孫駟洲，孟 櫻，陸華才

（安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

為促進我國盡快邁向工程教育強國，教育部啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”.安徽工程大學電氣工程學院自動化專業(yè)是國家級特色專業(yè)，2013 年開始實施國家級“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在培養(yǎng)適應企業(yè)需求的工程專業(yè)技術人才，并將成果導向教育（OBE）理念引入人才培養(yǎng)過程，2019年通過教育部專家組的專業(yè)認證考核.OBE理念以工程專業(yè)技術人才的企業(yè)需求為導向，設定學生畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標，按照“反向設計，正向施工”的策略，設計科學合理的培養(yǎng)方案和各課程教學大綱，采用與教學大綱相匹配的教學內(nèi)容、教學計劃和教學方法，利用達成度評價學生學習效果是否符合培養(yǎng)目標要求，并進行持續(xù)改進和完善[1-2].

單片機原理及應用是一門實踐性非常強的課程，也是容易入門和掌握的微型計算機技術，將學生引入電子產(chǎn)品設計之路的理想入口，同時，為進一步學習其他微處理器技術，如DSP 和ARM 等，打下堅實的基礎，因此，單片機實踐教學在應用型電氣電子人才培養(yǎng)過程中起到非常重要作用.為全面培養(yǎng)和提高適應市場需求的工程技術人才綜合素質(zhì)，安徽工程大學電氣工程學院自動化專業(yè)教師團隊對單片機課程體系進行深入研究，提出基于OBE 理念的單片機綜合設計教學環(huán)節(jié)的改革與實踐，并將遞進式教學法和項目驅(qū)動法引入單片機綜合設計教學過程中.

1 基于OBE理念單片機綜合設計的研究意義

1.1 單片機教學現(xiàn)狀與分析

依據(jù)國家級單片機規(guī)劃教材和課程教學大綱要求，按章節(jié)講授單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、定時器∕計數(shù)器及串行通信等理論知識，理論教學以教師傳授為主，學生被動地學習，無法理解單片機的工作原理和掌握硬件設計及軟件設計等工程實踐技能[3].以一張試卷考核學生的單片機學習效果，無法反映學生的編程能力、Keil 和Proteus 應用能力，有些同學通過考前針對性地復習和強化記憶等方式通過考試，忽視實驗等實踐性能力訓練.簡單驗證性實驗所占比重高，依靠Proteus仿真軟件和實驗平臺開展實驗教學活動，缺乏動手能力強的設計型和綜合性實驗教學環(huán)節(jié)[4].雖然實踐性環(huán)節(jié)考核作為平時成績的一部分，但學生單片機課程成績主要以理論考核為依據(jù)，導致學生的實踐能力和系統(tǒng)開發(fā)能力很難達到企業(yè)人才需求[5，6].

1.2 基于OBE理念單片機綜合設計的意義

單片機綜合設計作為學生修完C 語言設計、工程軟件Altium Designer、單片機原理及應用和計算機控制技術等課程后的實踐教學活動，是課堂理論教學的延伸和發(fā)展，是理論與實踐相結(jié)合重要環(huán)節(jié).OBE 教學理念引入單片機綜合設計實踐教學環(huán)節(jié)，以工程設計項目為驅(qū)動，以學生為主體，靈活開展分散和集中相結(jié)合的實踐教學活動，可有效增強學生運用單片機相關知識解決工程問題的能力，激發(fā)學生的學習興趣.

2 基于OBE理念的單片機綜合設計教學目標

為培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力強，符合經(jīng)濟社會發(fā)展需求的電氣電子類工程技術人才，單片機教學團隊對單片機課程體系進行深入系統(tǒng)研究，在修訂理論課程教學大綱和教學內(nèi)容的基礎上，在電子線路板設計Altium Designer 和電路系統(tǒng)Proteus 仿真工程訓練軟件學習后，增設基于OBE 理念的單片機綜合設計的實踐環(huán)節(jié)，提高學生工程實踐能力[2].依據(jù)市場人才需求制定的自動化專業(yè)培養(yǎng)方案及畢業(yè)要求，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新和工程實踐能力為目標，設置單片機綜合設計實踐課程目標成果，如表1所示.

表1 單片機綜合設計目標成果及其對應實踐內(nèi)容

3 基于OBE理念的單片機綜合設計

3.1 優(yōu)化設計單片機綜合實驗內(nèi)容

在單片機課程內(nèi)實驗和課程設計的基礎上，增加單片機綜合實驗，將理論知識應用到實踐中，提高學生工程實踐能力.為提高學生的實踐學習能力，電子協(xié)會為每個學生提供小型單片機開發(fā)板進行單片機實驗，開發(fā)板根據(jù)單片機教學課程設計，結(jié)構(gòu)緊湊，便于學生學習，例如，流水燈實驗、按鍵數(shù)碼管顯示實驗、外部中斷實驗和電子時鐘實驗等，幫助學生熟悉和理解單片機工作原理及編程方法，同時，也使學習不受時間和空間限制.

單片機綜合設計為多個理論知識和實踐技能的綜合運用，包括單片機接口技術、線路板設計、硬件調(diào)試、C語言和匯編語言編程和調(diào)試、控制算法和多任務操作系統(tǒng)理論及應用等部分.

綜合設計項目任務由學生自己設計后由教師審核或由教師直接確定項目內(nèi)容，學生根據(jù)項目任務要求確定整體方案、設計圖紙和電子線路板，利用C語言結(jié)構(gòu)化思路編寫程序并調(diào)試，例如，具有溫度顯示和密碼功能的電子萬年歷設計.電子萬年歷單片機系統(tǒng)包括LCD12864、矩陣式鍵盤、DS1302 時鐘電路、溫度傳感器DS18B20、蜂鳴器及單片機最小系統(tǒng).LCD12864顯示不僅顯示陽歷、農(nóng)歷和時間，而且顯示溫度值.當調(diào)節(jié)日期或時間值時，需要輸入密碼，密碼正確才能修改.當?shù)秸c時，蜂鳴器發(fā)出“滴答”響聲.編寫密碼子程序、陽歷和農(nóng)歷轉(zhuǎn)化子程序、LCD12864子程序、按鍵子程序、時鐘子程序和溫度子程序及主程序.為提高軟件系統(tǒng)的實時性，采用多任務調(diào)用的μC∕OS-II操作系統(tǒng).

3.2 強化單片機綜合設計過程管理

3.2.1 單片機硬件系統(tǒng)設計 單片機軟件系統(tǒng)在硬件平臺上運行，學生根據(jù)綜合設計任務要求設計系統(tǒng)原理圖，并用Altium Designer 軟件繪制PCB 線路板，并通過深圳嘉立創(chuàng)公司加工.在器件焊接調(diào)試過程中，要求學生掌握萬用表和示波器等各類實驗儀器的使用.按照從單個模塊調(diào)試到整體聯(lián)調(diào)的順序?qū)φ麄€硬件系統(tǒng)進行測試.

3.2.2 單片機綜合設計遞進式教學 遞進式教學模式引入單片機綜合設計教學過程中，按照“循序漸進”的原則，由淺入深和逐步地將各自獨立的實驗進行前后銜接，單片機實驗包括驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗[7，8].將課堂理論教學與驗證性實驗相結(jié)合，應用Keil 或Proteus 仿真軟件熟悉和掌握單片機最基本的指令和工作原理，如數(shù)據(jù)排序、數(shù)據(jù)從內(nèi)部RAM 傳送到外部RAM，以及流水燈等實驗.驗證性實驗內(nèi)容是簡單的單片機指令應用程序，沒有連貫性，大多數(shù)學生在完成驗證性實驗后仍無法完成簡單設計性實驗和綜合性設計實驗.

為將所學單片機知識融會貫通，在驗證性實驗的基礎上設置設計性實驗，通過網(wǎng)絡視頻教學和定期地集中答疑等方式督促學生利用周末和節(jié)假日時間學習編程設計，提高學生的實踐能力，設計性實驗如表2所示.

表2 主要設計性實驗

現(xiàn)在，網(wǎng)絡上51單片機資料較多，學生從網(wǎng)絡上下載一些程序，重新定義單片機引腳就能實現(xiàn)實驗功能，這導致學生對實驗理解不透和印象不深，達不到提高學生編程能力的目的.將遞進式教學模式引入實踐教學中，如，在基本實驗中增加功能，需要學生在熟悉和理解所做實驗的基礎上修改程序，實現(xiàn)新功能.例如，數(shù)字秒表實驗，通過定時器∕計數(shù)器計時，每0.1 s數(shù)碼管LED 計時秒后小數(shù)更新加1，當計時達到1 s時，秒鐘后小數(shù)清零，秒鐘加1，當達到60 s時，秒鐘清零分鐘加1.遞進式教學模式要求學生在理解數(shù)字秒表的程序基礎上，實現(xiàn)反向計時功能，即每0.1 s的LED 計時秒后小數(shù)從10更新減1，當計時達到1 s 時，秒鐘后小數(shù)為10，秒鐘從60 減1，當達到00 s 時，秒鐘重新置60 s.遞進式教學模式應用于實踐教學中，讓學生在掌握和借鑒前期實驗的基礎上對程序進行修改，降低實驗難度，縮短設計時間，提高學生學習興趣.

3.2.3 培養(yǎng)學生團隊協(xié)作合作能力 綜合設計集中教學活動期間，將學生按四人一組協(xié)作完成一個項目任務，學習能力強的學生作為組長.實踐教學不僅培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，而且培養(yǎng)學生與人交流、合作和協(xié)調(diào)等團隊合作能力.

3.3 綜合設計的考核、評價及持續(xù)改進

綜合設計的考核和評價以衡量培養(yǎng)目標成果達成度為主要目的，以考核學生對各個理論知識點和實踐技能掌握情況為重點.考核目標包括綜合設計過程,設計成果,設計內(nèi)容撰寫、報告及答辯.各項設計成果考核分值分配及考核點如表3所示.

表3 單片機綜合實驗各目標分值分配表及達成度考核點

過程考核成績以學生平時溝通和交流為依據(jù)進行考核，每個目標成果考核均采用百分制，學生最終總評成績采用“優(yōu)（≥90 分）”“良（80～89 分）”“中（70～79 分）”“及格（60～69 分）”和“不及格（＜60 分）”的五級分制核定.單片機綜合設計課程的達成度用所有學生實際考核成績總平均值除以該課程總評成績(100分)來衡量和評價學生學習效果，如式(1)所示.

根據(jù)專業(yè)認證要求，單片機綜合設計實踐課程的達成度目標值設為0.75.針對單片機綜合設計集中實踐教學活動，以安徽工程大學自動化專業(yè)2016級（1）班學生的單片機綜合設計成績?yōu)槔嬎阍摼C合設計的目標成果考核結(jié)果達成度，如表4所示.

表4 自動化專業(yè)2016級(1)班學生的單片機綜合設計課程達成度

由表4可知，目標成果2的達成度為73.3%，沒有達到預期設置值75%，其原因主要為：（1）大部分學生沒有完全掌握μC∕OS-II操作系統(tǒng)的工作原理，影響系統(tǒng)運行的實時性；（2）單片機綜合設計要求學生應用理論知識解決工程問題，并將所學知識融合貫通，這是綜合設計目標2的難點.

針對上述原因提出持續(xù)改進的措施：（1）將遞進式教學方式引入單片機綜合設計中，通過分析和講解例程，使學生掌握操作系統(tǒng)工作原理，采用C 語言結(jié)構(gòu)化編程方式對操作系統(tǒng)例程修改，實現(xiàn)系統(tǒng)功能；（2）將課堂教學與網(wǎng)絡教學相結(jié)合，優(yōu)化教學內(nèi)容，讓學生多次學習教學例程，提高學生單片機實踐能力.

4 單片機綜合設計教學的效果分析

安徽工程大學電氣工程學院自動化專業(yè)于2015年啟動專業(yè)認證改革，2019年通過教育部專家組認證考核.本文以基于OBE 理念的自動化專業(yè)單片機綜合設計實踐教學為例，經(jīng)過多年的教學改革和創(chuàng)新，獲得較好教學效果.

1）項目驅(qū)動法的教學方式讓學生提前知道綜合設計具體任務和要求，學生帶著任務有目的地學習相關資料，學習目標更加明確.

2）將遞進式教學模式引入到教學過程中，要求學生在掌握設計性實驗任務的基礎上增加任務，循序漸進地學習，降低學習難度，促進學生的學習動力，提高學生的實踐能力.

3）將課堂集中教學與網(wǎng)絡教學相結(jié)合，優(yōu)化教學內(nèi)容，讓學生進行前期預習和學習教學案例，有助于單片機綜合設計的過程實施和管理.

通過單片機綜合設計實踐教學使學生掌握基于單片機的電子產(chǎn)品開發(fā)設計流程，促使學生學會儀器儀表的使用，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，提高學生單片機系統(tǒng)設計能力.

5 結(jié)論

基于OBE理念的單片機綜合設計教學，以市場需求和培養(yǎng)結(jié)果為導向，以培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的實踐能力為目標，優(yōu)化綜合設計內(nèi)容，提出遞進式教學法和項目驅(qū)動法貫穿到綜合設計教學全過程，抓好每一個教學環(huán)節(jié)，注重單片機綜合設計過程管理，有效地提高單片機綜合設計實踐教學質(zhì)量.