面向工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的單片機課程教學(xué)改革與實踐

葛 浩，周海軍

面向工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的單片機課程教學(xué)改革與實踐

葛 浩，周海軍

針對工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，分析了單片機課程教學(xué)中存在的不足，從“理論教學(xué)、實踐教學(xué)、競賽創(chuàng)新”三個方面構(gòu)建了“三位一體”的單片機課程教學(xué)模式，通過重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法，拓展多樣化的實踐教學(xué)，與企業(yè)合作育人等途徑，培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才所具備的能力和素質(zhì)。

單片機；工程應(yīng)用型人才；教學(xué)模式；三位一體

工程應(yīng)用型人才是具有較好的理論知識、應(yīng)用能力和實踐能；具有良好的工程意識、綜合能力和解決問題能力的新型科工程應(yīng)用型人才，同時還需具備項目開發(fā)能力和創(chuàng)新實踐能力[1][2]。單片機課程是目前工科許多專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課程，它是一門硬件與軟件相結(jié)合，理論與實踐緊密聯(lián)系的課程。針對工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，單片機課程不僅要求學(xué)生掌握單片機基本理論，還需培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新精神和合作意識，能夠利用所學(xué)單片機知識設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)，解決工程中的實際的問題[3]。

目前傳統(tǒng)單片機課程教學(xué)中存在一些不足，體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容和課堂教學(xué)形式單一，教學(xué)內(nèi)容側(cè)重理論知識的完整性，淡化實踐內(nèi)容，理論與實踐脫節(jié)；實踐教學(xué)體系內(nèi)容單一，多為驗證性實驗，對單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)過程基本涉及不多[4]；缺少綜合性、工程性、創(chuàng)新性的實訓(xùn)內(nèi)容和環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生不知如何進行方案設(shè)計、模塊選擇和電路設(shè)計。總體來說，傳統(tǒng)單片機應(yīng)用技術(shù)課程以“知識本位”，注重知識的系統(tǒng)性，教學(xué)內(nèi)容簡單、方法陳舊，不利于培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新意識和團隊合作能力等，不利于培養(yǎng)社會需要的工程應(yīng)用型人才。

人才培養(yǎng)需要課程體系作為載體和支撐，為此針對單片機課程，我們構(gòu)建了“課堂教學(xué)、實踐教學(xué)、競賽創(chuàng)新”三位一體的課程教學(xué)體系。通過革新教學(xué)內(nèi)容，多樣化的教學(xué)手段，實踐教學(xué)的工程化，競賽創(chuàng)新活動，校企合作育人等手段與途徑，培養(yǎng)學(xué)生具有動手能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新精神和合作意識的工程應(yīng)用型人才。

1 以能力為導(dǎo)向組織教學(xué)，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

針對教學(xué)內(nèi)容和課堂教學(xué)形式單一，修改教學(xué)大綱和重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，堅持學(xué)以致用的原則，采用“能力導(dǎo)向”“項目化，模塊化”的形式組織教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容配合具體實例，教學(xué)方法多樣化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)主動性；同時，不斷補充單片機應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)，拓寬學(xué)生的應(yīng)用型知識。例如：緒論部分介紹一些往屆學(xué)生制作的單片機作品、單片機應(yīng)用系統(tǒng)實例和單片機在工程項目中的應(yīng)用，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；剔除了匯編程序設(shè)計和系統(tǒng)擴展部分的內(nèi)容；在介紹單片機最小系統(tǒng)和I/O接口同時，引入《鍵盤控制霓虹燈效果》的實例，讓學(xué)生盡可能早地接觸單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法；另外，還引入新的技術(shù)和內(nèi)容，包括：I2C總線、SPI總線、單總線結(jié)構(gòu)、LCD液晶和觸屏，以及STM32控制器等。

在教學(xué)過程中明確培養(yǎng)目標(biāo)，清晰所授內(nèi)容需培養(yǎng)學(xué)生什么樣的專業(yè)能力和素質(zhì)。為此，根據(jù)能力培養(yǎng)需要，構(gòu)建了課程能力矩陣(見表1)，以培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計能力、軟件設(shè)計能力、系統(tǒng)仿真能力、電路設(shè)計能力、綜合應(yīng)用能力等。

表1 單片機課程教學(xué)的能力矩陣

2 改革教學(xué)方法，更新理論和實踐教學(xué)手段

2.1 理論教學(xué)實行“多媒體、網(wǎng)絡(luò)和課堂”相結(jié)合的教學(xué)模式

將圖片和動畫添加到課件中，設(shè)計生動的多媒體課件。例如，在課件中添加芯片、電路板以及單片機應(yīng)用系統(tǒng)的實物圖和電路圖，增強學(xué)生認(rèn)知的直觀性；將功能圖和電路圖以動畫的方法進行演示，便于學(xué)生的理解；演示一些單片機系統(tǒng)工程實例視頻或者是競賽視頻，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。多媒體教學(xué)可以擁有生動豐富的信息，傳統(tǒng)的板書教學(xué)仍然具體一些不可替代的作用，對課堂教學(xué)中需要推演內(nèi)容以及課程知識結(jié)構(gòu)，通過黑板板書教學(xué)，有利于讓學(xué)生掌握技術(shù)路線，以及知識結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)擁有龐大豐富的知識資源，傳統(tǒng)授課同時鼓勵學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)查閱和下載技術(shù)資料，在建設(shè)的精品課程網(wǎng)絡(luò)平臺以及其他單片機論壇平臺上開展網(wǎng)上交流學(xué)習(xí)。

2.2 將仿真教學(xué)平臺引入課堂教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)中

將Proteus與Keil集成環(huán)境相結(jié)合，搭建單片機系統(tǒng)仿真演示平臺，完成電路設(shè)計、程序?qū)搿⑾到y(tǒng)調(diào)試和運行。將仿真平臺應(yīng)用到理論教學(xué)，進行實例演示，讓學(xué)生直觀地了解單片機系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計的整個過程；課下學(xué)生自己搭建平臺，完整仿真作業(yè)、自由練習(xí)，或者設(shè)計一些感興趣的項目。將仿真平臺應(yīng)用到實踐教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)實驗室單片機的硬件資源配備，在仿真平臺下提前完成實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)；對沒有安排的實驗部分，學(xué)生在教學(xué)以外的時間，自己進行驗證與實驗；在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新項目環(huán)節(jié)中可以利用該平臺進行預(yù)研工作。仿真平臺一定程度上彌補了理論教學(xué)與實驗脫節(jié)的尷尬，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的項目設(shè)計的能力。

2.3 研究“任務(wù)引導(dǎo)、項目驅(qū)動”的課堂教學(xué)模式

項目化教學(xué)模式下，將單片機課程主要知識點通過具體實例串在一起，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機結(jié)合。在項目教學(xué)中，單片機系統(tǒng)項目的選取相當(dāng)關(guān)鍵，項目內(nèi)容既要與當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容基本一致，又要一定應(yīng)用價值，并且項目可分解成若干簡單的任務(wù)模塊。在理論教學(xué)和實驗教學(xué)中以這些應(yīng)用模塊為范例，在課后實訓(xùn)過程中以這些模塊為示范模塊。

例如，在進行定時器/計數(shù)器知識的教學(xué)過程中，選擇《簡單的數(shù)字時鐘》作為設(shè)計項目。在教學(xué)過程中，對項目功能進行分析，根據(jù)功能將項目分解成若干模塊。然后，分別對每個模塊設(shè)計，并測試。接著，將各個模塊組合在一起，形成一個完整的系統(tǒng)，進行整體調(diào)試和測試。

通過“任務(wù)引導(dǎo)、項目驅(qū)動”的教學(xué)模式，可以將理論知識應(yīng)用于實際應(yīng)用中，有利于學(xué)生分析、解決問題能力的培養(yǎng)。

2.4 將實物演示和實物實驗引入教學(xué)過程中

在教學(xué)過程中，根據(jù)課程內(nèi)容和實例內(nèi)容，將單片機設(shè)計實物引入課堂教學(xué)，進行演示。這些實物基本為教師親自制作，或往屆學(xué)生的設(shè)計作品。例如，在單片機課程引導(dǎo)教學(xué)時，將常用的單片機芯片和周邊擴展芯片向同學(xué)展示；在介紹單片機引腳和單片機最小系統(tǒng)時，將在面包板搭建和電路板上焊接的單片機最小系統(tǒng)電路，在課堂上進行演示；在介紹定時器和時鐘項目時，將焊接的數(shù)字時鐘電路在課堂上進行演示和說明；等等。

在實踐教學(xué)過程中，不單單要求學(xué)生在單片機實驗箱上連接電路，還增加了學(xué)生自己搭建單片機應(yīng)用系統(tǒng)電路的實踐環(huán)節(jié)。例如，將面包板、相關(guān)芯片元器件和連線發(fā)給學(xué)生，根據(jù)實踐教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生自己在面包板上搭建單片機電路，實現(xiàn)實踐教學(xué)內(nèi)容；并且鼓勵學(xué)生自己采購一些單片機系統(tǒng)相關(guān)的散件，根據(jù)項目要求，自己焊接制作單片機系統(tǒng)電路。

通過實物教學(xué)，增強了教學(xué)的直觀性，激活了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和樂趣，增強學(xué)生開發(fā)熱情；同時讓學(xué)生切實地了解和掌握單片機系統(tǒng)開發(fā)過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新精神。

3 構(gòu)建“三個課堂一體”的實踐教學(xué)體系

構(gòu)建“三個課堂一體”的實踐教學(xué)體系，從多層次、多側(cè)面培養(yǎng)學(xué)生動手能力、實踐能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神。第一課堂，通過課程實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力；第二課堂通過專業(yè)競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和參與科研等，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識；第三課堂通過建立校企基地、校企合作育人，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力素質(zhì)。

3.1 改革實驗教學(xué)內(nèi)容

將單片機實驗內(nèi)容設(shè)置為驗證型、綜合型和設(shè)計型三種內(nèi)容，這三類實驗項目占有的比例分別為40%、30%和30%。其中，驗證型項目主要是驗證課程知識點的模塊化項目，例如：數(shù)碼管的動靜態(tài)顯示、定時器/計數(shù)器的使用、外部中斷的使用等；綜合型項目為多個知識點綜合設(shè)計，例如：數(shù)字時鐘設(shè)計、電機系統(tǒng)控制、穩(wěn)壓電源設(shè)計等；設(shè)計型項目主要是根據(jù)實際應(yīng)用一些啟發(fā)學(xué)生思考、設(shè)計的項目，或者是學(xué)生自己提出想法的項目，例如：實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)、智能洗衣機控制系統(tǒng)等。在實驗內(nèi)容開展過程中，先在Proteus+Keil環(huán)境下進行仿真；然后移植到實物模塊上進一步實驗和調(diào)試。

3.2 加強課程設(shè)計環(huán)節(jié)

單片機課程設(shè)計是綜合應(yīng)用課程知識的重要實踐性環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新意識和合作能力的重要手段。因此，設(shè)計題目多來源于專業(yè)競賽、創(chuàng)新項目和工程項目等，學(xué)生分組合作；設(shè)計依托“單片機技術(shù)實驗室”、“電子創(chuàng)新實驗室”和“電子產(chǎn)品工藝設(shè)計實訓(xùn)平臺”，真題真做。采用以“學(xué)生主體，教師指導(dǎo)”的形式。學(xué)生完成項目選題、查閱資料、整理資料、方案比較、可行性分析、與教師討論、確定方案；先在Proteus+Keil環(huán)境下對項目主要電路進行軟件和硬件仿真；根據(jù)設(shè)計方案以及仿真效果，選擇元器件，列出詳細的元器件清單，并自行采購；采用Protel設(shè)計完整原理圖，生成PCB圖，進行制板、焊接、調(diào)試、測試和運行；最后撰寫課程設(shè)計報告并進行小組答辯[5]。課程設(shè)計將知識點整合，融會于項目設(shè)計中，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用理論知識的能力，以及分析、解決問題的能力。課程設(shè)計融入工程設(shè)計理念，按照工程項目開發(fā)的流程完成，使學(xué)生了解并掌握了單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的全過程，同時還培養(yǎng)了學(xué)生的應(yīng)用能力及創(chuàng)新精神。

3.3 鼓勵學(xué)生參與科技競賽、創(chuàng)新項目和科研

(1)專業(yè)競賽是培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的有效途徑。學(xué)生參加專業(yè)競賽，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，鍛煉學(xué)生分析和解決問題的能力；還能夠培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新精神和合作意識；通過競賽還可以發(fā)現(xiàn)單片機課程教學(xué)與實際工程應(yīng)用之間的差距，有利于進一步改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段，提升教學(xué)效果。

滁州學(xué)院每年積極組織學(xué)生參加大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”課外科技作品競賽、大學(xué)生電子設(shè)計大賽、大學(xué)生“飛思卡爾”智能汽車大賽、大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽和大學(xué)生單片機技能競賽等。依托開放實驗室，學(xué)院電子協(xié)會，廣泛開展課外科技活動，鼓勵學(xué)生利用理論知識進行電子作品制作活動，從低年級開始培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和設(shè)計能力。效果顯示，參加比賽學(xué)生的動手能力和項目開發(fā)能力有明顯提升，這些學(xué)生走上工作崗位后，能夠很快地適應(yīng)崗位需求，并在工作中表現(xiàn)出較突出的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新設(shè)計能力，備受用人單位的青睞。

(2)注重培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力。參與科研活動是培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的有效途徑，學(xué)院積極組織學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，并安排有研發(fā)經(jīng)驗的教師指導(dǎo)學(xué)生進行項目開放；同時鼓勵優(yōu)秀學(xué)生參加教師的科研項目和企業(yè)項目。學(xué)生自己申報項目，進行項目開發(fā)，可以清晰地掌握項目研發(fā)整個流程，以及項目開發(fā)過程中需要注意的內(nèi)容和環(huán)節(jié)。參與教師的科研項目，可以進一步培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)；在教師和學(xué)生交流互動中，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)、項目設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，還可以有效地促進了教師的教學(xué)內(nèi)容和方法的革新，更利于培養(yǎng)學(xué)生的項目開發(fā)能力和基本的科研素養(yǎng)。

目前學(xué)生獲批國家級的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目15項，在“互聯(lián)網(wǎng)+“比賽中獲得安徽省金獎、銅獎各1項；另有兩名自動化本科畢業(yè)生，因項目研發(fā)能力比較突出，留校參與教師的橫向課題的研發(fā)工作。

%1.4校企合作，共同培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力

與企業(yè)合作，共同培養(yǎng)學(xué)生，是滿足企業(yè)所需工程應(yīng)用型人才的有效途徑。高校與企業(yè)管理體制不同，以及高校與企業(yè)溝通不深入等原因，學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識與技能不能在實際生產(chǎn)中及時鍛煉鞏固，走上工作崗位發(fā)現(xiàn)所學(xué)知識與企業(yè)需求不完全吻合，造成學(xué)生素質(zhì)和能力與企業(yè)(或行業(yè))需要存在一定距離，入職門檻高，工作上手困難，適應(yīng)周期長[6]。校企合作共同育人是縮小高校培養(yǎng)的人才與企業(yè)所需人才之間差異的有效途徑。

我們邀請企業(yè)參與課程教學(xué)，包括聘請企業(yè)高級技術(shù)人員承擔(dān)學(xué)生實習(xí)、實訓(xùn)、課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)老師。另外，與企業(yè)合作共建實習(xí)實訓(xùn)基地，一方面開展生產(chǎn)實習(xí)活動，另一方面讓學(xué)生和教師深入企業(yè)，參與企業(yè)研發(fā)工作，既緩解了企業(yè)對人才需求的迫切性壓力，又促進了學(xué)生技術(shù)和技能的培養(yǎng)，同時還能鍛煉教師的實踐能力。通過校企合作育人，學(xué)校了解了企業(yè)需求，培養(yǎng)學(xué)生有的放矢；學(xué)生清楚產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)流程和企業(yè)管理方法，為畢業(yè)后走向企業(yè)，快速適應(yīng)工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

針對工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)需要和單片機課程特點，以《單片機應(yīng)用技術(shù)》省級精品資源共享課程建設(shè)項目為依托，從“理論教學(xué)、實踐教學(xué)、競賽創(chuàng)新”三個環(huán)節(jié)，構(gòu)建了“三位一體”的單片機課程教學(xué)體系。以能力培養(yǎng)為目標(biāo)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，采用多樣化的教學(xué)手段，強化實踐教學(xué)的工程化，不斷推進競賽創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，加強校企合作育人等手段與途徑。近年來學(xué)生獲批國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目15項，獲得中國機器人大賽國家一等獎1、二等獎2項，安徽省大學(xué)電子設(shè)計競賽一等獎1項、二等獎12項，“飛思卡爾”智能車比賽二等獎3項，大學(xué)生單片機技能一等獎2項、二等獎4項，學(xué)生獲得專利5項目。實踐結(jié)果表明，單片機課程教學(xué)改革實現(xiàn)了將理論教學(xué)與實踐應(yīng)用相結(jié)合、知識傳授和能力素質(zhì)相結(jié)合，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新精神和合作意識。

[1] 鄭鋒.本科工程應(yīng)用型人才的素質(zhì)要求及培養(yǎng)[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版),2005,5(2):41-45.

[2] 徐輝,郁漢琪,殷埝生,等.以校企共建實驗室促進應(yīng)用型人才培養(yǎng)的思考[J].實驗技術(shù)與管理,2010, 27(11):212-214.

[3] 曹建樹,代峰燕,俞建榮,等.應(yīng)用型工科院校單片機課程教學(xué)改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2012, 31(3):129-132.

[4] 彭遠芳,陸勤,胡寧,楊洋.基于“項目驅(qū)動法”的單片機課程一體化教學(xué)的探索與實踐[J].計算機教育, 2010,(6):78-82.

[5] 葛浩,林其斌.單片機課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(10):138-140.

[6] 郭麗.地方高?；诖髮W(xué)生就業(yè)能力的特色人才培養(yǎng)模式探析[J].高教探索,2015,(8):41-44.

G642

A

1673-1794(2017)05-0121-04

葛浩，滁州學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院教授，博士；周海軍，滁州學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院(安徽 滁州 239000)。

安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目(2015zy065，2014jyxm367)，安徽省高等教育振興計劃項目(2015zytz063)，滁州學(xué)院質(zhì)量工程項目(2014jyz001)

2017-01-19

責(zé)任編輯：劉海濤