基于轉(zhuǎn)型升級(jí)-資源共享的單片機(jī)課程教學(xué)改革

宋 躍， 胡必武， 雷瑞庭

(東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院, 廣東 東莞 523808)

0 引 言

2015年我校進(jìn)入廣東省高水平理工科大學(xué)建設(shè)行列，2016年電子信息工程、通信工程等專業(yè)進(jìn)入一本招生，辦學(xué)規(guī)格見長，高水平應(yīng)用型人才的培養(yǎng)日顯迫切，“單片機(jī)與接口技術(shù)”作為“微機(jī)原理及應(yīng)用”“單片機(jī)及接口技術(shù)”合二為一的電類學(xué)科基礎(chǔ)課程，在具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)原理性的同時(shí)，更強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐性，在2010年廣東省精品課程和2013年廣東省資源共享課程“單片機(jī)與接口技術(shù)”的轉(zhuǎn)型升級(jí)建設(shè)中，與企業(yè)一起，開展了對(duì)課程教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

1 課程性質(zhì)與教學(xué)定位

二合一課程始于2010年，80學(xué)時(shí)(含實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí))，在卓越工程師班開設(shè)課程設(shè)計(jì)1周。

目前，應(yīng)用型電類專業(yè)學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、創(chuàng)新競賽、見工就業(yè)中，單片機(jī)是一門必不可少的專業(yè)技能，更是后續(xù)諸多高新技術(shù)的基礎(chǔ)，在二合一課程中，如何讓學(xué)生既要學(xué)好微機(jī)基礎(chǔ)理論，滿足本科教育可持續(xù)發(fā)展的要求[1，2],又要掌握先進(jìn)的單片機(jī)仿真開發(fā)等實(shí)用技術(shù)，為此二合一課程教學(xué)設(shè)計(jì)為：以51TM單片機(jī)為中心，圍繞單片機(jī)教學(xué)需要，適時(shí)推出相應(yīng)所需的微機(jī)基礎(chǔ)理論，著重突出單片機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性、工程性、實(shí)用性，最后以比較法教學(xué)，簡單介紹80X86CPU與PC機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)合二為一。

2 課程改革規(guī)劃

2.1 教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變

教學(xué)理念是人們對(duì)教學(xué)和學(xué)習(xí)活動(dòng)內(nèi)在規(guī)律認(rèn)識(shí)的集中表現(xiàn)，是資源共享課程建設(shè)的信念和指導(dǎo)思想[3]。教學(xué)理念轉(zhuǎn)變是教學(xué)改革的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變的核心是以“教”為主轉(zhuǎn)向以“學(xué)”為主，“成果導(dǎo)向” “以生為本、以學(xué)為主”的教學(xué)理念應(yīng)貫穿整個(gè)教學(xué)改革和課程建設(shè)的全過程。

2.2 知識(shí)結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化與設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容是資源共享課程建設(shè)的核心，轉(zhuǎn)型升級(jí)在更新教學(xué)理念的同時(shí)，還應(yīng)有新的教學(xué)內(nèi)容，并融入新的教學(xué)成果[2]。

從應(yīng)用型大學(xué)定專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，以O(shè)BE(Outcomes-based Education)為導(dǎo)向，制定二合一課程標(biāo)準(zhǔn)，確立如表1所示的知識(shí)-能力-素質(zhì)目標(biāo)要求，以“使用集成電路、設(shè)計(jì)集成電路、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的核心專業(yè)能力培養(yǎng)為中心，突出“實(shí)用+先進(jìn)+工程”的教學(xué)目標(biāo)。

表1 課程目標(biāo)設(shè)計(jì)

二合一課程教學(xué)中，不僅要處理經(jīng)典與現(xiàn)代、理論與實(shí)踐的關(guān)系[3-4]，還要協(xié)調(diào)基礎(chǔ)與工程的平衡,既要求學(xué)生掌握一定的微機(jī)理論，突出本科基礎(chǔ)教育的特點(diǎn)[1]，同時(shí)又要具有51TM機(jī)的開發(fā)應(yīng)用能力。為此以知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，從課程目標(biāo)和資源共享課程面向社會(huì)的要求出發(fā)，分為普適和特殊(面向卓越班、創(chuàng)新競賽類等)二類不同階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)[4-5]：

(1) 普適階段目標(biāo)。① 理解微機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉51TM單片機(jī)基本資源;② 能夠在μVision、Proteus仿真軟件環(huán)境下搭建硬件、編寫軟件，完成小任務(wù)調(diào)試;③ 理解時(shí)序原理、接口分析方法，熟悉匯編和C51編程;④ 熟悉常用接口，掌握小系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和方法;⑤ 對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，完成選題-設(shè)計(jì)-仿真-調(diào)試的全過程。

(2) 特殊階段目標(biāo)。① 理解微機(jī)基本原理，熟悉51TM系統(tǒng)資源，熟練接口設(shè)計(jì)方法。② 熟練μVision、Proteus設(shè)計(jì)與調(diào)試，熟悉匯編和C51編程。③ 通過項(xiàng)目訓(xùn)練，掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。④ 對(duì)小系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)-仿真-調(diào)試-制作的全過程。

圍繞課程目標(biāo)，改革單片機(jī)傳統(tǒng)的知識(shí)編排，將課程劃分為硬件、指令、編程、接口、開發(fā)及其他共6個(gè)模塊，有利于講解重點(diǎn)、難點(diǎn)，營造自學(xué)習(xí)空間，同時(shí)便于將難點(diǎn)分散在不同的模塊上即不同的學(xué)習(xí)階段上，合理分配教學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果環(huán)環(huán)相扣，激發(fā)學(xué)生興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

2.3 層次化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

為實(shí)現(xiàn)能力目標(biāo)達(dá)成，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中，設(shè)計(jì)“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+實(shí)訓(xùn)提高+課外創(chuàng)新+工程應(yīng)用” 層次化的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐引導(dǎo)，普適階段以完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主，通過實(shí)訓(xùn)逐步實(shí)現(xiàn)課程基礎(chǔ)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

在特殊階段，通過學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)科專業(yè)競賽、科研項(xiàng)目訓(xùn)練，在培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的同時(shí)，以學(xué)生為主體開展知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請、論文撰寫基本能力的訓(xùn)練，同時(shí)將組織交往能力、項(xiàng)目合作能力的培養(yǎng)貫穿在項(xiàng)目訓(xùn)練的全過程，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐、論文撰寫、研究合作、國際交往等綜合能力的培養(yǎng)達(dá)成，繼而全面提高綜合素質(zhì)。

2.4 與社會(huì)聯(lián)合開展課程建設(shè)

加強(qiáng)與國內(nèi)外本行業(yè)的龍頭企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)合作，與行業(yè)專家一起，開展基于企業(yè)項(xiàng)目的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，聯(lián)合指導(dǎo)創(chuàng)新競賽，開展融入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目化教學(xué)案例開發(fā)，將案例教學(xué)寫入教學(xué)大綱，以教學(xué)文件的形式納入課堂教學(xué)。

3 課程改革的實(shí)施及效果

如圖1所示是課程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和專業(yè)核心能力培養(yǎng)的達(dá)成圖。

圖1 課程目標(biāo)的達(dá)成過程

3.1 教學(xué)內(nèi)容改革

與傳統(tǒng)課程相比，從增加新技術(shù)新器件、軟件仿真與匯編C51交叉融入教學(xué)、開辟自學(xué)習(xí)空間等環(huán)節(jié)入手，二合一課程對(duì)課程內(nèi)容做了如下改革：

(1) 匯編與C51編程、軟件仿真有機(jī)融合。在課程教學(xué)初期，匯編與C51采取對(duì)照編程模式，同時(shí)將Proteus、Keil C軟件仿真與編程融為一體。

(2) 增加串行擴(kuò)展等新技術(shù)，弱化并行擴(kuò)展，強(qiáng)化最小系統(tǒng)。重點(diǎn)放在單片機(jī)最小系統(tǒng)，增加I2C、SPI、LCD、Flash器件內(nèi)容，并通過實(shí)例講解AT24C02、DS1302等串行接口器件和模擬時(shí)序編程方法。

(3) 強(qiáng)化開發(fā)與仿真軟件的課外訓(xùn)練。將最新軟件工具和儀器(如編程器、模擬仿真軟件、硬件仿真器)適當(dāng)?shù)厝谟诮虒W(xué)中，以期末實(shí)驗(yàn)考核計(jì)入課程總成績，強(qiáng)化軟件的實(shí)踐訓(xùn)練。

(4) 增加最新單片機(jī)技術(shù)介紹。將國際上最新的單片機(jī)(如宏晶STC15系列)和其他非51單片機(jī)作簡單介紹(如32位Cortex MCU系列STM32F1/F3 /L0等)，讓學(xué)生課后去查閱相關(guān)資料，鼓勵(lì)學(xué)生在各種訓(xùn)練中予以使用，特別是支持在應(yīng)用編程IAP、在線調(diào)試 ICD的機(jī)型。

(5) 側(cè)重共性基礎(chǔ)技術(shù)，實(shí)施“有所為、有所不為”。對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部資源著重講解常用的知識(shí)點(diǎn)，如重講定時(shí)計(jì)數(shù)器方式1和2，串口方式0和1等，8155方式0和1等，節(jié)省教學(xué)資源，營造學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間。

3.2 二合一教學(xué)資料

為滿足二合一的教學(xué)需要，圍繞層次化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和核心專業(yè)能力培養(yǎng)，主編出版《單片微機(jī)原理與接口技術(shù)》教材，教材使用5年多，經(jīng)過4次修改，滿足教學(xué)需要。在第2版中，更加突出“實(shí)用+先進(jìn)+工程”編寫目標(biāo)，注重軟件仿真與硬件實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，較多的工程案例資料導(dǎo)入教材，C51與匯編編程交叉融入教學(xué)案例，對(duì)典型案例同時(shí)提供匯編與C51對(duì)應(yīng)的源程序，在介紹仿真軟件μVision4、Proteus8使用的同時(shí)，教材(含習(xí)題)中針對(duì)常用知識(shí)點(diǎn)還穿插有實(shí)用仿真案例，為學(xué)生單片機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐提供實(shí)用的參考范例。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在課程網(wǎng)站上建有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)欄目，有針對(duì)多款實(shí)驗(yàn)裝置編寫適合基礎(chǔ)能力培養(yǎng)的課內(nèi)和課外的系列實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)資料，有針對(duì)特殊階段學(xué)習(xí)的課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)和選題任務(wù)書等。

3.3 案例教學(xué)

以項(xiàng)目化為主線，融入企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合企業(yè)開展案例設(shè)計(jì)，將理論教學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)串聯(lián)在一起，在引導(dǎo)學(xué)生理解案例整體設(shè)計(jì)思想與方法的同時(shí)，更要關(guān)注案例中系統(tǒng)設(shè)計(jì)與具體知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)和實(shí)現(xiàn)。

(1) 企業(yè)項(xiàng)目(如深圳誠創(chuàng)立、東莞創(chuàng)銳、東莞新興鋼具等)、科研項(xiàng)目、創(chuàng)新競賽成果到工程案例的提煉：案例中展示的元素主要有案例背景、成果、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的硬軟件具體描述等，教學(xué)中對(duì)簡單的設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場講解、演示，復(fù)雜的設(shè)計(jì)則制成視頻錄像或?qū)⒃O(shè)計(jì)文件掛在網(wǎng)站。

(2) 課程群案例開發(fā)：近2年在省級(jí)“嵌入式測控技術(shù)課程群”項(xiàng)目建設(shè)中，深度與深圳東莞多家龍頭企業(yè)(如東莞龍昌、東莞博思等)、研發(fā)機(jī)構(gòu)(如深圳信盈達(dá)等)合作，以最新成果為素材，基于行業(yè)背景，開展單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的案例開發(fā)。

目前，在課程網(wǎng)站-設(shè)計(jì)案例欄目里有近120個(gè)不同案例供學(xué)生參考學(xué)習(xí)，其中工程案例13個(gè)。

3.4 構(gòu)建課程訓(xùn)練體系，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用能力達(dá)成

在近年新進(jìn)二合一課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，近4年在學(xué)科建設(shè)中，新置單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的高端儀器與設(shè)備近200套(臺(tái))40個(gè)品種，共投入人民幣近300萬元，基本形成單片機(jī)開發(fā)高新技術(shù)平臺(tái)。

近8年來，自行研制單片機(jī)3大系列(即入門興趣、接口技術(shù)和綜合開發(fā)系列)16種板(共3代)共計(jì)400余套的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，已17個(gè)學(xué)期免費(fèi)發(fā)放到學(xué)生每個(gè)宿舍、創(chuàng)新小組、創(chuàng)新基地，供學(xué)生無償用于課外學(xué)習(xí)，全部的技術(shù)文檔已在網(wǎng)站共享，為課外實(shí)訓(xùn)提高和基礎(chǔ)訓(xùn)練提供條件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)課外的結(jié)合。

利用各種單片機(jī)開發(fā)板，在創(chuàng)新基地、創(chuàng)新中心通過教師科研、創(chuàng)新競賽項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)基本設(shè)計(jì)和制作能力的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)如圖2所示的從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到工程應(yīng)用能力的過渡。

圖2 層次化實(shí)踐能力培養(yǎng)達(dá)成圖

教師按學(xué)術(shù)方向組建近10個(gè)創(chuàng)新競賽指導(dǎo)群，擴(kuò)建“大學(xué)生創(chuàng)新中心”近400 m2， 與企業(yè)共建了“創(chuàng)新基地”( 東莞創(chuàng)銳、東莞博思、東莞拓?fù)?，通過東莞龍昌(基于東莞理工的國家工程實(shí)踐教育中心)、東莞博思(課程合作企業(yè))、深圳信盈達(dá)等企業(yè)開展項(xiàng)目的聯(lián)合指導(dǎo)，為學(xué)生打造了課外科技訓(xùn)練平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐校內(nèi)校外的結(jié)合。

課程結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生開展ARM、FPGA、LINUX等先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用，在 “創(chuàng)新中心”“創(chuàng)新基地”成立的各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、競賽小組、科研小組，利用課余特別是假期，在指導(dǎo)群教師的指導(dǎo)下結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)行綜合實(shí)踐，逐步實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)達(dá)成。

3.5 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練

(1) 課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)50% 為必做，由任課教師和實(shí)驗(yàn)老師指導(dǎo)在課內(nèi)完成，另50% 為選做實(shí)驗(yàn)，由指導(dǎo)老師提供選題，課內(nèi)學(xué)時(shí)由實(shí)驗(yàn)老師指導(dǎo)，課外開放時(shí)間由實(shí)驗(yàn)助理(學(xué)生)指導(dǎo)，期末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核，主要是考核學(xué)生對(duì)選做實(shí)驗(yàn)的熟悉程度，占課程總成績的10%，以此強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[6-10]。

(2) 對(duì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與形式進(jìn)行改革，減少演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，開設(shè)基于OBE的小綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2個(gè)、大綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)1個(gè)，同時(shí)研制基于OBE的單片機(jī)的實(shí)訓(xùn)裝置服務(wù)課外訓(xùn)練。

4 響應(yīng)教學(xué)改革的課程開放資源

為響應(yīng)6個(gè)知識(shí)模塊而建設(shè)的14個(gè)課程資源類型(見表2)，基于精品課程建設(shè)，以基本課程文件(課程標(biāo)準(zhǔn)、課程大綱等)、視頻(80節(jié))、多媒體課件(系列PPT)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、課外實(shí)踐(含有單片機(jī)3大系列板、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱技術(shù)改造、仿PC機(jī)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的資源說明、電路圖、實(shí)驗(yàn)程序等技術(shù)文檔)、習(xí)題試卷庫等構(gòu)成基本資源，對(duì)應(yīng)單片機(jī)4大基礎(chǔ)知識(shí)模塊學(xué)習(xí)訓(xùn)練，基本實(shí)現(xiàn)課內(nèi)課外的結(jié)合，精讀教材與參考教材、文獻(xiàn)、擴(kuò)充讀物的結(jié)合。

表2 課程知識(shí)與資源類型建設(shè)

圍繞工程能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升環(huán)節(jié)，開展了拓展資源建設(shè)，突出課程的工程實(shí)踐特點(diǎn)，為轉(zhuǎn)型升級(jí)資源建設(shè)的重點(diǎn)，基于案例開發(fā)和聯(lián)合指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)校內(nèi)校外、課程教材與實(shí)際設(shè)計(jì)素材的結(jié)合，資源類型除行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)系統(tǒng)與在線考試(源自網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái))、器件資料、技術(shù)開發(fā)等欄目外，還設(shè)計(jì)有案例欄目(含工程案例、設(shè)計(jì)競賽案例、企業(yè)案例等共計(jì)120多個(gè))、 應(yīng)用資源庫(近60個(gè)文檔)、學(xué)生單片機(jī)成果庫(含競賽獲獎(jiǎng)、公開論文、知識(shí)產(chǎn)權(quán)70余項(xiàng))等，通過網(wǎng)絡(luò)資源的開發(fā)、集成和梳理，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合[11-15]。

2014年3月全面實(shí)施在線答疑、布置和批改作業(yè)、在線考試/測試、發(fā)布資訊等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，同時(shí)建有300多題的試題庫，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，突破時(shí)空限制，增大教學(xué)信息量，建立教與學(xué)的交互平臺(tái)。

5 結(jié) 語

近年來基于課程建設(shè)和實(shí)踐創(chuàng)新指導(dǎo)，在單片機(jī)和實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面取得較好的成果，2014年獲省級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)1項(xiàng)，學(xué)生擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)9項(xiàng)，其中國家發(fā)明專利2項(xiàng)，學(xué)生以第一作者公開發(fā)表科研論文14篇，其中中文核心8篇，ISTP收錄2篇，參加學(xué)科專業(yè)競賽獲國家級(jí)1項(xiàng)，省級(jí)一等3項(xiàng)，二等17項(xiàng)等。

但在實(shí)踐中，仍感到有很多不足，例如：

(1) 案例中融入的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表征不夠明顯，OBE大綜合實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)成果導(dǎo)向不足，社會(huì)資源的吸納有待繼續(xù)努力。

(2) 與歐美、港臺(tái)等高校相比，在教學(xué)思想和教學(xué)模式上還有較大差距，如臺(tái)北科技大學(xué)工程類課程必須在企業(yè)做大作業(yè)實(shí)習(xí)、做“黑手”等，所以在教育理念與思想、教學(xué)模式等方面還有較大的研究與改革空間。

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