基于ETPP模式的單片機(jī)原理及接口技術(shù)教學(xué)改革實(shí)踐

楊大勇，李春泉，艾群磊，楊俊清

（1.南昌大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院 江西 南昌 330031；2.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 江西 南昌 330031；3.北京杰創(chuàng)永恒科技有限公司 北京 102200）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，社會(huì)建設(shè)對(duì)人才的要求越來(lái)越高，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、符合社會(huì)需求的復(fù)合型創(chuàng)新性新工科人才，重要性越來(lái)越顯著。同時(shí)，建立一流的課堂，打造一流的專業(yè)，不僅需要培養(yǎng)學(xué)生具備良好的理論基礎(chǔ)，還需要重視學(xué)生的實(shí)踐能力，強(qiáng)調(diào)將理論知識(shí)運(yùn)用到具體的實(shí)踐之中[1]。

當(dāng)前的課堂教學(xué)模式往往存在著“一短二分離三固定”的痛點(diǎn)：“一短”是指實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的授課時(shí)間短于理論教學(xué)環(huán)節(jié)；“二分離”其中第一個(gè)分離是指理論與實(shí)驗(yàn)分離，理論課講解內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)要求匹配度不夠，內(nèi)容關(guān)聯(lián)性少、實(shí)驗(yàn)銜接性弱，第二個(gè)分離是指理論課老師與實(shí)驗(yàn)課老師分離，不能很好地體現(xiàn)理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義，不能實(shí)時(shí)給予學(xué)生反饋等；“三固定”是指固定的教室、固定的時(shí)間、固定的老師。[2]

本文以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，提升學(xué)生創(chuàng)新能力為初衷，采用ETPP漸進(jìn)式實(shí)踐能力培養(yǎng)模式，基于現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)施及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，構(gòu)建了一個(gè)覆蓋全面、漸進(jìn)式的學(xué)生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，實(shí)施過(guò)程中取得了良好的成果，學(xué)生們的創(chuàng)新能力、綜合實(shí)踐能力均得到了顯著的提高。

1 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的問(wèn)題

傳統(tǒng)的單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程教學(xué)，存在的問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：

第一，在實(shí)驗(yàn)中所使用到的設(shè)備與軟件比較老舊，部分實(shí)驗(yàn)箱硬件存在故障情況，需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行更新。

第二，單片機(jī)原理及實(shí)驗(yàn)課程，主要圍繞的是51系列的單片機(jī)，學(xué)生們無(wú)法通過(guò)課程及相關(guān)實(shí)驗(yàn)去了解一些主流的單片機(jī)，接觸主流的技術(shù)，與實(shí)際應(yīng)用相接軌。

第三，實(shí)驗(yàn)課課時(shí)較少，學(xué)生缺少足夠的動(dòng)手機(jī)會(huì)，對(duì)于單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)以及編程，能夠利用的訓(xùn)練時(shí)間非常少，學(xué)生的動(dòng)手能力難以提升。

第四，理論課與實(shí)驗(yàn)課缺乏足夠的聯(lián)系，缺乏基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，在理論課中學(xué)生們學(xué)到的一些理論知識(shí)，缺乏平臺(tái)去嘗試相關(guān)內(nèi)容；在實(shí)驗(yàn)課中，一上來(lái)便是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使得學(xué)生感到力不從心。在理論課與實(shí)驗(yàn)課之間，需要一個(gè)合適的平臺(tái)讓學(xué)生們了解單片機(jī)的基本知識(shí)，自己搭建單片機(jī)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，編程嘗試，才能更好地在實(shí)驗(yàn)課中對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)進(jìn)行操作，收獲更好的效果。

第五，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的更新不夠到位，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到的比較常見(jiàn)的問(wèn)題及相關(guān)的解決方案，容易重復(fù)出現(xiàn)，而對(duì)于具有創(chuàng)新性的解決方案較少提及，需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行修改。

2 ETPP漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系

2.1 ETPP漸進(jìn)式實(shí)踐模式的構(gòu)思

ETPP的具體含義為Experiment（基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)）—Training（綜合實(shí)驗(yàn)）—Practice（實(shí)踐訓(xùn)練）—Project（項(xiàng)目實(shí)踐），即四個(gè)層次，依次遞進(jìn)[3]。為實(shí)現(xiàn)ETPP漸進(jìn)式實(shí)踐能力培養(yǎng)模式，以單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程為核心，將ETPP的思想應(yīng)用到單片機(jī)的教學(xué)之中。其一，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式的不足，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，增加實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)，以消除理論課時(shí)長(zhǎng)久以來(lái)大于實(shí)驗(yàn)課時(shí)長(zhǎng)的弊端；其二，增強(qiáng)理論課與實(shí)驗(yàn)課之間的聯(lián)系，在一些課程上安排理論課老師同時(shí)兼任實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)；其三，針對(duì)部分儀器設(shè)備老舊問(wèn)題，對(duì)相關(guān)的儀器設(shè)備及器材進(jìn)行更新，購(gòu)置新款的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱；其四，以本專業(yè)的本科生課程設(shè)計(jì)及綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的器件與設(shè)備為基礎(chǔ)平臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)課內(nèi)課外相結(jié)合，線上線下相輔助的全程化、漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系。

2.2 ETPP漸進(jìn)式實(shí)踐模式的實(shí)現(xiàn)

課程教學(xué)過(guò)程中，利用專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)，借助于實(shí)驗(yàn)室的軟件以及硬件設(shè)備，輔助正常的實(shí)驗(yàn)課及理論課教學(xué)，構(gòu)建全程漸進(jìn)式創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)模式[4]。

2.2.1 實(shí)踐準(zhǔn)備

為更好地實(shí)現(xiàn)ETPP漸進(jìn)式實(shí)踐能力培養(yǎng)模式，始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心，在學(xué)生入學(xué)之初，組織新生參與本專業(yè)本科綜合創(chuàng)新基地的宣講，邀請(qǐng)基地負(fù)責(zé)人為新生介紹基地及實(shí)驗(yàn)室情況，鼓動(dòng)學(xué)生們的熱情，老師們鼓勵(lì)專業(yè)的所有同學(xué)參與到相關(guān)創(chuàng)新基地之中，提前接觸專業(yè)知識(shí)，包括但不限于單片機(jī)、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、傳感器、自動(dòng)控制原理等課程內(nèi)容。依托于創(chuàng)新基地的設(shè)備，讓同學(xué)們更快地接觸到知識(shí)的運(yùn)用層，親身完成一些電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，更快地融入專業(yè)之中，提升依賴感與自信心。

2.2.2 具體實(shí)施

在實(shí)驗(yàn)管理方面，遵循ETPP漸進(jìn)式培養(yǎng)模式，從四個(gè)層次出發(fā)，安排學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)。

Experimen（t基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)）：在實(shí)驗(yàn)室初期，主要由學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐為新生安排培訓(xùn)，包括電路原理、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)以及單片機(jī)等基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)針對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容布置相關(guān)的設(shè)計(jì)任務(wù)加以鞏固，進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生們打好基礎(chǔ)，完成基本的知識(shí)儲(chǔ)備。

Training（綜合實(shí)驗(yàn)）：在這一階段，學(xué)生們已經(jīng)具備了基本的硬件電路知識(shí)，也對(duì)單片機(jī)的輸入與輸出有了一定的了解與實(shí)踐，本階段旨在進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生們對(duì)于單片機(jī)的運(yùn)用能力，將單片機(jī)結(jié)合一些傳感器，如紅外測(cè)距傳感器、溫度傳感器等，也要求實(shí)現(xiàn)一些常用的通信方式，如IIC、SPI等。學(xué)生們通過(guò)在該階段的學(xué)習(xí)，能夠?qū)鞲衅骷巴ㄐ欧绞降尿?qū)動(dòng)程序有更深的認(rèn)知，電路設(shè)計(jì)能力也有所提高。在熟悉51單片機(jī)的開(kāi)發(fā)之后，也可以借助實(shí)驗(yàn)室的條件去接觸一些其他的單片機(jī)，如Arduino、STM32等。

Practice（實(shí)踐訓(xùn)練）：在學(xué)習(xí)了單片機(jī)以及單片機(jī)外設(shè)、傳感器、通信方式后，學(xué)生們已經(jīng)具備了開(kāi)發(fā)一些簡(jiǎn)易單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在本階段中，實(shí)驗(yàn)室會(huì)指導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行一些與單片機(jī)有關(guān)的自主設(shè)計(jì)，將學(xué)生們進(jìn)行分組，每組自行選題并擬定任務(wù)書(shū)，組內(nèi)人員明確分工，共同完成該設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生們的團(tuán)隊(duì)精神與組織能力，同時(shí)通過(guò)自主查找資料，也能夠提升學(xué)生們對(duì)于資料的收集能力。

Projec（t項(xiàng)目實(shí)踐）：知識(shí)的學(xué)習(xí)，最后必須運(yùn)用到實(shí)踐之中，在前三個(gè)階段所涉及的內(nèi)容均屬于基礎(chǔ)知識(shí)，不具備綜合性，單片機(jī)本身只是一款數(shù)據(jù)處理的工具，必須在實(shí)際應(yīng)用中才能夠發(fā)揮具體的價(jià)值。在項(xiàng)目實(shí)踐階段，學(xué)生們會(huì)接觸到一些具體的實(shí)踐類項(xiàng)目，可以通過(guò)參與到老師們的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、科研訓(xùn)練項(xiàng)目中，借由這些具體的項(xiàng)目來(lái)對(duì)知識(shí)加以運(yùn)用，在這個(gè)過(guò)程之中對(duì)前三個(gè)階段學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行梳理。除參與到老師的項(xiàng)目之中，學(xué)生們也可以參加專業(yè)相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽，在課賽融合下，以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的興趣，提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作等多項(xiàng)綜合能力，同時(shí)促進(jìn)學(xué)科建設(shè)和專業(yè)發(fā)展[5]。

2.2.3 與實(shí)踐課程相協(xié)調(diào)

專業(yè)基礎(chǔ)課堂教學(xué)中，需要與具體的實(shí)驗(yàn)課程相接軌，共同配合以使ETPP模式發(fā)揮更好的效果。首先是單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)于Experiment，其主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)的基本使用，活用單片機(jī)的I/O口完成基本的輸入輸出功能，驅(qū)動(dòng)按鍵、LED等基本的外設(shè)；其次是智能儀器實(shí)驗(yàn)，其基于單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了擴(kuò)展，立足于51單片機(jī)的三總線原理，拓展了更多的外設(shè)，如編碼鍵盤(pán)、顯示屏等，與Training相對(duì)應(yīng)，綜合性較單片機(jī)實(shí)驗(yàn)更強(qiáng)；再次是單片機(jī)相關(guān)的課程設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)于ETPP的第三個(gè)層次Practice（實(shí)踐訓(xùn)練），該階段旨在鍛煉學(xué)生們的綜合設(shè)計(jì)能力，通過(guò)獨(dú)立地完成系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，提升自己的實(shí)踐動(dòng)手能力；最后是畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)著四個(gè)層次中的Projec（t項(xiàng)目實(shí)踐），與老師的課題與項(xiàng)目接軌，是對(duì)于知識(shí)的綜合性創(chuàng)新性運(yùn)用。

2.2.4 線上線下相結(jié)合

除去正常的上課時(shí)間外，在周末以及寒暑假時(shí)間，學(xué)生們往往無(wú)法有效利用時(shí)間，也缺乏解決問(wèn)題的途徑，本專業(yè)基于實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)搭建了一個(gè)小型網(wǎng)站，師生皆可進(jìn)入到網(wǎng)站之中，注冊(cè)成為用戶，查看網(wǎng)站中的資料、發(fā)帖子等。老師們可以在假期通過(guò)平臺(tái)，發(fā)布一些任務(wù)及資料供學(xué)生們進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生們可以在平臺(tái)上提出及討論問(wèn)題，與線下教學(xué)相互補(bǔ)充驗(yàn)證[6]。

3 ETPP教學(xué)模式下的成效

面向我校電子信息類、儀器類、自動(dòng)化等專業(yè)，提供必要的經(jīng)費(fèi)以及技術(shù)、設(shè)備等方面的支持，將單片機(jī)原理及接口技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過(guò)程，開(kāi)展單片機(jī)課堂教學(xué)改革，扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的“一短二分離三固定”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐痛點(diǎn)，通過(guò)ETPP漸進(jìn)式、全面化的方式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生基于單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、綜合創(chuàng)新和項(xiàng)目管理等的能力。

3.1 學(xué)生的實(shí)踐能力成效

在近三年間，僅儀器類專業(yè)學(xué)生，多次取得國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，全國(guó)大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競(jìng)賽一等獎(jiǎng)四項(xiàng)，“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽全國(guó)特等獎(jiǎng)一項(xiàng)、全國(guó)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，藍(lán)橋杯嵌入式賽項(xiàng)全國(guó)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，數(shù)學(xué)建模美賽一等獎(jiǎng)一項(xiàng)；省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)有藍(lán)橋杯嵌入式賽項(xiàng)江西賽區(qū)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，其他專題賽一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、二等獎(jiǎng)多項(xiàng)。

3.2 教師的教學(xué)能力成效

在課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的共同努力下，單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)課程先后在中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)銀在線、國(guó)家UOOC聯(lián)盟等平臺(tái)上線，取得了積極的教學(xué)效果，并獲得省級(jí)精品在線課程、省級(jí)一流課程、省級(jí)本科教學(xué)成果二等獎(jiǎng)、全國(guó)高校電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)競(jìng)賽（鼎陽(yáng)杯）一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

4 總結(jié)

本文從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式的不足之處出發(fā)，指出了當(dāng)前教學(xué)模式存在的“一短二分離三固定”的痛點(diǎn)，采用ETPP模式進(jìn)行單片機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)實(shí)踐改革。以專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，將實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)過(guò)程按照ETPP的四個(gè)層次進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)了全面的、漸進(jìn)式的學(xué)生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，并將實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)進(jìn)行聯(lián)系，使二者達(dá)成高度的協(xié)調(diào)，能夠在學(xué)院更好地進(jìn)行雙一流課程建設(shè)與實(shí)踐，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、符合社會(huì)需求的復(fù)合型創(chuàng)新性新工科人才。