“任務驅(qū)動”教學模式在單片機原理與應用課程中的應用

顧敏明 潘海鵬

摘要：針對電氣工程及其自動化專業(yè)“單片機原理與應用”課程的內(nèi)容特點和教學實際，通過總結(jié)多年來的教學經(jīng)驗，提出一種“任務驅(qū)動”的教學模式并融入到單片機原理與應用的課程中，對教學內(nèi)容、組織形式、實踐教學和評價制度進行了改革。學生更加明確了學習目標，提升了學習的主動性，實踐能力得到了有效的提升，對學生綜合能力的培養(yǎng)起到了積極的促進作用，課程改革取得了滿意的效果。

關(guān)鍵詞：任務驅(qū)動;單片機;自制實驗設備

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0065-02

“單片機原理與應用”課程是一門很重要的專業(yè)基礎課，把編程語言知識、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路知識等綜合在一起，屬于技術(shù)性、工程性、實踐性很強的一門課程。該課程作為電氣工程自動化、自動化、機電一體化等專業(yè)最重要的核心課程之一，它是“自動化”高素質(zhì)復合技能型人才所需自動控制類知識結(jié)構(gòu)的載體之一，占據(jù)著相當重要的地位。

然而，傳統(tǒng)的“單片機原理與應用”教學一般以學科體系為出發(fā)點，注重課程本身的體系結(jié)構(gòu)和前后的邏輯聯(lián)系，理論性很強，但卻忽略了“可學性”，學生缺乏明確的目標，致使學生學得吃力，老師教得辛苦，教學效果不佳。傳統(tǒng)的“單片機原理與應用”教學，一般以單片機的結(jié)構(gòu)為主線，按部就班，先講單片機的硬件結(jié)構(gòu)，再講指令和軟件編程，然后是單片機系統(tǒng)的擴展和各種外圍器件的應用，最后再講一些實例。按照此種教學結(jié)構(gòu)，學生普遍感到難學。很多書一開始就提出的總線、地址、寄存器等概念，學生往往難以理解;到了后面，如果還是延續(xù)以往教材中單片機的七種尋址方式則更抽象，有很多學生直到學完單片機還不能理解尋址方式究竟是什么意思，為什么需要這么多尋址方式。然后是單片機指令、111條指令，如果再不分重點，等到指令全部學完，大部分學生已對單片機望而生畏，開始打退堂鼓了，到了考試時候，老師也愁，題目出的簡單還怕學生不會，至于應用能力就更不知道從何談起了。

因此，對單片機課程進行教學改革是十分必要的。通過對教學理論的深入學習和教學實踐的摸索，筆者越來越認同“興趣是最好的老師”這一看法，而階段性成果是引導教學、激發(fā)學生興趣的有效辦法之一?；诖?，論文提出“任務驅(qū)動”這一教學模式，主要包括以下內(nèi)容：

一、改革課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)，突出課程特點

單片機是一門實踐性很強的課程，然而在以往的教學模式中卻表現(xiàn)為抽象性強、理論要求高、記憶內(nèi)容多的特點，這樣就要求對選修課程學生的記憶力、思辯能力和思維靈活性的要求較高，大部分學生難以掌握，顯然不符合教學的期望，同單片機應用為王的本質(zhì)相背離，也不符合教學的特點。單片機又是一門發(fā)展很快的學科，大部分教材的教學語言還是采用“匯編語言”，而實際情況是在現(xiàn)實的應用過程中，除了特殊的一些行業(yè)外，絕大部分都采用C語言進行開發(fā)，匯編的可移植性、復雜性都限制了應用，因此在實際教學中也必須開展改革。另外新技術(shù)、新器件不斷涌現(xiàn)，而我國現(xiàn)行的相關(guān)教材中知識相對陳舊，很多里面的芯片都已經(jīng)停產(chǎn)。教學內(nèi)容很少體現(xiàn)單片機知識在相關(guān)專業(yè)中的實際應用，使得學用脫節(jié)——既未能體現(xiàn)“素質(zhì)教育”的現(xiàn)代教育理念，也沒有體現(xiàn)單片機針對各專業(yè)所應有的“專業(yè)基礎性”。因此，內(nèi)容上必須改革，補充新的知識，調(diào)整體系結(jié)構(gòu)。

為了增加學生的積極性，改革后的單片機課程內(nèi)容采用模塊、課題、任務體系結(jié)構(gòu)，將課程劃分為多個模塊，每一模塊由多個課題組成，每一課題由一個或多個任務組成，每一任務由任務目標、任務分析、相關(guān)知識和任務實施四個相互連貫的部分組成。

二、改革教學內(nèi)容組織方式，提升學生主動性和積極性

開展“單片機原理與應用”課程學習方法的研究，為學生提供有針對性的學習指導，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的自學能力，應是教學改革中亟待加強的重點內(nèi)容之一。

進行教學內(nèi)容組織方式改革，這好比是從原先的“C語言”到“C++”的轉(zhuǎn)換，從原先的“順序結(jié)構(gòu)”、流水賬的教學方式轉(zhuǎn)換為面向任務的教學模式，實際上是一種隨著需求變化自然而然的蛻變。

每次教學均圍繞一個任務目標進行各教學環(huán)節(jié)的組織，以任務目標為主線進行各相關(guān)知識點和技能點的講解。以教師為主導，以學生為中心，邊講邊學，邊學邊練。在實施過程中，教師和學生都思路明確，知道本輪教學的目的是什么，是為什么在服務，學生不再是被動接受教師的填鴨式灌輸。在教學過程中，雙方一起對任務進行分析，教師教授相關(guān)知識，在任務實施階段開展師生互動，在課內(nèi)外利用計算機仿真軟件和開發(fā)的實驗平臺進行驗證，鼓勵學生上講臺進行分析和操作。要求學生對課堂教學任務電路和程序進行設計或修改，培養(yǎng)學生單片機應用電路和程序的設計方法，并用提問、作業(yè)等形式來檢查學習情況。教師對學生存在的疑問進行實時解答，早發(fā)現(xiàn)早解決，減少將問題帶到學期結(jié)束的情況，為后續(xù)其他課程的開展提供較好的基礎。

這部分的關(guān)鍵在于教師對整體內(nèi)容的把握、任務的設計和節(jié)奏的控制。因為浙江省地處東南沿海地區(qū)，民營企業(yè)發(fā)展良好，筆者所在的專業(yè)同周邊企業(yè)有著長期良好的校企合作，因此很多教學任務設計的實際上是來源于企業(yè)的實際需求，因此在任務的設計上很接地氣，能體現(xiàn)一般企業(yè)甚至行業(yè)現(xiàn)階段與本課程相關(guān)的大致水平，應用性非常強，通過對橫向項目的提煉和重組，對照教學大綱的要求往往能夠設計出若干教學任務，經(jīng)由系教學會議討論后可以確定下來。隨著新的項目開展，逐步替換一些較老的任務案例，保持有序的更新，這樣學生也能了解到目前相關(guān)行業(yè)的情況，而不會出去兩眼一抹黑，特別是某些企業(yè)可能就是他們身邊較好的企業(yè)，能夠在心里得到認同，產(chǎn)生共鳴。首先就覺得這門課程對他有用，接下來就能更好地去了解該任務設計中的前因后果，學習如何組織實施。這一過程，自然而然就提升了學生學習的積極性，進而改進學習效果。

三、改革實踐性教學設計方式

我們一直強調(diào)“單片機原理與應用”課程的實踐性強，單片機的實踐部分實質(zhì)上可以表現(xiàn)為兩方面：一方面是對單片機編程的實踐，另一方面是對單片機相關(guān)的硬件設計方面的實踐，兩者相輔相成，缺一不可。往往很多單片機教學中受限于課時和實驗設備，大多只開展前者，而后者的實訓十分欠缺。

為此主要采用兩種方式。首先，考慮到學生人數(shù)眾多，為了更多學生受益，引入“Proteus”仿真軟件。該軟件支持51系列和其他主流單片機，以及相關(guān)的單片機接口電路，教師提供主要案例，指導學生開展虛擬實驗，構(gòu)建出虛擬實驗平臺，有助于學生開展課外的學習，輔助開展實踐教學，作為輔助手段可以讓學生加強對單片機編程的訓練;其次，設計開發(fā)“自制單片機綜合實驗平臺”，以往大學采購的單片機教學實驗平臺基本上模塊固化，真正實驗的時候基本不需要對硬件原理進行思考，依據(jù)實驗手冊簡單地連接幾根導線就可以了，實際上對硬件設計的學習幫助作用微乎其微。正是認識到了這一不足，自主開發(fā)的實驗平臺加強了學生對硬件設計能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié)。在具備普通實驗平臺的實際編程能力培養(yǎng)的基礎上，該實驗平臺的組織上采用了靈活的接口形式，所有模塊都是可以拆卸的，為配合單片機課程教學中的“任務驅(qū)動”模式，會有不同的模塊，這一措施使得實驗內(nèi)容的選擇更為合理和豐富，方便開展綜合型、創(chuàng)新型實驗。這些模塊通過統(tǒng)一的接口形式，類似于DCS、PLC等裝置的卡件形式，插入到本實驗平臺中。模塊并非都是直接可用，有些模塊需要學生依照原理進行組裝，有些需要進行焊接，甚至還有一些空白的模塊需要學生按照任務的要求，設計硬件方案，選擇器件，自行完成功能模塊。因此實際在一次實驗的開展過程中，不但對單片機編程進行了實訓，另外對器件的認知、電路的設計組裝等都進行了培訓。由于硬件的差異，軟件程序也是各有區(qū)別，有效避免了從實驗手冊代碼一抄，實驗完成這一現(xiàn)象，在這幾年的教學實踐中通常都能較好地完成。同時鼓勵學生在課后自己設計實驗，自己做實驗，開放式實驗教學也取得了較好的效果。

四、改革考核形式，保障教學任務的有效實施

成績是課程的永恒話題，不論是想自己的能力得到肯定，還是想取得良好的成績問鼎獎學金還是其他因素，學生對成績還是比較看重的，因此有些教學如果平時學生不主動，只要拿住考試的指揮棒，學生還是會投入相應的精力，但這種方式往往會使學生的學習目的是去應付考試，甚至作弊。這就需要改革考試方式，避免一考定音。

考核的方式方法和考核的內(nèi)容將直接影響教學過程的實施，關(guān)系到教師如何教和學生如何學。因此，應通過對考核方式方法的改革來促進教學過程的改革。

本課程以往的考核形式相對單一，考題側(cè)重于記憶，例如背幾條指令、說幾個部件的作用、編幾條程序等，導致有的學生單片機考試成績很好，但卻不會實際運用。因此在改革中，注重應用能力的培養(yǎng)，提高平時成績所占的比例。由于課程是“任務驅(qū)動”，整個課程下來已經(jīng)有好幾次任務，一次任務結(jié)束后對每位同學完成的結(jié)果予以記錄和評分，評判依據(jù)可以按完成任務的先后順序、完成的質(zhì)量及學生表達能力等方面。記錄結(jié)果由同學簽字確認。考慮到時間，可以以組為單位進行實訓時，教師還應對每位同學提出相關(guān)的問題或進行單獨操作，這對主動性差的同學來說能起到很好的促進作用。（平時作業(yè)就分散在任務之中）因此平時的成績也自然而然地給出了，大家對自己平時的成績也明了。實際上到期末考試前，學生大致能對自己的成績有一個初步的定位。教學實踐表明，最終的成績同平時的成績并無太大的變化。通過這一方式的改變，一方面提高了學生對平時學習的重視程度，基本杜絕了平時不努力、考試前臨時突擊這一現(xiàn)象。最終成績能較好地體現(xiàn)學生在本課程的學習情況，學習風氣得到了有效的提升。

五、結(jié)語

針對“單片機原理與應用”課程特點，提出了“任務驅(qū)動”這一教學模式，基于此改革課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)、教學內(nèi)容的組織形式，并對課堂教學、實踐教學的形式和內(nèi)容進行了變革，有效調(diào)動了學生的學習興趣，提高了學習的主動性，并在這一過程中學生掌握了實際的知識和技能。通過改革考試形式，在一定程度杜絕了大學課程平時不努力、考前臨時突擊這一現(xiàn)象，促使學生腳踏實地，對學習成績的提升起到了一定的作用。

參考文獻：

[1]趙霞，陳永利，栗彥輝.提高“機電控制”課程授課質(zhì)量的探索與實踐[J].中國電力教育，2013，（9）：131-132.

[2]楊繼森，楊奕，張靜.虛擬實驗平臺在嵌入式系統(tǒng)教學改革中的應用[J].實驗室研究與探索，2011，（2）：51-54.

[3]鄭冀，梁輝，許鑫華.材料科學與工程專業(yè)平臺課程材料物理性能本科生教學改革的探討[J].高等工程教育研究，2005，（S1）：36-38.

（責任編輯：王祝萍）