工業(yè)企業(yè)、智能應(yīng)用場合所需，提升自己的開發(fā)能力。在教學(xué)中整合與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)的實戰(zhàn)項目，積極引入企業(yè)項目[3]和“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽項目，對知識節(jié)點進(jìn)行有效鏈接，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目的組織教學(xué)。

（二）改革課程模式，強(qiáng)化知識能力

學(xué)生層面，針對目前單片機(jī)課程中存在的問題，明確培養(yǎng)創(chuàng)新人才目標(biāo)，以單片機(jī)技術(shù)為中心，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，創(chuàng)新更新教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)模式。

1.引入高級語言教學(xué)

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)以匯編語言為主，匯編語言面向機(jī)器，采用匯編語言教學(xué)可以很好地幫助學(xué)生掌握單片機(jī)的硬件機(jī)構(gòu)、寄存器功能、接口電路等知識。然而由于技術(shù)的革新發(fā)展，在工程應(yīng)用中，由于高級語言面向?qū)ο?，通用性?qiáng)，是結(jié)構(gòu)化語言，程序?qū)哟吻逦?，便于編寫、調(diào)試及修改。以C為主的高級語言已逐步取代匯編，成為項目開發(fā)的主流語言[4]。針對創(chuàng)新能力培養(yǎng)需要，在單片機(jī)教學(xué)中應(yīng)采用C語言為主，匯編為輔的混合編程教學(xué)，在講授硬件控制時采用匯編語言，而在項目拓展應(yīng)用中采用C語言教學(xué)。近兩年，Python語言發(fā)展火熱，與C語言寫法相似，相比而言更加簡潔易懂，移植性強(qiáng)。隨著Python語言越來越多地應(yīng)用到單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)上，在單片機(jī)教學(xué)中使用Python已成為現(xiàn)實。浙江工業(yè)大學(xué)就將Python 引入到單片機(jī)實驗課程中，學(xué)生可以無需進(jìn)行仿真調(diào)試、燒寫等過程，實現(xiàn)在線調(diào)試，提升興趣，在具備單片機(jī)開發(fā)的基本知識之后，能夠更容易地深入嵌入式系統(tǒng)方面的學(xué)習(xí)當(dāng)中[5]。

2.設(shè)計創(chuàng)新項目，更新教學(xué)內(nèi)容

目前，項目教學(xué)法已深入應(yīng)用于高職院校的各門課程中，在項目教學(xué)中，學(xué)生處于主體地位。基于“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展要求，針對傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)項目陳舊、乏味的缺點，教師可將創(chuàng)新項目或?qū)嶋H生產(chǎn)生活中一些新穎的產(chǎn)品引入教學(xué)，所選取的項目也可以是企業(yè)正在研發(fā)的產(chǎn)品。激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。將學(xué)生分層分組，基礎(chǔ)一般的學(xué)生可以通過交通燈、密碼鎖、電子鐘等傳統(tǒng)實驗提高設(shè)計能力，基礎(chǔ)好的學(xué)生通過結(jié)合新型傳感器設(shè)計遙控小車、避障機(jī)器人等項目提高研發(fā)能力。合理設(shè)計實踐項目，是學(xué)生學(xué)好單片機(jī)重要的保障，可以培養(yǎng)學(xué)生對實際應(yīng)用項目的分析能力和設(shè)計能力，教師按照典型性和創(chuàng)新性的相結(jié)合的原則，合理安排教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在增長知識獲取技能的同時，收獲完成項目的成就感。

單片機(jī)具有“軟硬結(jié)合”的特點，由于職校生語言基礎(chǔ)差，在進(jìn)行實踐教學(xué)時應(yīng)弱化編程、突出硬件應(yīng)用。采用模塊化教學(xué)可以滿足要求。根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)的模塊組成，將教學(xué)內(nèi)容分為最小系統(tǒng)、LED顯示、電機(jī)驅(qū)動、按鍵、數(shù)碼管顯示、串口通信等模塊，并采用模塊、任務(wù)的結(jié)構(gòu)，將創(chuàng)新產(chǎn)品分解成幾個模塊的組成，鍛煉學(xué)生分析任務(wù)解決問題的能力。例如，便攜式榨汁機(jī)可以根據(jù)設(shè)計需要分解成電機(jī)驅(qū)動、獨立按鍵、顯示等幾個模塊。這種方法可以將編程難度大大降低，學(xué)生在后續(xù)參與創(chuàng)新設(shè)計時的思路更清晰。

3.改革實踐模式，提升關(guān)鍵技術(shù)

以提高學(xué)生創(chuàng)新能力，接軌“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽為目的，搭建實踐教學(xué)平臺，改革實踐模式根據(jù)“做學(xué)教”一體化教學(xué)要求，將學(xué)生課堂提升為一體化教室，既可以學(xué)習(xí)理論知識，又可以進(jìn)行實踐操作。

目前單片機(jī)作為智能產(chǎn)品的主要控制芯片，型號類型多種多樣。應(yīng)用于傳統(tǒng)教學(xué)的51單片機(jī)，結(jié)構(gòu)經(jīng)典，模塊簡潔，有助于學(xué)生掌握基本的單片機(jī)結(jié)構(gòu)和使用方法。然而隨著芯片產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，AVR、ARM等越來越多地被實踐教學(xué)所采納[6]。其中基于AVR內(nèi)核的Arduino功能強(qiáng)大，程序可讀性強(qiáng)，編程時不用針對繁雜的寄存器配置，就能直觀地控制Arduino，提高了開發(fā)效率，因此被廣泛應(yīng)用于創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)。為了讓有基礎(chǔ)的學(xué)生能發(fā)揮能力，無基礎(chǔ)的學(xué)生也能掌握基本技能，可以采用51單片機(jī)進(jìn)行基礎(chǔ)實驗，Arduino進(jìn)行創(chuàng)新實踐，二者有機(jī)結(jié)合。單片機(jī)是組成機(jī)器人大腦的重要組成部分[7]。單片機(jī)接口電路組成了機(jī)器人系統(tǒng)的輸出部分。單片機(jī)教學(xué)中，以機(jī)器人為載體可以有針對性地介紹單片機(jī)的接口電路，使學(xué)生了解更多單片機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，通過制作機(jī)器人可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的工程實踐能力，自然而然地將機(jī)器人設(shè)計反向嵌入了單片機(jī)編程教學(xué)中。

（三）優(yōu)化資源配置、以賽促教

大多數(shù)高職校的科技創(chuàng)新活動不能夠像高校一樣組織有序，得不到制度的保障。即使有創(chuàng)新的想法，也很難進(jìn)行落地。另外對教師科研創(chuàng)新提供的激勵政策不夠，影響了教師從事創(chuàng)新工作的熱情，從而制約了學(xué)生科技創(chuàng)新能力的提高。各校可根據(jù)自身條件，對單片機(jī)教學(xué)提供切實有力的保障。通過資源配置，購買或自制單片機(jī)開發(fā)板用于教學(xué)。設(shè)立雙創(chuàng)社團(tuán)、建設(shè)創(chuàng)新實驗室，提供資金保障，并配有指導(dǎo)教師，將課堂教學(xué)延伸到課外實踐中，使學(xué)生能夠完整地參與到一個創(chuàng)新項目中，包括項目提出、調(diào)研、項目設(shè)計、落地實現(xiàn)等。實驗室定期開展講座、討論活動，介紹前沿技術(shù)，并對學(xué)生的創(chuàng)新想法進(jìn)行點評。參加創(chuàng)新項目開發(fā)，可快速提升學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方法開發(fā)實際產(chǎn)品的能力，培養(yǎng)項目工程師的素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)創(chuàng)業(yè)。

目前創(chuàng)新類競賽較多，如“互聯(lián)網(wǎng)+”雙創(chuàng)大賽、“挑戰(zhàn)杯”、青少年機(jī)器人競賽等，這類比賽多應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)。教師可將學(xué)科競賽和教學(xué)內(nèi)容相融合，選取獲獎項目，分解成若干簡單項目引入課堂教學(xué)。在單片機(jī)課堂中，選拔一些學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生，參加機(jī)器人競賽和創(chuàng)新競賽。對獲獎學(xué)生進(jìn)行學(xué)分獎勵，可以激勵學(xué)生投入單片機(jī)學(xué)習(xí)中，以賽導(dǎo)學(xué)、以賽促學(xué)[8]。筆者所在學(xué)校正大力推行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，創(chuàng)新團(tuán)隊參加教育部、科協(xié)組織的各項大賽，已獲省市級獎項多個。教師團(tuán)隊以“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽為階梯，積極申報教學(xué)成果獎，學(xué)生團(tuán)隊中已畢業(yè)的學(xué)生有在芯片研發(fā)企業(yè)、機(jī)器人教育等行業(yè)就業(yè)的，這充分證明組賽參賽的實際成效。組織學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類競賽，一方面可以促進(jìn)學(xué)生對單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)積極性，另一方面，使教師在結(jié)合學(xué)生創(chuàng)新水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和方法的針對性選擇，進(jìn)而促進(jìn)課程改革。

四、結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)日新月異，單片機(jī)的課程學(xué)習(xí)必須采用創(chuàng)新的思維方式，運用前沿技術(shù)。高職院校的教育目標(biāo)是培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理和服務(wù)一線的高技能應(yīng)用型人才。以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)研究單片機(jī)課程模式并進(jìn)行實踐與探索，不僅是新時期高職院校人才培養(yǎng)的重要任務(wù)，也是職業(yè)學(xué)?？沙掷m(xù)發(fā)展的客觀要求。本文從目前的單片機(jī)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行剖析，為更好地實現(xiàn)科創(chuàng)人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出相應(yīng)的教學(xué)模式改革思路，同時提出實用有效的單片機(jī)學(xué)習(xí)方法。使學(xué)生通過單片機(jī)的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，自主產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

作者單位：包虹璐? ?江蘇省聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南通分院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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