基于電子競賽探索高職單片機(jī)原理課程教學(xué)改革

明鑫 盧丹萍 蔡歡歡

一、競賽介紹

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽從1997年開始每兩年舉辦一屆。該比賽是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)，目的在于推動(dòng)高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革。競賽的特點(diǎn)是與高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結(jié)合，以推動(dòng)其課程教學(xué)、教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作。

每支參賽隊(duì)由三名學(xué)生組成，競賽時(shí)間為四天三夜。在比賽期間學(xué)生要完成包括方案設(shè)計(jì)、器件選擇、制版、安裝、調(diào)試等步驟。比賽結(jié)束時(shí)，要求上交實(shí)物和設(shè)計(jì)報(bào)告。競賽期間學(xué)生可以查閱有關(guān)紙介或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)資料，隊(duì)內(nèi)學(xué)生可以集體商討設(shè)計(jì)思想，分工負(fù)責(zé)，團(tuán)結(jié)協(xié)作，以隊(duì)為基本單位獨(dú)立完成競賽任務(wù)。

歷屆競賽的題目大致可分為以下幾類：放大器類、電源類、儀器儀表類、信號(hào)源類、控制類、數(shù)據(jù)采集與處理類等。雖然這些題目都是對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用，但是要高質(zhì)量地完成這些題目大多數(shù)情況需要用到單片機(jī)，它要么作為控制的核心，要么做一些輔助的工作。比如要用到鍵盤設(shè)置參數(shù)、用顯示器件顯示各種數(shù)據(jù)、利用AD采集數(shù)據(jù)、DA輸出模擬信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。由此可見單片機(jī)技術(shù)是完成電子設(shè)計(jì)競賽必不可少的技術(shù)之一。

二、比賽中暴露的問題

學(xué)生在比賽中雖然取得了一些獎(jiǎng)項(xiàng)，但是也暴露出諸多問題。從單片機(jī)技術(shù)這方面來看存在以下一些問題：學(xué)生基礎(chǔ)不扎實(shí)，對(duì)一些基本概念理解不清楚，對(duì)一些基本模塊應(yīng)用不熟練；學(xué)生缺乏綜合應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問題的能力；學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的能力；等等。學(xué)生出現(xiàn)以上問題主要是由于現(xiàn)在的單片機(jī)課程教學(xué)造成的。單片機(jī)課程教學(xué)存在的問題有：

1.教學(xué)模式陳舊，教學(xué)方法呆板。傳統(tǒng)單片機(jī)課程的教學(xué)方式，嚴(yán)格按照單片機(jī)知識(shí)的系統(tǒng)性和完整性來組織教學(xué)，只注重課程本身的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，卻忽視了單片機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)邏輯性非常強(qiáng)，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間是環(huán)環(huán)相扣，各個(gè)模塊看似獨(dú)立實(shí)則有內(nèi)在聯(lián)系，綜合起來就是一套完整的系統(tǒng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)當(dāng)中，只要其中的某一個(gè)環(huán)節(jié)沒有掌握，對(duì)整個(gè)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用都有很大影響。所以，在實(shí)際的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生都覺得入門困難，甚至放棄了這門課程的學(xué)習(xí)。

一部分老師在教學(xué)過程中，把單片機(jī)課程當(dāng)作一門純理論的課程，講解一些復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，卻忽視了教學(xué)對(duì)象的接受能力。因此，基礎(chǔ)較差、學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)的高職學(xué)生，在學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的過程中往往感到吃力，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

2.硬件與軟件不協(xié)調(diào)。單片機(jī)項(xiàng)目的開發(fā)包括外圍硬件電路模塊的設(shè)計(jì)以及軟件編程兩方面的內(nèi)容，二者缺一不可。然而，單片機(jī)教學(xué)中常常會(huì)出現(xiàn)“重軟件、輕硬件”的情況。主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，多數(shù)都采用廠家統(tǒng)一生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，相關(guān)的電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，學(xué)生只要簡單地連線，就算是對(duì)硬件的設(shè)計(jì)，而學(xué)生多數(shù)時(shí)間都耗費(fèi)在程序的編寫和調(diào)試方面。這樣軟硬件未能有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)硬件搭建和電路圖設(shè)計(jì)的能力沒能得到良好訓(xùn)練，最終形成了軟件硬件不協(xié)調(diào)，影響了學(xué)生整體能力的提升。

3.理論與實(shí)際脫節(jié)。單片機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，而課程教材內(nèi)容相對(duì)滯后，不能適應(yīng)新的發(fā)展需求。單片機(jī)課本中介紹的很多方法、器件在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中已經(jīng)不用，而學(xué)生在實(shí)際工作崗位中需要用到的新器件、新技術(shù)、新方法在課本中又沒有介紹，這導(dǎo)致了理論與實(shí)際的嚴(yán)重脫節(jié)，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

三、單片機(jī)原理課程教學(xué)改革的措施

針對(duì)單片機(jī)教學(xué)中存在的問題，本著以學(xué)生為本位，以就業(yè)為導(dǎo)向的原則對(duì)單片機(jī)原理課程的教學(xué)改革做了如下嘗試：

1.明確崗位能力，確定課程標(biāo)準(zhǔn)。為了體現(xiàn)“以就業(yè)為導(dǎo)向”的高職教學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)內(nèi)容與就業(yè)崗位的無縫對(duì)接，學(xué)校組織單片機(jī)課程的教師和來自企業(yè)一線具有單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師一起對(duì)單片機(jī)崗位的工作任務(wù)和能力要求做了重新梳理，明確了單片機(jī)崗位的各種能力要求，確定了單片機(jī)原理課程的課程標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī)技術(shù)的工作崗位與工作任務(wù)及能力要求如圖1所示。把一些理論性強(qiáng)、內(nèi)容太陳舊，和現(xiàn)實(shí)技術(shù)脫節(jié)的內(nèi)容剔除，增加了一些實(shí)際工作崗位中常用的技術(shù)。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目載體教學(xué)方法的實(shí)施。在明確了單片機(jī)課程的標(biāo)準(zhǔn)之后，對(duì)單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容作了細(xì)化，形成了以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為主線、以任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目為載體的教學(xué)模式，打破了傳統(tǒng)知識(shí)體系的框架，改變了以往按章節(jié)方式組織教學(xué)的方法，從而把單片機(jī)技術(shù)所需要的基礎(chǔ)知識(shí)和基本能力分解到各個(gè)案例中講解。按照?qǐng)D2所示的方式重構(gòu)了本課程的知識(shí)體系。

圖2 單片機(jī)課程體系結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目教學(xué)的前提是選好符合本專業(yè)學(xué)生實(shí)際能力的工程問題和解決方案，通過“項(xiàng)目引領(lǐng)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法，設(shè)計(jì)解決方案以及每個(gè)項(xiàng)目所包含的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐任務(wù)，培養(yǎng)企業(yè)需要的高技能應(yīng)用型人才。項(xiàng)目的設(shè)置以循序漸進(jìn)為原則，難度由淺入深。前面幾個(gè)項(xiàng)目是“基礎(chǔ)項(xiàng)目”，主要讓學(xué)生了解單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)、基本工作原理、IO口的控制方法、定時(shí)器的使用、外部中斷的使用等等。后兩個(gè)的項(xiàng)目是綜合項(xiàng)目，以企業(yè)項(xiàng)目為載體，注重知識(shí)的綜合運(yùn)用，注重對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，注重新技術(shù)的學(xué)習(xí)掌握。這樣就把本課程需要學(xué)生掌握的知識(shí)點(diǎn)分解到各個(gè)項(xiàng)目里面去，學(xué)生不但掌握了相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，而且理解了這些知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用。

因此，單片機(jī)課程采用項(xiàng)目教學(xué)之后，打破了以知識(shí)點(diǎn)為體系的課程結(jié)構(gòu)，用一個(gè)個(gè)來自實(shí)際工程的項(xiàng)目來導(dǎo)出單片機(jī)的知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，再啟發(fā)他們用現(xiàn)有的知識(shí)和技能來解決新的問題，最終實(shí)施項(xiàng)目。這種教學(xué)方式讓學(xué)生在真實(shí)的工作情境中邊做邊學(xué)、邊學(xué)邊用，在任務(wù)實(shí)施過程之中理解了抽象的知識(shí)，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，讓學(xué)生接觸到工作中將會(huì)遇到的實(shí)際問題，從而培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)精神等基本職業(yè)素質(zhì)。

3.緊跟技術(shù)發(fā)展，調(diào)整教材內(nèi)容。在以上兩個(gè)步驟實(shí)施的同時(shí)，還根據(jù)新的教學(xué)內(nèi)容編寫了單片機(jī)教材。根據(jù)本校單片機(jī)教學(xué)的實(shí)際情況，組織具有多年單片機(jī)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師和企業(yè)的資深工程師一起編寫出版了教材《單片機(jī)原理及應(yīng)用》。這本教材刪除了傳統(tǒng)單片機(jī)課本實(shí)用性不強(qiáng)的內(nèi)容，比如匯編語言、單片機(jī)的狀態(tài)周期、指令周期、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)等，并且使用STC89C51為教學(xué)模型。教材把實(shí)際的工程項(xiàng)目簡化后作為教學(xué)內(nèi)容，既能激發(fā)學(xué)生的興趣，又沒有脫離實(shí)際。項(xiàng)目的設(shè)置循序漸進(jìn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生深入理解各功能模塊的原理及應(yīng)用，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷體驗(yàn)到成功的喜悅，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的信心。

4.完善考核評(píng)價(jià)方式。本課程考試打破傳統(tǒng)的以筆試為主的考核方式，注重過程考核，采取分階段考核、多種考核相結(jié)合的綜合考核方式。具體來說就是：在教學(xué)中，學(xué)生每學(xué)完一個(gè)任務(wù)，就要求學(xué)生制作一個(gè)單片機(jī)項(xiàng)目作品。教師根據(jù)制作的工藝、編程的質(zhì)量、所實(shí)現(xiàn)功能的好壞以及對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解程度，給出一個(gè)階段綜合分?jǐn)?shù)。階段學(xué)習(xí)完成后，為學(xué)生列出幾個(gè)綜合性較強(qiáng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力，選擇其中的一個(gè)項(xiàng)目。完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目后，進(jìn)行答辯。根據(jù)學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的情況及對(duì)知識(shí)的掌握情況，給出實(shí)訓(xùn)課程成績。通過分階段和多種手段相結(jié)合的方式，考核出學(xué)生的實(shí)際水平，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

5.積極開創(chuàng)第二課堂。電子技術(shù)的發(fā)展很快，單片機(jī)的學(xué)習(xí)僅僅靠課堂上的內(nèi)容是不夠的，因此必須采取一些措施開闊學(xué)生的視野，增長學(xué)生的知識(shí)。（1）舉辦知識(shí)講座。很多競賽的題目來源于實(shí)際的項(xiàng)目，因此我們會(huì)根據(jù)教學(xué)的需要，邀請(qǐng)來自企業(yè)的具有多年單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師為學(xué)生做講座。企業(yè)專家展示給學(xué)生各種案例、素材，讓學(xué)生的專業(yè)知識(shí)得到充實(shí)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，學(xué)生也了解了大量的學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)，為參加競賽做了知識(shí)的儲(chǔ)備。（2）舉辦校內(nèi)技能大賽。技能大賽是課堂的延伸，我校已連續(xù)幾年舉辦“單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”比賽，參賽的學(xué)生覆蓋了電類的各個(gè)專業(yè)。在比賽中我們還邀請(qǐng)校外的企業(yè)合作，聘請(qǐng)一線的工程師來做賽前的培訓(xùn)并擔(dān)任比賽的評(píng)委。這樣做的好處是解決了校內(nèi)上課的內(nèi)容和生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)的問題。在學(xué)校完成的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往存在以下問題：只注重設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，不追求工藝的完美；只注重功能的實(shí)現(xiàn)，不計(jì)較花費(fèi)的成本；只注重完成設(shè)計(jì)任務(wù)本身的完成，不注重設(shè)計(jì)文檔的整理歸類等。因此，聘請(qǐng)過來的企業(yè)一線工程師在培訓(xùn)學(xué)生和擔(dān)任評(píng)委的過程中，會(huì)帶給學(xué)生一些在課堂上學(xué)不到的知識(shí)：追求功能完善工藝完美、提倡節(jié)約成本、注重設(shè)計(jì)文檔的歸類整理等。

通過平時(shí)的積累和賽前的培訓(xùn)，學(xué)生已經(jīng)能夠運(yùn)用所學(xué)的電路知識(shí)和單片機(jī)知識(shí)制作并調(diào)試成功一個(gè)完整的電子產(chǎn)品。在準(zhǔn)備比賽的過程中，學(xué)生的專業(yè)技能得到了進(jìn)一步的提高。

四、結(jié)束語

通過不斷地探索與實(shí)踐，我系電類專業(yè)在單片機(jī)類課程的教學(xué)中表現(xiàn)出了良好的教學(xué)效果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。主要表現(xiàn)在：（1）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性提高；（2）學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力得到提高；（3）團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到了增強(qiáng)；（4）學(xué)生參加技能競賽獲得獎(jiǎng)項(xiàng)。

單片機(jī)原理課程教學(xué)改革與大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是一個(gè)互為促進(jìn)的過程。只有不斷改進(jìn)教學(xué)方法、更新教學(xué)素材，才能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維，讓學(xué)生在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中取得好的成績。同時(shí)，電子設(shè)計(jì)競賽也是檢驗(yàn)課程教學(xué)改革成功與否的試金石，競賽的命題中出現(xiàn)的新技術(shù)、新方法又為單片機(jī)課程的教學(xué)改革指明了方向。