新工科+PBL模式下的單片機(jī)課程項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐

龍順宇，楊 偉，吳路光，林元乖

（海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，海南 三亞 572022）

0 引 言

“新工科”的提出從多方面強(qiáng)調(diào)了工學(xué)學(xué)科的工程性、實(shí)用性、學(xué)科交叉性與知識(shí)體系綜合性[1-2]。電子信息類專業(yè)屬于“新工科”的范疇，該類專業(yè)課程多數(shù)與工程需求聯(lián)系緊密，要求學(xué)生能夠?qū)W以致用，以工程理念解決實(shí)際問題[3-4]。單片機(jī)原理類課程屬于該類專業(yè)中實(shí)用性較強(qiáng)的課程之一[5]。單片機(jī)課程開設(shè)之前一般會(huì)開設(shè)編程語言及電類基礎(chǔ)課，通過前導(dǎo)課程可加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)的理解，同時(shí)又可聯(lián)系課程深化工程基礎(chǔ)，基于單片機(jī)積淀拓展到嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域[6-7]。

從單片機(jī)課程開設(shè)的階段上不難看出單片機(jī)類課程的重要性和與其他相關(guān)課程的結(jié)合性，但通過傳統(tǒng)教學(xué)和專業(yè)實(shí)踐能力的相關(guān)考核后發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)課程的實(shí)踐與理論教學(xué)有脫節(jié)現(xiàn)象，很多學(xué)生在完成課程后并不能結(jié)合相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)出作品，實(shí)踐能力的短板在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽中表現(xiàn)得尤為明顯，甚至有不少學(xué)生從項(xiàng)目需求的提出到項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)也是模糊的，整體上缺乏項(xiàng)目概念與工程方法[8-9]?；谝陨犀F(xiàn)狀，本文將PBL（Problem-Based Learning，PBL）作為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)模式及項(xiàng)目式教學(xué)方法引入到傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中，以此改善教與學(xué)脫節(jié)情況，使學(xué)生在明確工程需求的前提下思考項(xiàng)目并接受相關(guān)知識(shí)，深化理論，強(qiáng)化動(dòng)手實(shí)踐能力[10]。通過方法改革與質(zhì)量監(jiān)控取得了較為顯著的改善。

1 傳統(tǒng)單片機(jī)類課程與工程應(yīng)用脫節(jié)的表現(xiàn)和原因

1.1 缺乏問題導(dǎo)入，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)工程需求整體模糊

在實(shí)際工程項(xiàng)目中首先要明確項(xiàng)目需求，有了需求分析才能明確任務(wù)切塊、功能設(shè)計(jì)及單元選型。在高校的單片機(jī)課程中很少涉及實(shí)際工程項(xiàng)目的分解，也不要求學(xué)生培養(yǎng)需求分析能力，更不要求學(xué)生合理運(yùn)用工具和記號(hào)描述待開發(fā)系統(tǒng)的功能指標(biāo)、行為特性及條件約束，因此學(xué)生在實(shí)際參與項(xiàng)目時(shí)，沒有與“需求方溝通”和形成“需求文檔”的概念，最多只有教師下發(fā)的“實(shí)驗(yàn)任務(wù)書”的概念[11]。學(xué)生在此環(huán)節(jié)中只知道按照教師要求的實(shí)驗(yàn)步驟和程序嘗試實(shí)驗(yàn)過程，并沒有考慮實(shí)物用在哪里，具備什么功能。

1.2 理論教學(xué)內(nèi)化不足，難以形成支撐和鋪墊

不少高校在單片機(jī)課程授課過程中理論比實(shí)踐超前較多，雖然提前了解理論對(duì)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義，但從另一方面也存在理論知識(shí)來不及內(nèi)化導(dǎo)致脫節(jié)的問題。以MCS-51內(nèi)核單片機(jī)授課為例，最小系統(tǒng)搭建及I/O配置內(nèi)容較初級(jí)，授課占比小，授課一般會(huì)“快進(jìn)”，任課教師一般會(huì)把重心放在中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串口通信章節(jié)，等到講解外中斷引腳觸發(fā)方式、外部計(jì)數(shù)及串口收發(fā)時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生可能又遺忘或忽視了I/O部分內(nèi)容，再加之實(shí)驗(yàn)課比例不足，最終導(dǎo)致學(xué)生可能無法合理分配I/O、缺乏對(duì)I/O的結(jié)構(gòu)理解、疏于對(duì)I/O的模式配置，學(xué)到了重點(diǎn)知識(shí)又忘記了基礎(chǔ)知識(shí)，這就是理論內(nèi)化不足導(dǎo)致的。

1.3 實(shí)踐教學(xué)形式傳統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)過程缺乏創(chuàng)新

高校單片機(jī)類課程實(shí)踐環(huán)節(jié)多依靠實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)，基于該平臺(tái)的多數(shù)實(shí)驗(yàn)都采用變更線路的方法，學(xué)生運(yùn)用原有例程燒錄到實(shí)驗(yàn)箱中，通過插拔導(dǎo)線更改線路，完成基本的數(shù)據(jù)讀取和效果驗(yàn)證。此類實(shí)驗(yàn)箱雖簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度，便于實(shí)驗(yàn)室管理與維護(hù)，但在很大程度上限制了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維。在一個(gè)功能固定、線路固定、模式固定、程序給定的平臺(tái)上是很難根據(jù)項(xiàng)目需求去變更設(shè)計(jì)、資源選型及多元搭配[12-13]。若學(xué)生未完成實(shí)驗(yàn)，要么是實(shí)驗(yàn)箱問題要么是連線問題；若學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，只能說明效果驗(yàn)證基本成功，學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)和完成實(shí)驗(yàn)的過程中體驗(yàn)感較差，難以激發(fā)興趣進(jìn)行拓展訓(xùn)練。

1.4 課程群缺乏銜接，綜合設(shè)計(jì)“孤掌難鳴”

單片機(jī)課程開設(shè)之前都有編程語言設(shè)計(jì)及電學(xué)基礎(chǔ)作為前導(dǎo)課程，課程與課程之間不應(yīng)相互獨(dú)立。若將其他基礎(chǔ)課程比作“珍珠”，則單片機(jī)課程應(yīng)該是“連線”，充分結(jié)合相關(guān)課程后才能形成“項(xiàng)鏈”。以恒溫水浴鍋為例，溫度的測(cè)量與加熱器的功率調(diào)節(jié)應(yīng)該組成閉環(huán)達(dá)到恒溫動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。溫度值轉(zhuǎn)換機(jī)理體現(xiàn)了《傳感器原理及應(yīng)用》的相關(guān)知識(shí)，溫度傳感器電信號(hào)處理和放大電路設(shè)計(jì)及加熱器功率調(diào)節(jié)需要《模擬電子技術(shù)》作為支撐，溫度采集與量化需要《數(shù)字電子技術(shù)》作為支撐，參量的閉環(huán)與PID控制需要《自動(dòng)控制原理》深化理論，剩下的單片機(jī)主控需要相關(guān)編程語言和單片機(jī)課程提供理論與實(shí)際支撐。

1.5 軟硬非均衡發(fā)展，導(dǎo)致“重?cái)?shù)輕模，重軟輕硬”

現(xiàn)代電子產(chǎn)品逐漸變得小型化、智能化，電子產(chǎn)品本身就是一個(gè)硬軟件相結(jié)合的系統(tǒng)產(chǎn)物。對(duì)于工程化單片機(jī)教育產(chǎn)出的學(xué)生應(yīng)該可以合理選用軟/硬方法解決問題，雖然產(chǎn)品研發(fā)工程師有術(shù)業(yè)專攻，但在知識(shí)體系上軟硬件必有融合部分，鼓勵(lì)學(xué)生合理積累軟硬件知識(shí)去解決工程問題是絕對(duì)有必要的。單一的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍?huì)造成學(xué)生注重編程輕視電路搭建，注重?cái)?shù)電輕視模電，最終導(dǎo)致學(xué)生缺乏系統(tǒng)的全局觀，影響方案決策和系統(tǒng)融合。以混合系統(tǒng)信號(hào)處理為例，若用ADC采集混有周期性交流信號(hào)的直流電壓，就會(huì)出現(xiàn)濾波方案的選擇問題：若只會(huì)軟件則濾波功能由單片機(jī)內(nèi)部算法實(shí)現(xiàn)，無形中增加了CPU的計(jì)算負(fù)擔(dān)且影響實(shí)時(shí)性能；若只會(huì)硬件則需要設(shè)計(jì)濾波電路，增加工作量和成本花費(fèi)，且單一方法下可能無法達(dá)到滿意結(jié)果。故而在單片機(jī)課程培養(yǎng)中應(yīng)該合理注重軟硬件均衡發(fā)展，以特長(zhǎng)方向展開深入研究并帶動(dòng)短板。

2 推行PBL模式下的項(xiàng)目式單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法

2.1 從實(shí)際工程中提煉需求，明晰關(guān)鍵問題和設(shè)計(jì)路線

在實(shí)踐階段挑選難度適中的項(xiàng)目案例讓學(xué)生討論需求，指定討論角色，教師充當(dāng)客戶，學(xué)生充當(dāng)研發(fā)。由教師給出項(xiàng)目需求，反復(fù)溝通后由學(xué)生產(chǎn)生需求文檔，中途故意調(diào)整需求，讓學(xué)生能夠帶著問題和目的去研究和研發(fā)。注意在案例分解時(shí)使用PBL模式引導(dǎo)學(xué)生思考，在理論教學(xué)階段也可結(jié)合行業(yè)應(yīng)用展開知識(shí)點(diǎn)講解。例如，在講解I/O章節(jié)時(shí)引入電話按鍵音頻解碼需求，看似互相沒有聯(lián)系的內(nèi)容其實(shí)更容易激發(fā)學(xué)生思考，由對(duì)按鍵音的解碼可引出DTMF雙音多頻解碼芯片HT9170，解碼后輸出的電平組合變化可以讓學(xué)生嘗試解析，從而深化學(xué)生對(duì)I/O的理解和知識(shí)面的擴(kuò)展。

2.2 設(shè)計(jì)開放式多核實(shí)踐平臺(tái)，下達(dá)項(xiàng)目式任務(wù)，把控質(zhì)量驗(yàn)收

在高校中推薦任課教師組成課程組，結(jié)合實(shí)驗(yàn)工程技術(shù)人員嘗試單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自制與創(chuàng)新。融入專業(yè)課程特色及教師特長(zhǎng)，科研積淀為實(shí)踐教學(xué)助力加油。例如，構(gòu)造STC8系列單片機(jī)與STM8/STM32系列單片機(jī)多核平臺(tái)，在傳統(tǒng)MCS-51內(nèi)核單片機(jī)教學(xué)后讓學(xué)生嘗試在不同單片機(jī)平臺(tái)上移植和編寫程序，鍛煉學(xué)生跨平臺(tái)的應(yīng)用能力。在開放式平臺(tái)基礎(chǔ)上下達(dá)項(xiàng)目任務(wù)，可以單人或分組自擬題目進(jìn)行發(fā)揮，實(shí)驗(yàn)課由驗(yàn)證項(xiàng)目與變形實(shí)驗(yàn)共同構(gòu)成，把控學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

2.3 串聯(lián)相關(guān)課程，綜合式激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造能力

單純的單片機(jī)課程能夠擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)較少，所謂的綜合實(shí)驗(yàn)也只是單片機(jī)片上資源及基礎(chǔ)外圍的組合形式，這樣的實(shí)驗(yàn)距離實(shí)際工程還有很大差距，不妨結(jié)合相關(guān)課程進(jìn)行大串聯(lián)。例如，制作水塘溶解氧檢測(cè)系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)傳感器、模電數(shù)電、單片機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等課程的串聯(lián)；以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制水泵裝置，激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力電子、分布式網(wǎng)絡(luò)控制等課程的思考。

2.4 模擬項(xiàng)目實(shí)施，形成團(tuán)隊(duì)，重現(xiàn)開發(fā)流程

實(shí)際工程項(xiàng)目的實(shí)施分階段分團(tuán)隊(duì)共同完成。在單片機(jī)課程中也可模擬一個(gè)項(xiàng)目的具體實(shí)施，成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，規(guī)范化形成相關(guān)文檔，體現(xiàn)軟件和硬件的對(duì)接和調(diào)試。以硬件部分為例，制作PCB文件，配套BOM清單，熟悉工程師物料選型及PCB工藝要求，結(jié)合《電子工藝》類課程形成硬件原理圖及仿真結(jié)果，感受電路從設(shè)計(jì)到實(shí)物的過程。此類項(xiàng)目模擬可放在課程設(shè)計(jì)階段具體實(shí)施。

2.5 直擊熱點(diǎn)，開放式選題，對(duì)接行業(yè)應(yīng)用

教師在單片機(jī)課程授課階段應(yīng)滲透行業(yè)應(yīng)用，指引學(xué)生建立研究方向。例如，汽車電子應(yīng)用中需要用到現(xiàn)場(chǎng)總線，可指引學(xué)生基于單片機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行CAN總線研究，嘗試讓學(xué)生利用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)驅(qū)動(dòng)MCP2515或SJA1000T類CAN控制器，然后自行搭建CAN收發(fā)器電路實(shí)現(xiàn)環(huán)回模式或者多點(diǎn)通信，讓學(xué)生體會(huì)到汽車電子中應(yīng)用CAN總線帶來的諸多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)?；谘邪l(fā)熱點(diǎn)，教師還可指引學(xué)生了解指紋識(shí)別、顏色識(shí)別、語音識(shí)別、電力載波、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無線通信、射頻識(shí)別等方向，基于熱點(diǎn)研究相關(guān)芯片和方案，培養(yǎng)學(xué)生以單片機(jī)為基礎(chǔ)、以行業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向的研究路線和工程能力。

3 結(jié) 語

單片機(jī)類課程必須體現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，良好的教學(xué)方法可讓學(xué)生們易于理解、樂于接受。因此進(jìn)行單片機(jī)課程結(jié)合、授課模式創(chuàng)新、理論實(shí)踐優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)及項(xiàng)目式框架引入是十分必要的。以明確的項(xiàng)目需求為導(dǎo)向，配合PBL模式的問題引入，基于工程化理念和項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)可激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力。模擬項(xiàng)目的拆解和組建團(tuán)隊(duì)還可讓學(xué)生體會(huì)項(xiàng)目的具體分解和實(shí)施，提升溝通能力，明晰行業(yè)熱點(diǎn)及需求，激發(fā)學(xué)生興趣并以此建立學(xué)生的研究方向和特長(zhǎng)。基于本文的改革策略，經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐與質(zhì)量監(jiān)控，應(yīng)用PBL模式的項(xiàng)目式單片機(jī)教學(xué)已收到部分實(shí)效，但這也僅是“新工科”方向的基礎(chǔ)性改革，隨著項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)的深入還將進(jìn)一步提高單片機(jī)應(yīng)用面的深度和廣度。