杜 波，劉文洲

(長春工程學院 電氣與信息工程學院，長春 130012)

引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》的重大改革項目，是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措?！白吭接媱潯敝荚谂囵B(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)，對促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導作用。

“卓越計劃”具有三個特點：一是行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程；二是學校按通用標準和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才；三是強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力。

長春工程學院電氣工程及其自動化專業(yè)是國家級特色專業(yè)，同時也是國家級“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實施專業(yè)，為了“強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力”，專業(yè)教學團隊對《單片機原理及應用》等重點課程的實踐教學進行了深入系統(tǒng)的研究，改革了教學內(nèi)容與方法，優(yōu)化了教學過程，有效提升了學生動手操作能力。

卓越計劃試點班《單片機原理及應用》課程實踐教學改革始于2013—2014學年，至今已進行了七輪，共涉及7個教學班級(5個單班和2個大班)，重點進行了團隊教學、電路板教學和proteus仿真教學，在提高學生動手能力和應用能力等方面取得了明顯成效。

一、準確定位課程教學目標和要求

《單片機原理及應用》課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在學生培養(yǎng)過程中具有承上啟下的關(guān)鍵作用。為了切實保證課程教學質(zhì)量，課程教學團隊從專業(yè)辦學定位和人才培養(yǎng)目標出發(fā)，結(jié)合專業(yè)科技發(fā)展和社會需求，以突出學生學習成果為導向，根據(jù)“卓越計劃”人才培養(yǎng)要求，重新審視、補充和完善了課程教學目標和要求。

(一)教學目標

1.系統(tǒng)了解和掌握單片機的原理及接口技術(shù)的知識目標；

2.通過單片機應用系統(tǒng)的設(shè)計和基本程序的編寫并掌握基本應用方法，從而達到具有邏輯分析及解決實際問題的能力目標；

3.熟悉單片機系統(tǒng)在自動控制、智能儀器等方面的應用，從而達到學生在工程應用方面獨立完成單片機系統(tǒng)任務(wù)的技能目標。

4.通過《單片機原理及應用》課程的學習，使學生熟悉和掌握單片機繪圖和編程方面相關(guān)國家標準、規(guī)范，并培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和嚴謹、協(xié)作等方面的工程素質(zhì)。

(二)實踐教學要求

1.了解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，能夠熟練使用單片機的內(nèi)部資源，利用外圍部件構(gòu)成單片機應用系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能；

2.熟練使用單片機實驗系統(tǒng)和調(diào)試軟件；

3.掌握單片機硬件設(shè)計方法；

4.掌握單片機指令系統(tǒng)及其應用、程序設(shè)計的方法和技巧；

5.了解控制過程中的各種人機接口技術(shù)及常用功能芯片；

6.掌握軟硬件相結(jié)合的單片機控制系統(tǒng)綜合調(diào)試方法，具備獨立分析問題和解決問題的能力；

7.熟悉單片機繪圖和編程方面相關(guān)國家標準、規(guī)范，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，以及環(huán)保、協(xié)作、安全、經(jīng)濟等方面的工程意識。

二、采用學生團隊設(shè)計方式教學，學練結(jié)合，以生為本

為了體現(xiàn)學生在學習過程中的主體地位，強化學生團隊協(xié)作、求真務(wù)實和嚴謹工作作風等工程意識的培養(yǎng)，課程教學團隊分別在電氣1141班和電氣1241班開展了學生團隊設(shè)計方式的教學探索與實踐。

(一)布置團隊設(shè)計任務(wù)

課程教學伊始，主講教師對全班同學進行分組，并從每組學生中選出能力較強者為組長，要求自行選擇設(shè)計題目，題目選定后需經(jīng)教師認可，若團隊沒有選題，可由教師推薦設(shè)計題目，題目確定后對團隊任務(wù)進行分工，確保每位學生都參與到設(shè)計當中，要求對團隊任務(wù)進行proteus仿真。

任課主講教師要按照設(shè)計成果給每組分別賦分，同一小組成員得分一致，此部分成績占課程總成績的10%。

(二)任務(wù)執(zhí)行過程

團隊設(shè)計主要采用學生自行設(shè)計，由組長分配任務(wù)，各組學生分別進行查找資料、方案確定、電路設(shè)計、電路繪圖、軟件編程、軟硬件調(diào)試。教師每個星期進行答疑和輔導。培養(yǎng)學生的工程意識和團隊意識，同時為了培養(yǎng)自學能力和創(chuàng)新能力，課程進行至第三章指令系統(tǒng)的時候，要求學生以小組形式對部分指令進行自學和討論，經(jīng)過兩個學期的實踐，教學效果良好，既節(jié)約了課堂教學時間，又培養(yǎng)了學生的學習能力。

(三)任務(wù)驗收

2013—2014學年第一學期電氣1141班團隊設(shè)計任務(wù)驗收結(jié)果：全班共47人，按照成績均等的原則，每組學生的實力相對平均，分為6組，每組7—8人，綜合6組的團隊設(shè)計成果和設(shè)計過程中的表現(xiàn)，給定團隊設(shè)計成績，同一小組成員得分一致。

表1 6組團隊設(shè)計成績

2014—2015學年第一學期電氣1241班團隊設(shè)計在分組上進行了調(diào)整，不再按照成績均等原則分組，大家按照選題方向自愿分組，設(shè)計選題按照全組成員的設(shè)計水平設(shè)定難易程度，能力強的組分配稍難的題目，能力差的組分配較簡單的題目，所以完成難度并不大，使每位學生都有能力和意愿去完成設(shè)計任務(wù)。同時增加設(shè)計組數(shù)，降低每組人數(shù)，加大每個人身上的任務(wù)量，任務(wù)更加明確了。全班共34人分為12組，每組2—3人。由于設(shè)計選題結(jié)合了成員的設(shè)計水平，因此增強了學生信心，設(shè)計效果有明顯提升。

綜合12組的團隊設(shè)計成果和設(shè)計過程中的表現(xiàn)，給定團隊設(shè)計成績，同一小組成員得分一致。

表2 12組團隊設(shè)計成績

(四)教學總結(jié)

經(jīng)過兩個學期的團隊設(shè)計的實踐應用，對課程的教學效果有較大的影響。

首先，通過團隊的形式布置自學指令的任務(wù)，不僅節(jié)省了課上時間，而且學生在以小組形式的自學和討論中，不僅學會了指令，還培養(yǎng)了他們發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，達到教學目的。

其次，團隊設(shè)計激發(fā)了學生的設(shè)計欲望，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新性和實踐性以及協(xié)作能力，調(diào)動了學生的學習自主性和積極性。

最后，團隊設(shè)計以小組為單位針對設(shè)計題目，進行設(shè)計，為日后的課程設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

團隊設(shè)計也有弊端，團隊設(shè)計分組按照各組成績均等的原則分組，但個別學生在團隊中承擔任務(wù)的能力相對較差，但卻共享團隊成果，雖然對電氣1241班的團隊設(shè)計進行了調(diào)整，將學生按照學習層次分組，按照不同層次選擇不同層次的題目。即有的團隊由成績好的學生組成，選擇較難的題目；有的團隊成績由不好的學生組成選擇較簡單的題目，充分調(diào)動學生的積極性，同時阻斷他們的依賴性。成績給定時忽略難易程度，以學生的進步和題目的進展來給成績，彌補此項不足。

團隊設(shè)計培養(yǎng)了學生的工程意識和協(xié)作精神，但畢竟是團組設(shè)計并不是個人戰(zhàn)，難免有依賴性。

三、采用教師逐一示范、學生擴展練習的方式實施電路板實踐教學

(一)講、演、練有機結(jié)合實施教學

在卓越試點班《單片機原理及應用》課程的電路板實踐教學中，教師突出重點知識、基礎(chǔ)技能與能力，精選了教學內(nèi)容。每一精選內(nèi)容均對應有可實踐操作的練習。在教學過程中，教師首先精講知識重點，然后給學生做典型的示范練習，包括硬件電路講解、軟件編程與調(diào)試、功能示范等。學生在教師講授與示范的基礎(chǔ)上，提出進一步功能需求與設(shè)計構(gòu)想，并通過討論和動手操作實現(xiàn)功能擴展。最后由教師進行驗收。

電路板教學內(nèi)容、實踐練習重點及教師示范和學生練習重點內(nèi)容，見表3。

表3 電路板實踐教學內(nèi)容

(二)電路板教學效果

經(jīng)過2015—2016學年第一學期電氣1341、2016—2017學年第一學期電氣1441、2017—2018學年第一學期電氣1541三年的電路板教學，不僅使學生學會了電路板的使用，還鍛煉了學生的動手實踐能力和編程能力，做到了理論與實踐相結(jié)合，最顯著的就是課內(nèi)實驗的完成更加容易，課程設(shè)計這三個班級均能夠完成全員仿真通過，甚至有的小組能夠獲得全員的優(yōu)秀，取得了非常滿意的教學效果，但也有弊端，由于電路板教學需要調(diào)試時間，因此需要將理論課變得更加緊湊，因此學生的課業(yè)壓力較大，另外由于學生調(diào)試環(huán)節(jié)需要教師指導，因此比較適合單班執(zhí)行。

四、實施proteus仿真教學，解決大班教學困境

(一)問題來源

經(jīng)過三個學期的電路板教學，教學效果顯著，但是由于調(diào)試環(huán)節(jié)需要教師進行指導，因此單班電路板調(diào)試效果較好。而卓越試點專業(yè)的電氣16級和電氣17級，學校執(zhí)行了轉(zhuǎn)專業(yè)政策，因此各從其他專業(yè)轉(zhuǎn)來了一個單班的學生，卓越專業(yè)從一個單班變成了一個合班，一個合班的人數(shù)達到90多人，電路板調(diào)試已經(jīng)不適合了，一方面學生人數(shù)過多課上教師輔導不過來，另一方面設(shè)備也是問題，一個教室同時開90多臺電腦90塊電路板，設(shè)備、教師監(jiān)管、用電和桌椅大小都是問題，即使減半，也存在問題隱患；另外，電路板調(diào)試需要學生進行討論，合班討論課堂過于雜亂。這些原因都會導致教學效果大大下降。因此從2018—2019學年第一學期和2019—2020學年第一學期對電氣1641、44班和電氣1741、44班進行proteus仿真教學。

(二)教學設(shè)計與實施

1.內(nèi)容和知識點與電路板教學基本一致；

2.課上教師在精講理論知識的基礎(chǔ)上，借助proteus/keil給學生做相關(guān)知識點實踐練習的示范；

3.教師結(jié)合示范練習，向?qū)W生提出進一步的功能需求，作為學生課后作業(yè)，由學生自主解決和實現(xiàn)；

4.教師加強對學生課后練習內(nèi)容的隨堂輔導和網(wǎng)上輔導。

(三)proteus仿真教學效果

1.電路板教學雖然是培養(yǎng)學生動手能力的最佳方式，但是并不適合大班教學，proteus仿真教學課上以教師示范為主，學生在課下練習，不拘泥于時間和地點，形式靈活；

2.proteus仿真教學不需要電路板設(shè)備，只要有私人電腦就夠了，省去了每年的設(shè)備維護；

3.proteus仿真不局限于電路板固定電路，學生可根據(jù)自己的需求進行自主設(shè)計，從而能夠在練習中加入自己的設(shè)計理念，激發(fā)學生學習興趣。

經(jīng)過2018—2019學年第一學期和2019—2020學年第一學期電氣1641、44班和電氣1741、44班的proteus仿真教學，發(fā)現(xiàn)proteus仿真教學雖不如電路板教學效果顯著，但對于大班實踐教學是一種比較好的形式，值得借鑒和推廣。

五、結(jié)束語

歷經(jīng)7個學期7個教學班的實踐教學，2個班級的團隊設(shè)計、3個班級的電路板教學和2個大班的proteus仿真教學，取得了一些經(jīng)驗。

團隊設(shè)計能夠鍛煉學生的團隊意識和協(xié)作能力，但存在一些弊端，無法避免有個別學生偷懶卻共享設(shè)計成果，不能更好地鍛煉每一個學生。

電路板教學以個體為中心，在有限的課堂教學中最大限度地對學生進行實踐動手能力培養(yǎng)，面對實物教學，學生的學習興趣被激發(fā)，動手能力得到提高，由于電路板調(diào)試任務(wù)量大，學生調(diào)試和教師輔導的工作量都很大，但通過實際電路板調(diào)試，學生及時將課堂知識轉(zhuǎn)化為動手能力，單班教學效果很好。

proteus仿真教學是針對于合班人數(shù)較多的教學方式，一個合班人數(shù)可達到90多人，考慮到教師輔導工作量過大，另外電路板調(diào)試課堂的討論和答疑環(huán)節(jié)會造成教學秩序過于雜亂，因此采用proteus仿真的形式進行實踐教學，教學內(nèi)容和電路板教學基本相同，但不進行課堂調(diào)試，只做演示，學生練習改為課下，輔導形式采用課堂答疑和課下網(wǎng)上答疑，取得的教學效果較好，能夠在課堂上將工程意識帶給學生，培養(yǎng)學生設(shè)計調(diào)試單片機控制系統(tǒng)的能力。

團隊設(shè)計歷時2個教學單班，電路板教學歷時3個教學單班，proteus仿真教學歷時2個教學大班，三種實踐教學形式比較發(fā)現(xiàn)，電路板教學是最為有效的實踐教學形式，但適合授課人數(shù)較少的場合，需要課堂教學緊湊連貫，相對傳統(tǒng)教學課堂教學內(nèi)容較多，教學效果最好。基于人數(shù)、設(shè)備、教學秩序的考慮，proteus仿真教學是對電路板教學的一種替代，適合教學人數(shù)較多的場合，教學效果較好。團隊設(shè)計能夠鍛煉學生的團隊意識和協(xié)作能力，但不適合在理論課堂引入，可以考慮在課設(shè)環(huán)節(jié)嘗試。