朱永強(qiáng) 張平霞 潘福全 王小凡

摘要：針對(duì)當(dāng)前《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)效果不理想，學(xué)生理解存在困難等現(xiàn)象，提出了一種基于能力培養(yǎng)的《單片機(jī)原理及應(yīng)用》教學(xué)手段與方法改革研究，從教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、考核模式等方面入手，采用能力培養(yǎng)導(dǎo)向式學(xué)習(xí)，該項(xiàng)目可以提高學(xué)生上課積極性和主動(dòng)性，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以在該項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行我校及國(guó)內(nèi)同類(lèi)高校其他應(yīng)用類(lèi)課程的應(yīng)用研究，將進(jìn)一步推進(jìn)各高校新工科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)管理模式的改革與創(chuàng)新，促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的進(jìn)一步提高，具有較好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用;教學(xué)改革;能力培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G645? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0222-02

0? 引言

單片機(jī)課程是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，是交通運(yùn)輸、車(chē)輛工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、應(yīng)用電子、通信工程、機(jī)電一體化等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課?！皢纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用”在工科院校各專(zhuān)業(yè)中已作為一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課而普遍開(kāi)設(shè)[1-3]。

在多年的教學(xué)中，學(xué)生普遍反映單片機(jī)太抽象、概念多、入門(mén)難、指令不易記等等。學(xué)生感到枯燥乏味，學(xué)習(xí)難度很大，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以教師為中心的，著重強(qiáng)調(diào)教師的“教”，學(xué)生的“學(xué)”限定在教師的“教”之內(nèi)。雖然也強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，但這種實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ潜划?dāng)作技能并以“知識(shí)”的形式來(lái)加以傳授的，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的發(fā)展無(wú)疑是非常有限的。

目前的實(shí)踐教學(xué)主要以課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主，通常教師預(yù)先設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如清零拆字、I/O口使用、中斷與定時(shí)器使用、A/D轉(zhuǎn)換、D/A顯示、鍵盤(pán)顯示、小直流電機(jī)調(diào)速等，然后學(xué)生根據(jù)各實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求完成相應(yīng)的操作[4-5]。該方法一定程度上可以讓學(xué)生盡快熟悉和進(jìn)入單片機(jī)這個(gè)領(lǐng)域，但不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性，更不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

從以上現(xiàn)狀及存在問(wèn)題可看出，該課程教學(xué)的主要矛盾點(diǎn)在于理論和實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)，理論教學(xué)單純學(xué)理論知識(shí);不利于學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)，因此最有效的方法是改革現(xiàn)有的課程教學(xué)體系，在實(shí)踐教學(xué)中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用，使得理論教學(xué)有的放矢。

1? 基于能力培養(yǎng)的《單片機(jī)原理及應(yīng)用》教學(xué)手段與方法改革

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)電子控制方向非常重要的專(zhuān)業(yè)課，因此如果采用基于能力培養(yǎng)為目標(biāo)，對(duì)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》的教學(xué)手段與考核方法進(jìn)行改革研究，會(huì)獲得以下效果：

①注重工程應(yīng)用能力培養(yǎng)，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

在授課時(shí)由老師結(jié)合專(zhuān)業(yè)需求，結(jié)合學(xué)生興趣愛(ài)好，由教師提出單片機(jī)小型控制應(yīng)用研究題目，結(jié)合課程授課，實(shí)現(xiàn)邊授課學(xué)習(xí)，邊推進(jìn)題目進(jìn)展，讓同學(xué)參與到實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用研究中來(lái)，注重解決問(wèn)題的科研流程與素質(zhì)的訓(xùn)練，在此過(guò)程中讓學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

②鼓勵(lì)學(xué)生參加各種競(jìng)賽，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

在前期基本技能培養(yǎng)+解決實(shí)際問(wèn)題能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生參加各種比賽，對(duì)問(wèn)題的分析不設(shè)標(biāo)準(zhǔn)答案，注重解決問(wèn)題方法的多樣性、創(chuàng)新性虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，改善實(shí)際操作環(huán)節(jié)的效果。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生參加國(guó)家大學(xué)生科技創(chuàng)新大賽等各種比賽，則必將激發(fā)學(xué)生的自信心，產(chǎn)生強(qiáng)烈的成就感，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而各種比賽成績(jī)的取得也必將大大增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

③避免重理論輕實(shí)踐，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，注重實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)實(shí)物項(xiàng)目，以及學(xué)生感興趣的實(shí)際應(yīng)用題目，實(shí)現(xiàn)邊授課邊進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目操作，使學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而不會(huì)受制于實(shí)驗(yàn)室條件所限，大大增加了學(xué)生實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，進(jìn)而解決了知識(shí)的應(yīng)用問(wèn)題。

最終實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，可以學(xué)以致用，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，并為培養(yǎng)新工科學(xué)生的創(chuàng)新能力提供相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，并為我校在基于能力培養(yǎng)的課程教學(xué)手段與方法改革研究方面的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

2? 具體措施

2.1 改革方案設(shè)計(jì)

教師首先進(jìn)行單片機(jī)基本課程知識(shí)的講授，然后確定實(shí)物項(xiàng)目的題目，在此過(guò)程中，通過(guò)課程的深入學(xué)習(xí)和項(xiàng)目的不斷完善，指導(dǎo)學(xué)生利用虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行初步分析研究，然后進(jìn)行實(shí)物項(xiàng)目的實(shí)際研究，最終完成項(xiàng)目研究報(bào)告，并給出課程綜合成績(jī)。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行企業(yè)考察和市場(chǎng)調(diào)研，確定創(chuàng)新性的研究題目，指導(dǎo)學(xué)生參與相關(guān)的比賽。

2.2 解決方法

①有價(jià)值的、符合課程需要的、難易適中的研究題目的方案篩選與課程內(nèi)容的對(duì)應(yīng)銜接。

通過(guò)組織學(xué)生參與企業(yè)調(diào)研、市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合老師及相關(guān)技術(shù)專(zhuān)家的技術(shù)指導(dǎo)，確定有價(jià)值的研究題目。通過(guò)項(xiàng)目進(jìn)展的方式，結(jié)合階段檢查、階段匯報(bào)，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究進(jìn)展情況，避免學(xué)生突擊式學(xué)習(xí)以及抄襲;在課時(shí)不變的情況下，通過(guò)將部分研究?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)移到課下，來(lái)提高和保證學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

在具體實(shí)施時(shí)，指導(dǎo)教師首先結(jié)合課題背景和知識(shí)掌握的需要，制定出課題任務(wù)書(shū)，對(duì)項(xiàng)目的開(kāi)展過(guò)程及最終成果形式，進(jìn)行規(guī)范，避免學(xué)生工作量不足。然后讓同學(xué)組成興趣小組，每個(gè)同學(xué)都必須參與，并且為防止抄襲，有明確的不同分工。在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，讓同學(xué)定期匯報(bào)，避免最后突擊應(yīng)付，達(dá)不到應(yīng)有的能力培養(yǎng)效果。最后每個(gè)同學(xué)根據(jù)各自的分工，開(kāi)展實(shí)物項(xiàng)目試驗(yàn)，撰寫(xiě)對(duì)應(yīng)的研究報(bào)告。從而達(dá)到能力培養(yǎng)的要求。在該過(guò)程中，教師要通過(guò)各種手段，定期檢查和指導(dǎo)學(xué)生的項(xiàng)目進(jìn)展，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。例如在以往授課時(shí)，為講授傳感器的單片機(jī)編程，以及程序在智能控制中的具體應(yīng)用，我們指導(dǎo)同學(xué)開(kāi)展了電動(dòng)小車(chē)的PWM調(diào)速控制、基于超聲波傳感器的自動(dòng)避障控制。這些項(xiàng)目在同學(xué)自己設(shè)計(jì)算法并編程完畢后，試驗(yàn)結(jié)果立即就會(huì)有不同的反應(yīng)，學(xué)生立即會(huì)切身體會(huì)到程序控制的奧妙，因此就會(huì)激發(fā)出同學(xué)們濃厚的學(xué)習(xí)興趣，此時(shí)教師再抓住時(shí)機(jī)，講解相關(guān)理論，就會(huì)收到非常好的效果。

②Virtual Breadboard虛擬仿真平臺(tái)+Arduino實(shí)物項(xiàng)目的搭建。

常規(guī)單片機(jī)編程平臺(tái)為KeilC，仿真平臺(tái)為Proteus，但這兩個(gè)軟件用于Arduino，仿真直觀性較差，不便于調(diào)試。Virtual Breadboard是專(zhuān)門(mén)針對(duì)Arduino的，同時(shí)內(nèi)置了大量的仿真元器件，虛擬面板的可視性和模擬交互效果非常直觀，可以實(shí)時(shí)看到LED、LCD的變化，同時(shí)因?yàn)椴皇菍?shí)物操作，所以不會(huì)引起觸電或者燒毀芯片等問(wèn)題。

這樣同學(xué)根據(jù)項(xiàng)目的需要將相應(yīng)的元器件擺放在面板上，并進(jìn)行連線(xiàn)，然后編制單片機(jī)程序，仿真運(yùn)行，即可看到具體的控制效果，如果有問(wèn)題還可以再修改調(diào)試。在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證技術(shù)方案的初步可行性，減少后期的器件損耗。

如果仿真沒(méi)問(wèn)題，就利用Arduino編譯平臺(tái)，進(jìn)行程序編譯、下載，然后就可以看到實(shí)物控制的效果。選擇Arduino實(shí)物項(xiàng)目，開(kāi)展相應(yīng)的研究項(xiàng)目，最大的好處是：該款平臺(tái)在線(xiàn)調(diào)試集成度高，容易操作，而且資料豐富，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)比較容易集中精力進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)，而這也是本門(mén)課能力培養(yǎng)的核心。

③基于能力培養(yǎng)的考核模式的探索。

提出和設(shè)計(jì)本課程的教學(xué)環(huán)節(jié)與能力目標(biāo)體系，在企業(yè)工程師、專(zhuān)業(yè)教師、教學(xué)管理人員和已畢業(yè)學(xué)生調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)與能力目標(biāo)體系，貫穿整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，最終以實(shí)物項(xiàng)目的成果形式體現(xiàn)出來(lái)，提高了同學(xué)動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的能力，在今后工作中遇到實(shí)際問(wèn)題能夠與課本知識(shí)結(jié)合起來(lái)，知道如何下手解決問(wèn)題。最終真正達(dá)到能力培養(yǎng)的要求。同時(shí)基于小組合作的培養(yǎng)模式，讓學(xué)生逐步具備分工合作的團(tuán)隊(duì)素質(zhì)。

3? 基于能力培養(yǎng)的教學(xué)改革創(chuàng)新點(diǎn)

①采用能力培養(yǎng)導(dǎo)向式學(xué)習(xí)，使同學(xué)從被動(dòng)的學(xué)習(xí)，變成主動(dòng)學(xué)習(xí)。

在課程授課中結(jié)合知識(shí)的具體應(yīng)用，同時(shí)學(xué)生結(jié)合所研究的題目，進(jìn)行知識(shí)的應(yīng)用，一方面促進(jìn)知識(shí)的鞏固，另一方面，具體問(wèn)題的解決，顯著提升學(xué)生學(xué)習(xí)信心和興趣，促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

②考核方式由以往的“一考定成績(jī)”，改為注重學(xué)生實(shí)際全面能力的提升。

在新的考核過(guò)程中，成績(jī)考核伴隨整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：提出項(xiàng)目的題目、分析問(wèn)題、提出解決方案、搭建電路平臺(tái)、組裝機(jī)械系統(tǒng)、撰寫(xiě)研究報(bào)告、制作PPT進(jìn)行答辯，體現(xiàn)出注重過(guò)程，注重全方面的能力，注重學(xué)以致用，注重學(xué)生綜合能力的提高，要求學(xué)生不僅學(xué)習(xí)好、研究好、還要文筆好、口才好，最終全方位提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，滿(mǎn)足新工科培養(yǎng)的要求。

4? 結(jié)論

通過(guò)本項(xiàng)目研究，實(shí)現(xiàn)基于能力培養(yǎng)的教學(xué)模式的改革，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，真正掌握單片機(jī)的控制理念。建立基于“產(chǎn)出導(dǎo)向育人、產(chǎn)教融合育人、競(jìng)賽平臺(tái)育人”和注重“知識(shí)維度、能力維度、素質(zhì)維度”培養(yǎng)的高素質(zhì)應(yīng)用創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，解決當(dāng)前單片機(jī)課程理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)不能有效融合、實(shí)踐動(dòng)手與創(chuàng)新能力不強(qiáng)的實(shí)際難題，提高學(xué)生的就業(yè)和考研的競(jìng)爭(zhēng)力提升學(xué)校的聲譽(yù)，在培養(yǎng)服務(wù)山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程的高素質(zhì)人才方面做出一定的貢獻(xiàn)。

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