應(yīng)用型本科“理實一體化”教材建設(shè)研究與探索—以單片機課程教材建設(shè)為例

謝 云 馬逸新 李 鑫 朱 丹

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 江蘇南京 210023

應(yīng)用型本科是“適應(yīng)知識經(jīng)濟社會的發(fā)展進程和高等教育大眾化、普及化的發(fā)展趨勢，與經(jīng)濟、生產(chǎn)第一線和地方大眾生活緊密聯(lián)系并為之直接服務(wù)，并側(cè)重于科技應(yīng)用方面的知識、技術(shù)和素質(zhì)的培養(yǎng)、訓(xùn)練和科研”[1]。其培養(yǎng)的是應(yīng)用型人才，即培養(yǎng)的學(xué)生主要學(xué)習(xí)已有技術(shù)、技能和管理知識，到相關(guān)企業(yè)從事具體的技術(shù)和管理工作，以解決生產(chǎn)中遇到的具體難題，并具有一定的組織管理能力[2-4]?？梢姡瑧?yīng)用型本科的人才培養(yǎng)目標(biāo)定位與研究型、學(xué)術(shù)型院校不同，其人才培養(yǎng)計劃中的知識結(jié)構(gòu)的組織與建設(shè)是由應(yīng)用科學(xué)的知識體系組成，側(cè)重于應(yīng)用，那么教學(xué)活動的開展包括教學(xué)模式都應(yīng)該以應(yīng)用型為主，側(cè)重知識傳授與能力培養(yǎng)的有機結(jié)合。而評價或影響教學(xué)過程及教學(xué)效果的一項重要指標(biāo)就是教材，教材是教學(xué)活動開展的基本要素之一，是其他教學(xué)方法有效實施的基礎(chǔ)。因此，教材內(nèi)容的有效建設(shè)非常重要。

單片機課程是電氣信息類專業(yè)的專業(yè)必修課程，是一門應(yīng)用性與實踐性很強，且軟硬件一體化的綜合性課程[5]。課程教學(xué)中需要突出理論與實踐的有效結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力，從而能具備單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試、測試、維護等技能。傳統(tǒng)教材總是滯后于課堂教學(xué)的需求，雖然內(nèi)容體系較為完整，但是仍然存在很多不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是重理論輕實踐，如對單片機硬件結(jié)構(gòu)的組成以及工作原理描述較多，但是實踐內(nèi)容較少或基本沒有。二是理論與實踐分離，如多數(shù)的教材在編寫體例上，理論的部分和實踐部分是獨立進行講解的，理論與實踐環(huán)節(jié)沒有融合。三是實踐受條件制約，如開展教學(xué)活動中仍然以傳統(tǒng)模式組織教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)實踐設(shè)備固定，教材內(nèi)容與實踐內(nèi)容不能完全有效匹配，這限制了學(xué)生對實踐內(nèi)容的拓展，不利于學(xué)生的自由發(fā)揮，也不利于創(chuàng)新思維的激發(fā)。

1 “理實一體化”教材建設(shè)作用與意義

“理實一體”是針對理論與實踐分離而提出的，“理”就是理論，“實”就是實踐。就教材而言，將知識“嵌入”工作任務(wù)即是“理實一體”的組織形式[6]。針對傳統(tǒng)單片機教材中理論與實踐脫節(jié)的不足，引入“理實一體化”理念建設(shè)符合應(yīng)用型需求的教材具有一定的作用和意義，以下從幾個方面加以分析。

1.1 進一步深入理解與鞏固理論知識

依托教材，開展“理實一體化”教學(xué)，將理論知識與實踐知識有效結(jié)合，實現(xiàn)實踐與理論同步，理論指導(dǎo)實踐，既讓學(xué)生對如何應(yīng)用理論知識解決實際問題有了概念，同時實踐中發(fā)現(xiàn)的問題又可以通過理論知識來解釋和論證，將進一步促進學(xué)生對知識的理解，鞏固對理論知識的掌握。

1.2 符合學(xué)生的認知規(guī)律

理論知識有其內(nèi)在的知識體系，各個知識單元之間有其關(guān)聯(lián)性、層次性；實踐環(huán)節(jié)的開展以及實踐案例的引入考慮到這一點，在實踐任務(wù)或項目內(nèi)容的設(shè)置上體現(xiàn)出理論知識內(nèi)部的這種關(guān)聯(lián)性，闡述知識由淺入深、由易到難，這也符合學(xué)生對知識的接受過程和認知規(guī)律。

1.3 實踐活動不再受到時間與空間的制約

單片機課程中軟硬件一體化是“理實一體化”的主要方面，教材中將實踐環(huán)節(jié)與具體的軟硬件仿真環(huán)境結(jié)合，例如，Keil μVision程序設(shè)計軟件、Proteus ISIS綜合仿真軟件，解決了以往課堂中開展實踐活動條件受限以及教材內(nèi)容與實驗平臺不匹配等問題。

基于Keil μVision程序設(shè)計軟件、Proteus ISIS綜合仿真軟件開展的單片機課程教學(xué)具有明顯的優(yōu)點。首先，不再受到目標(biāo)硬件系統(tǒng)的限制，只需要有計算機即可開展學(xué)習(xí)活動；其次，在編寫調(diào)試軟件程序、設(shè)計繪制單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件仿真電路圖后，能實時進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試工作，并觀測到調(diào)試現(xiàn)象；再次，從整體系統(tǒng)的角度觀察程序運行與硬件執(zhí)行的結(jié)果，系統(tǒng)的運行和結(jié)果形象生動，讓學(xué)生對知識的應(yīng)用過程產(chǎn)生很直觀的體會，容易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。最后，不再過多依賴實驗室的儀器設(shè)備和開放時間，學(xué)生可以更加自由合理地安排學(xué)習(xí)活動，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性得到提高。

1.4 學(xué)習(xí)活動拓展與延伸

實踐內(nèi)容既要從基礎(chǔ)入門角度考慮單片機技術(shù)基本理論知識的應(yīng)用，又要從工程應(yīng)用角度考慮單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)過程，課堂學(xué)習(xí)只能滿足前者，后者卻不能完全得到保證。教材中通過對工程項目的引入，讓學(xué)生帶著問題在課堂以外的時間開展學(xué)習(xí)活動，如查閱資料、制作實物、參與科技創(chuàng)新活動等，充分調(diào)動學(xué)生的主體意識，激發(fā)學(xué)生自主獲取知識、動手實踐，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新能力。

1.5 突出應(yīng)用特色 體現(xiàn)工程思想

教材設(shè)計與內(nèi)容組織過程中，始終以學(xué)生為主體，強調(diào)學(xué)生的主體意識，使得學(xué)生在開展實踐活動的過程中，能從知識應(yīng)用的角度全面把握整體知識，建立單片機應(yīng)用系統(tǒng)的概念，這將有助于學(xué)生對這門課程加深理解。另外，精心選取的項目，更加突出工程應(yīng)用的思想，貼合實際生產(chǎn)的需求，幫助學(xué)生建立項目以及工程化的概念，了解并熟悉單片機應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)、設(shè)計、實現(xiàn)的基本流程和各個環(huán)節(jié)的技術(shù)要點，為今后參與產(chǎn)品的前期開發(fā)和設(shè)計打好一定的基礎(chǔ)。

2 單片機課程教材建設(shè)實踐

2.1 教材的基本架構(gòu)與體系

課程組教師在廣泛調(diào)研并總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，精心組織編寫了《單片微型計算機原理及應(yīng)用》一書(已于2018年1月由北京理工大學(xué)出版社正式出版)，本教材在介紹微型計算機系統(tǒng)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，重點講述了經(jīng)典機MCS-51系列單片機的硬件架構(gòu)、工作原理、匯編與C51程序設(shè)計、內(nèi)部功能部件的基本應(yīng)用以及單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)等，教材按照基礎(chǔ)原理與技術(shù)應(yīng)用將內(nèi)容分成兩篇，共九章。第一篇為計算機及單片機基礎(chǔ)，包含兩個部分：第一部分主要講述微型計算機的基本架構(gòu)、工作原理；第二部分重點講解MCS-51系列單片機的硬件架構(gòu)、工作原理及編程語言。第二篇為單片機應(yīng)用與系統(tǒng)開發(fā)，包含三個部分：第一部分主要介紹C51語言軟件開發(fā)平臺Keil μVision與虛擬仿真平臺Proteus ISIS的基本特性與使用；第二部分主要通過具體的實踐案例講解MCS-51系列單片機的典型應(yīng)用，包括I/O口的應(yīng)用、內(nèi)部功能部件的應(yīng)用以及系統(tǒng)擴展與接口技術(shù)的應(yīng)用；第三部分介紹了單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一般開發(fā)流程、抗干擾技術(shù)和調(diào)試技術(shù)，并結(jié)合項目具體闡述了實際項目開發(fā)過程中完成單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的思路與方法。

2.2 教材的主要特色

2.2.1 以能力培養(yǎng)為根本

教材的內(nèi)容設(shè)置上，注重對學(xué)習(xí)者技能的培養(yǎng)，精心整合課程內(nèi)容，合理安排知識點、技能點，注重實踐環(huán)節(jié)，突出對學(xué)習(xí)者實際操作能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

2.2.2 緊跟現(xiàn)代信息技術(shù)

借助當(dāng)下先進的單片機軟件開發(fā)平臺：仿真軟件Proteus ISIS和C51、編譯軟件Keil μVision來實現(xiàn)實踐案例中目標(biāo)功能的驗證與分析，使讀者在實踐過程中能更直觀地體會、觀看知識應(yīng)用的過程與結(jié)果，且不受硬件條件的制約。

2.2.3 知識體系合理 易學(xué)易用

書中每一個知識單元都配有實踐環(huán)節(jié)，并且實踐案例中綜合的目標(biāo)功能隨著知識的不斷擴展也不斷增強，整個知識體系的引入由淺入深、由易到難，符合讀者的認知規(guī)律。

2.2.4 項目兼顧工程背景 貼合行業(yè)應(yīng)用

書中選定的綜合項目從工程背景出發(fā)，提供了實際工作中單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的基本流程、實現(xiàn)思路以及行業(yè)規(guī)范。讓學(xué)習(xí)者能夠從系統(tǒng)角度了解并掌握項目實踐中的單片機開發(fā)技術(shù)，有益于提升學(xué)習(xí)者的工程實踐能力，迅速將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用于實際工作中。

2.2.5 精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)資料完備

面向“理實一體化”教學(xué)全過程精心設(shè)置完整的教學(xué)環(huán)節(jié)，將知識引入、知識講解、實操訓(xùn)練、思考拓展、課后總結(jié)以及習(xí)題測驗有機地結(jié)合。這樣，同一教學(xué)模塊和教學(xué)地點能夠同時完成知識的講解和技能訓(xùn)練，而且課后也給讀者留有思考與拓展空間，真正融“教、學(xué)、練、思”于一體。

2.3 教材面向的讀者對象

教材既有基礎(chǔ)知識又有實踐知識，既可以獨立作為教學(xué)用書，也可以作為輔助教材使用，所以讀者對象面向較廣，主要有：(1)高等、高職院校電氣信息類專業(yè)開設(shè)單片機課程的學(xué)生。(2)參加成人教育及函授學(xué)習(xí)MCS-51單片機課程的學(xué)生。(3)自學(xué)單片機的工科類在校學(xué)生或其他工程技術(shù)人員。

3 結(jié)語

作為應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的重要組成部分，教材建設(shè)是體現(xiàn)專業(yè)特色、教育資源、師生狀況以及辦學(xué)條件等因素的必然要求。建設(shè)適宜的課程教材，使得教材的深度、廣度與學(xué)生實際接受能力和需求相匹配，將“理實一體化”思想貫穿整個教學(xué)過程，拓展到課堂以外的空間，這與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)高度統(tǒng)一；同時，教材建設(shè)特別是校本教材建設(shè)，通過教材思路、內(nèi)容等元素將更能彰顯課程特色、專業(yè)特色、人才培養(yǎng)特色。