單片機(jī)類課程創(chuàng)新教學(xué)模式改革

劉艷霞， 范同順， 楊清梅， 丁鳳喜

(北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100101)

單片機(jī)類課程創(chuàng)新教學(xué)模式改革

劉艷霞， 范同順， 楊清梅， 丁鳳喜

(北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100101)

本文針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)類課程教學(xué)中存在的問題，提出了一種創(chuàng)新教學(xué)模式。內(nèi)容包括：以arduino為平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容改革、校企聯(lián)合翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計(jì)、分散式自主創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)、考核方式改革及管理模式的探索。實(shí)踐表明，教學(xué)模式改革激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力，表現(xiàn)在學(xué)生競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)中取得較好成績(jī)。

翻轉(zhuǎn)課堂、分散式自主創(chuàng)新平臺(tái)、雙導(dǎo)師制

0 引言

單片機(jī)類課程已成為高校電氣類、電子信息類和自動(dòng)化類等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，該類課程的教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。特別是單片機(jī)類課程實(shí)際上已成為學(xué)生參加多數(shù)科技競(jìng)賽的技術(shù)基礎(chǔ)。必備傳統(tǒng)單片機(jī)類課程教學(xué)模式存在如下不足之處：

(1)教學(xué)思路多從理論出發(fā)，先講述單片機(jī)引腳特性、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等原理，枯燥且深?yuàn)W這容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，降低學(xué)習(xí)興趣。

(2)側(cè)重于理論環(huán)節(jié)的講授，實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)明顯不足，理論部分講完之后所剩時(shí)間有限，應(yīng)用部分只能在實(shí)驗(yàn)箱上做幾個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)，無法有效幫助學(xué)生加深對(duì)理論內(nèi)容的理解，更不利于鍛煉其動(dòng)手能力。

(3)為彌補(bǔ)基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練的不足，多數(shù)學(xué)校在培養(yǎng)方案中，在實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課中設(shè)置了為期兩至三周的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)以期彌補(bǔ)，但對(duì)于完成一個(gè)實(shí)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。況且這也不利于學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣，自由選擇喜歡的項(xiàng)目重點(diǎn)發(fā)展。

(4)即使全校實(shí)驗(yàn)室全天開放，因容量有限和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不同，不能滿足眾多本科生的需求。實(shí)踐活動(dòng)在時(shí)間安排上的局限性和靈活性的不足會(huì)影響學(xué)生的實(shí)踐探索之興趣。

(5)考核方式大多采用期末“一卷定輸贏”的形式，結(jié)果使學(xué)生只注重期末考試，而忽視平時(shí)對(duì)知識(shí)的積累和能力的訓(xùn)練[2]。

基于上述分析，探索單片機(jī)類課程的教學(xué)模式改革，提高學(xué)生興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力，是一個(gè)十分必要且非常有意義的教學(xué)研究課題[3]。

1 教學(xué)模式創(chuàng)新

1.1教學(xué)內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的MCS-51、AVR等系列單片機(jī)，在不具備一定理論知識(shí)的前提下，是不可能進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)的，這也是大家明知理論枯燥、實(shí)踐不足，但卻感到束手無策。若能先從外圍應(yīng)用模塊入手，再慢慢深入學(xué)習(xí)，不失為一種好的選擇。比如設(shè)計(jì)一個(gè)具有自動(dòng)巡線和避障功能的智能小車，如果先不考慮處理器的體系結(jié)構(gòu)，也不關(guān)心光敏傳感器、超聲波傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理，直接根據(jù)各模塊廠家提供的使用手冊(cè)和示例程序進(jìn)行組合設(shè)計(jì)和調(diào)試，開發(fā)周期和難度都會(huì)大大降低。這有利于學(xué)生盡快取得設(shè)計(jì)成果，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

arduino作為全球最流行的開源軟硬件平臺(tái)，不僅為使用者封裝好了AVR單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，也集成了多種傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來反饋、影響環(huán)境，同時(shí)匯集了“微機(jī)原理”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“傳感器”、“電機(jī)拖動(dòng)”和“計(jì)算機(jī)控制”等課程的部分內(nèi)容。最關(guān)鍵的是入門簡(jiǎn)單有趣，可使初學(xué)者很容易地完成一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，容易把學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力調(diào)動(dòng)起來。

當(dāng)前，在物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化、軟件，甚至藝術(shù)領(lǐng)域，紛紛開展了arduino的應(yīng)用，更成為創(chuàng)客空間和極客工坊的主流硬件平臺(tái)。

單片機(jī)類課程教學(xué)內(nèi)容改革的主要思路是以arduino為平臺(tái)，采用將處理器理論體系、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及傳感器和執(zhí)行器原理等專業(yè)理論的系統(tǒng)性講述后置，直接先從外圍模塊的應(yīng)用入手，使學(xué)生先動(dòng)手做起來，完成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的作品；慢慢引導(dǎo)學(xué)生興趣，逐步增加難度，完善設(shè)計(jì)功能，再適時(shí)地引入內(nèi)核原理的分析。

1.2校企聯(lián)合開設(shè)翻轉(zhuǎn)課堂

在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，知識(shí)傳授通過信息技術(shù)的輔助在課前完成，該過程和預(yù)習(xí)階段共同構(gòu)成教學(xué)階段；而知識(shí)內(nèi)化在課堂中，并在教師幫助和同學(xué)協(xié)助下完成[4，5]。這與傳統(tǒng)課堂相比，師生的角色發(fā)生了重大變化，學(xué)生成為了學(xué)習(xí)的中心，這也回歸了教育的本意[6]。

1)引入企業(yè)力量，助力翻轉(zhuǎn)課堂

為促進(jìn)arduino推廣應(yīng)用，官方發(fā)布了免費(fèi)的arduino教程和授課視頻。我們整理這些優(yōu)質(zhì)的資源，建立以視頻為主的共享平臺(tái)，以此幫助學(xué)生很好的完成課前預(yù)習(xí)。同時(shí)邀請(qǐng)arduino項(xiàng)目開發(fā)工程師和創(chuàng)客空間的培訓(xùn)講師為學(xué)生授課并進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，由他們負(fù)責(zé)首期課程實(shí)施，帶著學(xué)生邊講邊做。

比如在為期兩周的集中實(shí)踐課程中，學(xué)生首先根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的預(yù)習(xí)要求，利用網(wǎng)絡(luò)上豐富的arduino基礎(chǔ)教學(xué)視頻，結(jié)合arduino開發(fā)套件，先自行熟悉基礎(chǔ)知識(shí)，下載安裝arduino集成開發(fā)環(huán)境IDE。然后在課程前半部分，培訓(xùn)講師帶著學(xué)生做一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的作品，設(shè)計(jì)工程師提供技術(shù)指導(dǎo)和幫助，目標(biāo)是使95%以上學(xué)生都有能力完成，產(chǎn)生對(duì)單片機(jī)DIY一定的興趣和學(xué)習(xí)的自信心。課程后半部分以啟發(fā)和拓展學(xué)生思路為主，發(fā)揮學(xué)生想象力，自主設(shè)計(jì)出功能更復(fù)雜和完善的小作品，使他們真正喜歡上單片機(jī)DIY，能愛不釋手，課下也愿意花時(shí)間和精力做。最好為對(duì)此特別感興趣的優(yōu)秀學(xué)生配備專門的指導(dǎo)教師，督促指導(dǎo)他們后期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐。

2)加強(qiáng)師資建設(shè)，保障持續(xù)發(fā)展

我們組織專業(yè)教師參與整個(gè)授課過程，在學(xué)習(xí)掌握arduino項(xiàng)目開發(fā)技術(shù)的同時(shí)，重點(diǎn)觀摩創(chuàng)客空間培訓(xùn)教師的授課方式，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和問題，針對(duì)所熟悉的學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，幫助企業(yè)講師順利完成翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施。這不僅幫助專業(yè)教師為下期獨(dú)立授課打好基礎(chǔ)，也為他們發(fā)現(xiàn)、了解并在后期指導(dǎo)學(xué)生科技實(shí)踐活動(dòng)提供經(jīng)驗(yàn)。

2 分散式自主創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)

Arduino開發(fā)套件成本低、攜帶方便。考慮到目前學(xué)生基本都有筆記本電腦，把Arduino開發(fā)套件每人一套配發(fā)給學(xué)生使用，就可以為本專業(yè)全體學(xué)生建起一個(gè)分散式的可移動(dòng)自主創(chuàng)新平臺(tái)，如圖1所示。有了該平臺(tái)學(xué)生就可以充分利用宿舍、圖書館、教室等場(chǎng)地，提高課外零碎時(shí)間的學(xué)習(xí)效率。

圖1 分散式自主創(chuàng)新平臺(tái)

分散式自主創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)不僅有助于提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，也方便有能力和感興趣的學(xué)生充分發(fā)揮潛力。對(duì)這部分學(xué)生除提供經(jīng)費(fèi)支持其硬件需求外，還為每名學(xué)生都配備專業(yè)指導(dǎo)教師。

在分散式自主創(chuàng)新平臺(tái)上，教師也是受益，指導(dǎo)學(xué)生開展活動(dòng)過程中，教師可以理清自己的思路，提升自己知識(shí)的全面性、系統(tǒng)性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)，促進(jìn)教學(xué)科研能力的提升[7]。

3 考核方式改革

以實(shí)踐和項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主的授課模式，不同于傳統(tǒng)以理論為主的授課，不宜單獨(dú)采用期末筆試的方式進(jìn)行考核。

3.1考核方式的創(chuàng)新與探索

把實(shí)踐性較強(qiáng)的單片機(jī)類課程考核分散到平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中，是一種較科學(xué)的考核方法。具體操作可采用如下方式：

1)因材施教，差異化任務(wù)要求

學(xué)生特點(diǎn)和興趣各有不同，感興趣的課程也有所差別，要求他們同等重視和付出并不科學(xué)，不妨在布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)區(qū)別對(duì)待。對(duì)于本課程興趣一般的學(xué)生，課程結(jié)束時(shí)提交一項(xiàng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單但符合基本任務(wù)要求的小作品即為考核合格。

對(duì)部分能力和興趣較強(qiáng)的學(xué)生，鼓勵(lì)其后續(xù)設(shè)計(jì)更具創(chuàng)意，功能更復(fù)雜完善的作品。為保障這部分學(xué)生的后續(xù)設(shè)計(jì)順利進(jìn)行，提供專門資金支持他們購(gòu)買必需的元件和器材如：傳感器和執(zhí)行模塊等，并為他們配備專業(yè)輔導(dǎo)教師。同時(shí)，還可以將本課程與企業(yè)實(shí)踐結(jié)合起來，學(xué)生可到校企聯(lián)合的創(chuàng)新基地，在學(xué)校和企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)下，利用創(chuàng)新基地資源完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

2)分散考核

為保證每個(gè)學(xué)生實(shí)踐過程及學(xué)習(xí)成果的獨(dú)立性，應(yīng)特別加強(qiáng)平時(shí)督促。所謂分散考核，即要求學(xué)生平時(shí)必須認(rèn)真按照要求，完成階段性設(shè)計(jì)任務(wù)，并記錄成績(jī)，進(jìn)行過程考核。

3)期末答辯

課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，每位學(xué)生都需要向教師匯報(bào)自己的設(shè)計(jì)思路，并講解核心軟件設(shè)計(jì)，回答教師提問，任課教師據(jù)此對(duì)學(xué)生課業(yè)成績(jī)做出評(píng)價(jià)，并結(jié)合平時(shí)設(shè)計(jì)過程中的表現(xiàn)和成績(jī)記錄，給出最終該課程的考核成績(jī)。對(duì)于理論類課程，實(shí)驗(yàn)和作業(yè)成績(jī)記錄可作為平時(shí)成績(jī)；期末可采取筆試方式代替課程答辯。

4)創(chuàng)意展示

對(duì)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)作品不僅可以獲得理想的考核成績(jī)，還可以放入創(chuàng)意展示柜進(jìn)行作品宣傳展示，并推薦設(shè)計(jì)者參加電子大賽、挑戰(zhàn)杯等學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng)，激勵(lì)更多學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 管理模式探索

為更好的對(duì)課程實(shí)施過程中選拔出的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行后期指導(dǎo)和督促，探索矩陣式管理和雙導(dǎo)師制模式。

4.1矩陣式管理

矩陣式管理是指每位專業(yè)教師對(duì)所分配指導(dǎo)的學(xué)生實(shí)行導(dǎo)師制，督促他們指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)過程，包括改進(jìn)哪些功能，參加哪種競(jìng)賽和技術(shù)問題解決等；同時(shí)根據(jù)指導(dǎo)教師自身專長(zhǎng)劃分硬件電路、軟件編程、算法研究等幾個(gè)組，負(fù)責(zé)全體學(xué)生設(shè)計(jì)過程的咨詢和指導(dǎo)。通過矩陣式管理，即做到責(zé)任明確，由充分發(fā)揮師資優(yōu)勢(shì)，形成互幫互助，團(tuán)結(jié)奮進(jìn)的良好學(xué)習(xí)型氛圍。

4.2雙導(dǎo)師制

雙導(dǎo)師制是指為每位學(xué)生配備校內(nèi)導(dǎo)師的同時(shí)，另外集體配一名校外企業(yè)導(dǎo)師。校內(nèi)導(dǎo)師比較了解自己學(xué)生的特點(diǎn)，具有豐富的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，便于對(duì)學(xué)生的督促和日常指導(dǎo)。企業(yè)導(dǎo)師接觸面較廣，請(qǐng)他們每周固定時(shí)間到學(xué)校和學(xué)生見面，除指導(dǎo)學(xué)生平時(shí)沒有解決的難題外，重點(diǎn)啟發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，并利用資源優(yōu)勢(shì)，帶領(lǐng)學(xué)生到企業(yè)參觀學(xué)習(xí)別人設(shè)計(jì)的應(yīng)用產(chǎn)品，拓展學(xué)生視野，激發(fā)設(shè)計(jì)靈感。實(shí)行雙導(dǎo)師制，可充分發(fā)揮校企合作、專兼結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，保障實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

5 結(jié)語

單片機(jī)類課程具有實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，為此，我校從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)平臺(tái)、考核方式、管理模式等方面對(duì)單片機(jī)類課程進(jìn)行了全方位改革和探索。重點(diǎn)利用Arduino入門簡(jiǎn)單有趣，軟硬件開源，視頻教程等學(xué)習(xí)資源豐富的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力；建立分散式自主創(chuàng)新平臺(tái)方便學(xué)生充分利用課余時(shí)間；實(shí)行矩陣式管理和雙導(dǎo)師制保護(hù)并充分激發(fā)學(xué)生后續(xù)研發(fā)動(dòng)力，并通過作品展示和競(jìng)賽活動(dòng)激勵(lì)更多學(xué)生。

自本教學(xué)項(xiàng)目改革以來，已有多名學(xué)生獲得校級(jí)和市級(jí)電子大賽和挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)，并有3人獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)，多人申請(qǐng)實(shí)用新型專利。創(chuàng)新教學(xué)模式改革對(duì)其他類課程也起到了一點(diǎn)帶面的示范作用。學(xué)生帶著自己設(shè)計(jì)的作品去參加企業(yè)招聘和面試，增強(qiáng)了學(xué)生自豪感和自信心，提高了學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 張?zhí)m紅,陸廣平. 我校“單片機(jī)”課程的教學(xué)改革[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(1): 26-27,34.

[2] 邢曉敏,李貽濤. 調(diào)整師生角色定位_創(chuàng)新教學(xué)模式[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015,37(3):7-8,35.

[3] 曲貴波等．單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)的研究與探索[J],哈爾濱：黑龍江教育學(xué)院學(xué)報(bào),2013,32( 2) : 55-56.

[4] 張金磊,王穎,張寶輝．翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究[J]．杭州:遠(yuǎn)程教育雜志 2012,(4):46-51.

[5] 曾貞．反轉(zhuǎn)教學(xué)的特征、實(shí)踐及問題[J]．北京:中國(guó)電化教育2012,(7): 114-117.

[6] 董興法等. 網(wǎng)絡(luò)資源引導(dǎo)電子信息類課程翻轉(zhuǎn)課堂研究[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2015, 37(2):8-10.

[7] 王金龍,蔡躍明. 高校青年教師教學(xué)和科研協(xié)調(diào)發(fā)展的探討[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2015,37(2):3-5,90.

ANovelTeachingModeReformofSingleChipComputerCurriculum

LIUYan-xia,FANTong-shun,YANGQing-mei,DINGFeng-xi

(InstituteofAutomationBeijingUnionUniversity,Beijing100101,China)

Aiming at the problems existing in the teaching of traditional SCM curriculum, this paper proposes an innovative teaching model. The main contents are as follows: the reform of teaching content based on arduino platform, the design of school-enterprise combination flip-flop classroom, the construction of decentralized independent innovation platform, the reform of examination mode and the exploration of management mode. Practice shows that the reform of teaching mode has aroused student′s interest and practical ability, in competition and graduation design to achieve better results.

flip-flop classroom; decentralized independent innovation platform; Dual tutor system

2016-10-09;

2016-11-22

北京聯(lián)合大學(xué)研究生教育類教研項(xiàng)目--不確定性人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式研究(NO. JY2016Y086) 劉艷霞(1976-)，女，博士，副教授，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)和與研究. EMAIL: yanxia.liu@163.com

G420

A

1008-0686(2017)05-0042-04