“零基礎學習單片機”課程MOOC教學設計

楊衛(wèi)軍， 許 哲， 孫 偉

(火箭軍工程大學 理學院， 陜西 西安 710025)

“零基礎學習單片機”課程MOOC教學設計

楊衛(wèi)軍， 許 哲， 孫 偉

(火箭軍工程大學 理學院， 陜西 西安 710025)

本文通過論述“零基礎學習單片機”課程MOOC的建立過程，討論了如何將MOOC教學方式引入到該課程教學實踐中，主要包括知識點拆解，碎片化，教學視頻的錄制，習題和考核的實施等內容，并重點討論了課程實踐環(huán)節(jié)的實現(xiàn)方式，經使用反響較好。本課程的實現(xiàn)過程也可以對其他實踐類課程MOOC化提供借鑒。

單片機；MOOC；實驗教學

0 引言

單片機具有入門簡單、應用廣泛的特點，而且單片機系統(tǒng)設計能極大的鍛煉學生的實際動手能力和創(chuàng)新思維，引起學生學習興趣，是進一步學習和設計嵌入式系統(tǒng)的基礎，因此單片機課程在各院校被廣泛的開設。但學生在學習課程時，由于課程涉及多學科，知識點較多，從零基礎到能進行系統(tǒng)設計，持續(xù)時間長，從學生開始課程學習，到能進行系統(tǒng)設計面臨較大難度。如何梳理出單片機學習的主線，在學習過程中圍繞知識點，使學生自主選擇學習內容和學習進度，降低學習實踐難度，實現(xiàn)伴隨式學習成為單片機教學的研究重點。當前流行的MOOC(Massive Open Online Courses)教學模式，通過網絡進行教學，授課視頻緊扣知識點，課后習題與在線輔導相結合，已被廣泛應用在理論課程教學過程中，取得了較好的教學效果。因此在單片機課程中引入MOOC教學模式，將單片機知識點進行拆解，碎片化，按知識點制作教學課件，錄制教學視頻，學生可以選擇知識點學習，自己定制學習進度，使學習過程針對性強，更加有效。由于單片機課程在學習過程中，既有原理講授，又有軟件編程、硬件設計的實踐環(huán)節(jié)，而MOOC教學模式在實踐類課程中應用較少，因此將MOOC教學模式引入“零基礎學習單片機”課程，必須進行課程MOOC模式適用性設計，解決實踐環(huán)節(jié)的設計難題。

1 課程知識體系構建

建設MOOC課程必須有明確的教學目標，并圍繞教學目標拆解知識點，構建完成具備MOOC特點的課程知識體系。在此基礎上可按照體系撰寫腳本，編制課件，錄制視頻，編寫習題和考核題目。

1.1 課程教學目標

“零基礎學習單片機”課程的教學目標是：通過理論授課和課程實踐，使學生了解單片機最小系統(tǒng)的基本組成，外圍模塊的工作原理、應用方式，掌握程序編制，電路設計方法。學生完成課程學習后，可以根據實際需求，自主設計單片機應用系統(tǒng)，從而培養(yǎng)學生單片機系統(tǒng)設計與制作的基本技能，單片機擴展應用系統(tǒng)開發(fā)能力及創(chuàng)新思維。

1.2 課程知識點

根據教學目標要求，需要對課程所包含的知識點進行提煉，對大的知識點進行分解，各個知識點間盡量不重疊，整個知識體系層次化、系列化。學生通過網絡可以根據自己的情況選擇性學習，可以一次學習一個知識點也可以連續(xù)學習多個，教學過程靈活，以滿足課程學習需求。

根據課程要求提煉如下知識點：① 單片機最小系統(tǒng)外圍電路的元件分類和功能、基本模塊電路結構和工作方式；②最小系統(tǒng)硬件電路焊接方法；③單片機程序的基本結構；④軟件開發(fā)環(huán)境的使用；⑤單片機I/O端口的使用；⑥單片機內部寄存器的使用，定時器使用和中斷使用；⑦串口通信、單片機時序圖的閱讀和實現(xiàn)、脈沖的輸出與輸入；⑧A/D操作、D/A操作、SPI、I2C、PWM；⑨步進電機、直流電機驅動和LCD屏的使用等。

為了更加明確知識點在單片機應用的地位和作用，我們繪制了知識點示意圖。單片機基礎應用設計知識點示意如圖1所示，單片機擴展應用設計知識點示意如圖2所示。這些示意圖可以使知識點在教學內容中的與單片機的關系一目了然，同時清楚各個知識點間的關系和整體結構。

按知識點的獨立性，課程歸結起來分為11講“從零開始制作單片機系統(tǒng)”、“從零開始編寫單片機程序”、“單片機IO管腳的應用”、“定時器”、“中斷機制”、“串口通信” 、“步進電機”、“直流電機”、“LCD”、“AD”、“單片機系統(tǒng)設計方法”，課程每講內容包含一個知識點或多個知識點，每個知識點提供課程碎片化后的教學微視頻。第一講“從零開始制作單片機系統(tǒng)”包含的知識點如圖3所示。

圖1 單片機基礎應用設計知識點示意圖

圖2 單片機擴展應用設計知識點示意圖

圖3 “從零開始制作單片機系統(tǒng)”知識點

2 課程教學環(huán)節(jié)設計

2.1 課件和教學視頻

課件、視頻為知識點提煉展示的主要形式。課件的頁數不宜過多，緊扣知識點內容，可以采用過場動畫，頁面色彩2-3種為宜，可以采用PPT，或其他軟件設計，后期制作合成。為了讓學生在有限的時間內快速找到視覺關注點，在PPT中添加必要的視覺導航標識，如用箭頭、下劃線等標出當前所講內容在PPT中的位置，或用帶色彩的橢圓形、長方形等圈出所講內容等，如圖4所示。教師在講解中要和PPT文字內容高度一致，并在重點內容部分做好停頓、高聲、提問等方法，采用動畫移動、組合方式顯示PPT內容，以引起學生注意，達到教學效果[3]。

如何錄制、制作教師講授課件的視頻是MOOC是否引起學生興趣，降低學習難度，提高學習效率的關鍵[2]。課程中視頻的時長既要確保問題講解的完整性，又要控制在學生注意力集中的時間范圍內，每講的教學視頻時長為5～15分鐘為宜。視頻中可以插入授課教師視頻，也可僅在授課開始和總結時出現(xiàn)教師視頻，對于電路運行演示視頻插入授課視頻和授課內容的合成。具體的錄制過程可以找專業(yè)公司完成，也可以獨立制作完成[7]。

圖4 PPT示例

2.2 課程習題與考核設計

每講內容完成后，通過設置問題進行學習效果測試，所設置的問題圍繞課程中的核心知識點展開，用于幫助學生鞏固掌握講授的知識內容。測試題目以無需人工批改的客觀試題為主，系統(tǒng)自動判題，即時給出結果。學生通過這樣的測試，及時發(fā)現(xiàn)問題，反復觀看學習。本課程針對各章節(jié)內容共提供11套測試題目，每套題目題數不限，一般為5到10個題目。此外還提供1套結課考核題25個，這些測試題目都是基于課程目標要求，按理論基礎和實踐過程的需要提煉設置[4]。

2.3 教學反饋環(huán)節(jié)設計

在課程平臺上建立討論區(qū)。討論區(qū)的內容是課堂教學的延伸，是MOOC的一個重要特點，教師和學生可以盡情地討論各種與課程有關的問題，學生之間也可以互相交流。為了深化課程話題，教師可以在其中根據教學進度和教學內容設立題目，可以引申課程內容，引起學生興趣，使這些討論題目既能幫助學生復習已學的知識又能鍛煉和提高他們的創(chuàng)新思維能力[5]。課程實施過程中設置了3名教師負責答疑討論區(qū)的維護。

3 課程教學實踐設計

設計實踐環(huán)節(jié)成為是MOOC制作的一個難點[6]。由于單片機學習特點是必須邊學邊練，在熟悉原理的情況下，還要動手編寫程序和設計電路，因此授課過程必須滿足學習要求。為了解決這個問題，采用了3種方法：

(1)從零開始，逐步增大實踐難度。在課程初始階段就伴隨實踐環(huán)節(jié)，圍繞比較常見的單片機最小系統(tǒng)開始，采用芯片圖片方式，讓學生看到實物，再圍繞芯片逐步添加外圍器件，理解最小系統(tǒng)，并講解焊接方法，使學生結合講授內容馬上可以進行實踐，焊接完成一個最小的單片機系統(tǒng)，掌握電路焊接方法。將單片機最小系統(tǒng)的外圍電路中的元件如電阻、電容、晶振分別介紹，并與元件實物一一對應，學習元件的功能及在電路中的作用，學習單片機系統(tǒng)的基本組成和電路圖的閱讀方法。

(2)邊學邊練，所學所見。在各知識點的講解過程中，如步進電機講解時，只在最小系統(tǒng)添加電機驅動電路，把原理講解和系統(tǒng)電路實踐分為兩個步驟，可以順序學習，也可以直接越過原理，直接進行系統(tǒng)實踐，學習程序設計、電路設計，在每節(jié)完成學習后，均放入完成電路后的演示視頻，便于學生對比實踐。

(3)引入應用背景系統(tǒng)設計，提高學習興趣。以具體應用為導向，完成整個課程的學習后，可設計完成一個智能家居系統(tǒng)，如圖5所示。智能家居系統(tǒng)包含門禁控制和室溫控制兩個部分，兩部分間通過串口進行連接。

圖5 智能家居系統(tǒng)結構圖

門禁控制部分包含來人按鍵、數碼管和步進電機電路。單片機根據來人按鍵動作顯示來人編碼，并通知室內的室溫控制部分，室溫控制獲得信息后經確認，告知門禁節(jié)點驅動步進電機帶動大門打開。

室溫控制部分除響應門禁節(jié)點信息外，還檢測室內溫度，當室內溫度超過設定溫度時，單片機通過驅動板驅動直流電機進行轉動，帶動風扇降溫，如圖所示。整個課程知識點都圍繞這個目標進行設計，深度和廣度以此為界。這個系統(tǒng)也涵蓋了單片機的所有關鍵知識點，同時，完成系統(tǒng)的思路和技術可以直接應用到其他方面解決問題。這種設計方法可以解決知識點過多、分散，深度不易控制等問題。

4 結語

通過 “零基礎學習單片機” MOOC課程的設計過程，本文總結了實踐類課程MOOC化的實現(xiàn)方法，其重點在知識點的選取與提煉，講授過程中如何穿插實踐環(huán)節(jié)，及實踐環(huán)節(jié)在MOOC這種授課方式如何實現(xiàn)。MOOC教學實踐表明，教學效果較好，尤其實踐環(huán)節(jié)的設計能引起學生興趣，課程實現(xiàn)方法也為其他實踐課程提供了借鑒意義。

[1] 蔡冰倩. 面向MOOC的機械原理動態(tài)教學系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學,2015.

[2] 應龍,傲永紅,姚煊到,王玉龍. MOOC視頻資源建設研究與實踐[J].北京: 工業(yè)和信息化教育,2015,(6)，84～87

[3] 趙玉紅,李欣,崔建林,張翠竹等. MOOC環(huán)境下基礎實驗教學中學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 北京: 實驗技術與管理,2016,(3): 13～15.

[4] 陳越,何欽銘. 數據結構MOOC實踐[J].北京: 中國大學教學,2015,(12):46～47.

[5] 張玲霞,閆允一,王輝,孫璐. MOOC時代“電路分析”課程新教學模式探討[J]. 南京: 電氣電子教學學報,2015,(2):19～21.

[6] 施建華,段成芳,胡浩軍,謝文科,馬浩統(tǒng). “軍用光電技術及應用”MOOC建設的實踐與思考[J]. 北京: 計算機工程與科學,2014,(12):246～248.

[7] 盧有亮. 嵌入式操作系統(tǒng)課程MOOC實踐[J]. 北京: 實驗技術與管理,2014,(4):200～202.

MOOC Design of Zero Based Learning MCU Course

YANG Wei-jun , XU Zhe , SUN Wei

(CollegeofScience,RocketForceEngineeringUniversity,Xi'an710025,China)

This paper discusses how to develop the MOOC teaching method into the Zero Based Learning MCU course. It includes the design of course content, such as the dismantling of knowledge points, the recording of teaching videos, the implementation of exercises and the examination, and the discussion on how to realize the course practice. The realization of this MOOC can also provide reference for other practice courses.

MCU; MOOC; experiment teaching

2016-10-01;

2017-05-18

楊衛(wèi)軍(1974-)，男，博士，高級實驗師，主要從事電子技術教學、嵌入式控制系統(tǒng)研究工作，E-mail：yx9849@sina.com

TP13

A

1008-0686(2017)04-0083-04