田會(huì)峰, 劉永良, 趙 麗
(江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 江蘇 張家港 215600)
如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提高學(xué)習(xí)效率,加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力成為當(dāng)前高校需要解決的問(wèn)題之一。學(xué)習(xí)金字塔理論主要研究被動(dòng)學(xué)習(xí)與主動(dòng)學(xué)習(xí)之間的學(xué)習(xí)效果差異。
近年來(lái), “翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)正在興起,它創(chuàng)造了一種混合使用技術(shù)和親自動(dòng)手活動(dòng)的教學(xué)環(huán)境。在翻轉(zhuǎn)課堂中,典型的課題講解時(shí)間由實(shí)驗(yàn)和課內(nèi)討論等活動(dòng)所代替,而課堂講解內(nèi)容則以視頻等其他媒介形式由學(xué)生在課外活動(dòng)時(shí)間完成。其作為一種國(guó)際化創(chuàng)新型教學(xué)模式,有著傳統(tǒng)教學(xué)所無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-2]。
在我國(guó)高校工科專業(yè)中,已普遍開(kāi)設(shè)了單片機(jī)及其相關(guān)課程。因此,將學(xué)習(xí)金字塔理論與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于實(shí)踐性很強(qiáng)的單片機(jī)課堂教學(xué)中,有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和提高學(xué)習(xí)效果。
現(xiàn)在我國(guó)大多數(shù)高校的單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容較為單一,工程背景不強(qiáng)、綜合訓(xùn)練程度不夠,造成學(xué)生對(duì)單片機(jī)技術(shù)理解不透徹、實(shí)踐動(dòng)手能力普遍較弱[3]。具體來(lái)講,單片機(jī)教學(xué)主要存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題。
一般工科院校設(shè)置的單片機(jī)課程分為兩大類,一類是電類專業(yè),另一類是非電類專業(yè)。電類專業(yè)一般在學(xué)單片機(jī)之前,都會(huì)先學(xué)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”這門(mén)課,該課程學(xué)時(shí)較多。以我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)為例,“微機(jī)原理與接口技術(shù)”為72學(xué)時(shí),“單片機(jī)原理及應(yīng)用”為48學(xué)時(shí),相對(duì)說(shuō)來(lái)后者少了一些;而我校非電類專業(yè),比如機(jī)械電子工程專業(yè),沒(méi)有開(kāi)設(shè)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程,因此,這些專業(yè)的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”為72學(xué)時(shí)。這些課時(shí)中實(shí)驗(yàn)課時(shí)只占理論課時(shí)的1/2,甚至更少。
單片機(jī)是電類專業(yè)核心課程,理論學(xué)時(shí)的不足,決定了該課程不能按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué),而實(shí)踐學(xué)時(shí)少也不能滿足學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉。
單片機(jī)的傳統(tǒng)教學(xué)方式是按照知識(shí)結(jié)構(gòu)體系,將課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)分開(kāi),課堂教學(xué)以理論為主,實(shí)踐教學(xué)一般采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[4]。
教學(xué)方式也是教師講授為主,學(xué)生靜侯聽(tīng)講,再安排一定學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。由于單片機(jī)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性,學(xué)生如果不親手實(shí)踐,僅僅是做幾個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn),很難真正學(xué)好這門(mén)課程。
目前的單片機(jī)實(shí)驗(yàn),一般都是課內(nèi)實(shí)驗(yàn),學(xué)時(shí)較少。實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般是帶有源程序的實(shí)驗(yàn)箱或開(kāi)發(fā)板,學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)不需要自己獨(dú)立編程,只是簡(jiǎn)單地用導(dǎo)線把硬件連接起來(lái),然后將源程序下載到單片機(jī)內(nèi),運(yùn)行調(diào)試,查看結(jié)果。這些操作使學(xué)生無(wú)法深刻理解和掌握單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及使用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求[5]。
因此,針對(duì)單片機(jī)總課時(shí)少,實(shí)踐學(xué)時(shí)所占比小等問(wèn)題,我們?cè)趯W(xué)習(xí)金字塔理論的基礎(chǔ)上,提出了翻轉(zhuǎn)課堂與CDIO理念相結(jié)合的單片機(jī)教學(xué)方法。
學(xué)習(xí)金字塔理論是美國(guó)學(xué)者艾德加˙戴爾在1946年提出的,該理論用金字塔模型和具體數(shù)字直觀地展示了采用不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)者在兩周以后還能記住學(xué)習(xí)內(nèi)容的比例[6-7]。
學(xué)習(xí)金字塔自頂向底共有七層組成,每層是一類學(xué)習(xí)方式,其組成結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)效果對(duì)比示于表1。
表1 學(xué)習(xí)金字塔理論不同方式的學(xué)習(xí)效果
在金字塔的最頂端的學(xué)習(xí)方式是“聽(tīng)講”,這是我們最常用的學(xué)習(xí)方式,學(xué)習(xí)效果也是最差的,兩周后學(xué)習(xí)內(nèi)容的平均保存率僅有5%。這是一種被動(dòng)學(xué)習(xí)類型,學(xué)習(xí)的參與度是最低的。第一層到第四層都是被動(dòng)學(xué)習(xí),學(xué)生的參與度都很低,學(xué)習(xí)的保存率都沒(méi)有高于30%。第五層學(xué)習(xí)方式是“討論”,這種學(xué)習(xí)方式,學(xué)生積極參與,能把學(xué)習(xí)的內(nèi)容更深入的理解,由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)榱酥鲃?dòng)學(xué)習(xí),因此學(xué)習(xí)效果比較好,能到達(dá)50%。第六層學(xué)習(xí)方式是“實(shí)踐”,也就是“做中學(xué)”或“實(shí)際演練”,這正是在國(guó)內(nèi)外廣泛流行的CDIO理念學(xué)習(xí)方式,其學(xué)習(xí)保存率可達(dá)75%。最后一層即底端是“應(yīng)用”,這種學(xué)習(xí)方式是“教授給他人”或“馬上使用”,是讓學(xué)生把所學(xué)內(nèi)容立即應(yīng)用,或是讓學(xué)習(xí)者能夠把所學(xué)知識(shí)傳授給他人。要想把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用或傳授給他人,必須要求學(xué)習(xí)者對(duì)所學(xué)內(nèi)容有更加深入地理解和掌握,因此這種學(xué)習(xí)方式是最好的,其學(xué)習(xí)保存率高達(dá)90%。
單片機(jī)內(nèi)容主要包括:?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)核、匯編語(yǔ)言編程、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、I/O接口、串行口、A/D和D/A等。此外,還需要讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)Keil uVision集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和C51語(yǔ)言編程。
教師要根據(jù)單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容制定學(xué)生自主學(xué)習(xí)任務(wù),讓學(xué)生在課外時(shí)間觀看教學(xué)視頻或教學(xué)課件進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時(shí)教師還需要制作微視頻和提出設(shè)計(jì)項(xiàng)目,讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式自主學(xué)習(xí),這樣既可以相互幫助解決遇到的學(xué)習(xí)問(wèn)題,又可以鍛煉學(xué)生相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神。
翻轉(zhuǎn)課堂是運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與知識(shí)內(nèi)化的顛倒式教學(xué)模式,是一種師生互動(dòng)、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的有力手段,真正體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育理念[8-10]。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式能夠讓學(xué)生充分利用課外時(shí)間,以此彌補(bǔ)課堂時(shí)間的不足。
CDIO理念是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)經(jīng)歷4年的探索最后創(chuàng)立的工程教育理念[11],它強(qiáng)調(diào)在加強(qiáng)基礎(chǔ)教育的同時(shí),加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié),以項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)完成了CDIO模式的整個(gè)過(guò)程[12-13]。圖1所示的正是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型。
圖1 翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)模型
在學(xué)習(xí)金字塔理論的基礎(chǔ)上,采用翻轉(zhuǎn)課程與CDIO理念相結(jié)合的方式組織教學(xué),教師與學(xué)生角色互換,教師不再是知識(shí)的唯一傳授者,學(xué)生之間也可以相互學(xué)習(xí),這對(duì)師生都提出了更高的要求[14]。
在翻轉(zhuǎn)課堂具體實(shí)施的過(guò)程中,將課程內(nèi)容分為知識(shí)重難點(diǎn)的討論、知識(shí)應(yīng)用的討論以及知識(shí)深化的討論。
(1)知識(shí)重難點(diǎn)的討論主要是針對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)開(kāi)展的課堂討論。比如單片機(jī)課程中關(guān)于存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷等知識(shí)點(diǎn)開(kāi)展討論,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)這些知識(shí)的深入理解。其他相關(guān)知識(shí)點(diǎn),由教師引導(dǎo)學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí),針對(duì)學(xué)習(xí)中不理解的知識(shí),教師在課堂上集中講解。這種針對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)的講解和討論能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。
(2)知識(shí)應(yīng)用的討論是指以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)形式開(kāi)展知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用的討論,針對(duì)像單片機(jī)這種實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,真正實(shí)現(xiàn)“理論+實(shí)踐”的教學(xué)模式。學(xué)生將課外時(shí)間做項(xiàng)目遇到的實(shí)際問(wèn)題在課前提交給教師,教師總結(jié)分類后,選擇共性的或有代表性的問(wèn)題在課堂上與學(xué)生討論,其他的個(gè)性化問(wèn)題,教師在課后單獨(dú)輔導(dǎo)。
(3)知識(shí)深化的討論一般放在課程結(jié)束前由教師組織一次關(guān)于課程的全面綜合討論以及今后如何繼續(xù)學(xué)習(xí)的輔導(dǎo)。比如,單片機(jī)課程結(jié)束后,如何進(jìn)一步學(xué)習(xí)32位高端單片機(jī)以及32位單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行一次討論。
課堂討論主要注意課前收集問(wèn)題,并對(duì)其進(jìn)行分類和提取典型問(wèn)題;其次是組織討論要以具體問(wèn)題為中心,教師引導(dǎo)每組學(xué)生積極參與,記錄學(xué)生討論情況,作為考核指標(biāo)之一;最后是課堂討論的總結(jié),對(duì)課程知識(shí)難點(diǎn)與重點(diǎn)以及知識(shí)應(yīng)用遇到的問(wèn)題及時(shí)總結(jié)。
在每次課堂討論中,教師記錄每個(gè)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。課程是以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的形式組織討論,教師重點(diǎn)關(guān)注每個(gè)團(tuán)隊(duì)中每次討論不積極或?qū)χR(shí)點(diǎn)掌握不深入的學(xué)生,單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行輔導(dǎo)。
目前單片機(jī)課程的考核方式大多采用閉卷考試,學(xué)生死記硬背硬件內(nèi)容和軟件指令,考完后很快就會(huì)忘掉,但開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的能力卻沒(méi)有得到任何提高[15]。這種考核的弊端卻在于僅僅以一次考試就決定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,不能充分考查出學(xué)生的能力,顯然不是最優(yōu)的考查方式。
為了克服這種傳統(tǒng)的考核方式,我們?cè)趯?shí)際教學(xué)過(guò)程中,將單片機(jī)整體內(nèi)容分解成若干個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目,每個(gè)項(xiàng)目要考核3-4個(gè)知識(shí)點(diǎn),也就是讓學(xué)生完成3-4個(gè)任務(wù)。在對(duì)項(xiàng)目檢查時(shí),記錄每個(gè)學(xué)生的成績(jī)。結(jié)合平時(shí)的小項(xiàng)目以及最終的綜合項(xiàng)目成績(jī),這樣在整個(gè)課程結(jié)束時(shí),大約有8-10個(gè)項(xiàng)目的成績(jī),從而形成最終的課程成績(jī)。這種綜合型考核方式,能有效避免學(xué)生因特殊原因?qū)е鲁煽?jī)不符合實(shí)際的偶然性。
單片機(jī)課程的實(shí)踐性很強(qiáng),而且在實(shí)際工業(yè)和生活中應(yīng)用非常廣泛,很容易設(shè)計(jì)出各種不同的綜合項(xiàng)目選題。表2所示為學(xué)生部分綜合項(xiàng)目選題。
在單片機(jī)課程的教學(xué)過(guò)程中,根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔理論,融合多種學(xué)習(xí)方式,構(gòu)建階梯式學(xué)習(xí)模式。將課程內(nèi)容分為三大部分:第一部分是需要理解和記憶的基礎(chǔ)知識(shí),如單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、匯編指令等;第二部分是單片機(jī)各功能模塊的應(yīng)用,如存儲(chǔ)器應(yīng)用、I/O接口應(yīng)用、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用、中斷系統(tǒng)應(yīng)用、串行口應(yīng)用、A/D和D/A等。第三部分是各功能模塊的綜合應(yīng)用。
針對(duì)第一部分,主要采取閱讀相關(guān)內(nèi)容、觀看微視頻;第二部分的學(xué)習(xí)采用討論和做中學(xué)的方法。每塊內(nèi)容都設(shè)計(jì)幾個(gè)項(xiàng)目,讓學(xué)生以學(xué)習(xí)小組的形式組成“敏捷島”,每個(gè)“敏捷島”由3-4個(gè)學(xué)生組成,分為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、硬件工程師、軟件工程師和技術(shù)支持等。大家在完成項(xiàng)目過(guò)程中,相互討論項(xiàng)目技術(shù)路線,技術(shù)難點(diǎn)等。第三部分的學(xué)習(xí)是讓學(xué)生做一個(gè)綜合的應(yīng)用系統(tǒng),充分利用學(xué)習(xí)金字塔理論中最后的學(xué)習(xí)方式——“應(yīng)用”。在學(xué)習(xí)完單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)以及各個(gè)功能模塊的應(yīng)用之后,讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式完成一個(gè)綜合的應(yīng)用系統(tǒng),才能使學(xué)生真正掌握單片機(jī)的應(yīng)用。
表2 部分綜合項(xiàng)目選題
翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實(shí)施,激發(fā)了學(xué)生對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)的興趣。以前大部分學(xué)生學(xué)習(xí)該課程都是為了拿到課程的學(xué)分,現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)生都真正體驗(yàn)到了自己獨(dú)立完成一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的單片機(jī)系統(tǒng)的樂(lè)趣,從而使得學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。另一方面,由于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高了,參加相關(guān)的競(jìng)賽活動(dòng)的學(xué)生數(shù)每年都在增加,諸如:全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“恩智浦杯”全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽、“賽佰特杯”全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽、“TI杯”全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“藍(lán)橋杯”全國(guó)軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽等,每年在省級(jí)、華東賽區(qū)和全國(guó)總決賽均有獲獎(jiǎng),取得了優(yōu)異的成績(jī)。
翻轉(zhuǎn)課堂作為一種新穎的教學(xué)模式,改變了傳統(tǒng)的教學(xué)順序以及師生角色,能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,真正讓學(xué)生成為教學(xué)的主體,注重學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。學(xué)習(xí)金字塔理論強(qiáng)調(diào)了做中學(xué)和立即應(yīng)用,這與CDIO理念是融會(huì)貫通的,都是讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)理論知識(shí)。將翻轉(zhuǎn)課堂與CDIO理念相結(jié)合能充分發(fā)揮彼此的優(yōu)勢(shì)。
教師在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中主要起到“解惑”作用,同時(shí)教師也可以將自己的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)傳授給學(xué)生,以提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。這對(duì)于像單片機(jī)這類實(shí)踐性很強(qiáng)的課程來(lái)說(shuō),尤其顯得重要。因此,翻轉(zhuǎn)課堂與CDIO相結(jié)合的教學(xué)模式,具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。
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