工程教育認(rèn)證專業(yè)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革

趙宇洋 李爭(zhēng) 孟凡華

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用作為電氣控制類本科生的重要專業(yè)課程，著重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。而傳統(tǒng)的教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)不足，不能滿足工程教育認(rèn)證培養(yǎng)需求。文章根據(jù)儀器類工程教育認(rèn)證人才培養(yǎng)目標(biāo)，基于PBL教學(xué)方法進(jìn)行單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)新模式的探索，以解決問題為目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、協(xié)作精神以及解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育；單片機(jī)；PBL教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）29-0131-03

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的保障工程教育質(zhì)量的基本制度，我國(guó)于2016年成為國(guó)際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會(huì)員，意味著工程教育逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、國(guó)際化和可持續(xù)發(fā)展。因此，我國(guó)高等教育培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)適應(yīng)就業(yè)市場(chǎng)人才需求，培養(yǎng)國(guó)際互認(rèn)的工程科技人才，課程教學(xué)改革應(yīng)遵從培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為主線，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和實(shí)踐性。

河北科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)于2018年1月通過工程教育認(rèn)證，為了更好地保證工程認(rèn)證培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，培養(yǎng)國(guó)際等效的工程技術(shù)人才，本文對(duì)單片機(jī)課程中的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了教學(xué)改革和探索。

單片機(jī)原理及應(yīng)用類課程是工科院校電控相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程之一，講授單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)，以及編程方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)基礎(chǔ)。因此，作為通過工程教育認(rèn)證的專業(yè)，更要以切實(shí)提高學(xué)生動(dòng)手能力為目標(biāo)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革。采用PBL教學(xué)模式可以實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生成為課堂的主動(dòng)參與者，更符合工程教育認(rèn)證基于產(chǎn)出導(dǎo)向的OBE（Outcomes-based Education）教學(xué)模式的基本原則。

一、傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)與工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的差距

工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教育理念，并將這一理念落實(shí)在培養(yǎng)目標(biāo)制定和評(píng)估、教育教學(xué)資源建設(shè)及質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制的全過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。單片機(jī)課程屬于工程技術(shù)應(yīng)用類課程，在數(shù)字電子線路、微機(jī)原理和自動(dòng)控制原理等先修課程基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生利用51系列單片機(jī)進(jìn)行測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)的能力。對(duì)于沒有硬件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的本科生而言，該課程相對(duì)抽象、知識(shí)點(diǎn)龐雜而零碎，實(shí)踐性較強(qiáng)。總結(jié)單片機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)教學(xué)方式，發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)不符合工程教育理念。

1.教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)仍以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，傳統(tǒng)模式的實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)A向于對(duì)理論講述知識(shí)的驗(yàn)證，沒有趣味性的實(shí)驗(yàn)，也幾乎沒有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，與工程教育專業(yè)認(rèn)證指導(dǎo)思想相違背，不能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新性工程師。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中最常見的現(xiàn)象就是學(xué)生按部就班地輸入指令、進(jìn)行連線操作，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上觀察應(yīng)出現(xiàn)的特定現(xiàn)象，之后完成模板式的實(shí)驗(yàn)記錄，缺乏主動(dòng)設(shè)計(jì)和主動(dòng)思考的機(jī)會(huì)。

2.課程設(shè)計(jì)作為重要的實(shí)踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)，往往缺乏實(shí)踐的有效安排和動(dòng)手能力培養(yǎng)，在以往教學(xué)中，為期一周的課程設(shè)計(jì)大多布置學(xué)生自由查閱資料，完成單片機(jī)最小系統(tǒng)的仿真即可。這種教學(xué)方式造成學(xué)生對(duì)于課程設(shè)計(jì)不重視，設(shè)計(jì)報(bào)告雷同嚴(yán)重，對(duì)于單片機(jī)的應(yīng)用停留在書本上，解決實(shí)際問題的信心不足。

二、PBL教學(xué)模式對(duì)于工程教育認(rèn)證背景下單片機(jī)教學(xué)的啟發(fā)

基于問題學(xué)習(xí)的PBL（Problem Based Learning）教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)以問題解決為中心、多種學(xué)習(xí)途徑相整合，同時(shí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者之間的交流合作，強(qiáng)調(diào)外部支持與引導(dǎo)在探索學(xué)習(xí)中的作用等。PBL實(shí)質(zhì)是由若干個(gè)精心設(shè)計(jì)的問題組成，圍繞問題為中心，讓學(xué)生綜合運(yùn)用自身所學(xué)知識(shí)進(jìn)行調(diào)查和研究，以教師在課堂上講授的知識(shí)為基礎(chǔ)，自發(fā)進(jìn)行歸納和應(yīng)用，并借助查找文獻(xiàn)等輔助手段，最終解決問題，與工程教育中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的要求十分吻合。

PBL模式的關(guān)鍵要素包括：作為導(dǎo)向的問題、團(tuán)隊(duì)合作與自主學(xué)習(xí)、教師指導(dǎo)、自我評(píng)價(jià)與小組評(píng)價(jià)。將PBL教學(xué)模式引入單片機(jī)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠有效改變學(xué)生只是被動(dòng)聽講、大多采用死記硬背編程程序的學(xué)習(xí)方式。以問題解決為最終目的的教學(xué)方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)動(dòng)力，使學(xué)生從解決問題的過程中獲取運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)工程技術(shù)人員的規(guī)范工作習(xí)慣及技術(shù)自信心也十分有利。

三、符合工程教育認(rèn)證目標(biāo)的單片機(jī)課程PBL教學(xué)模式探索

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生是信息的被動(dòng)接受者，是裝載知識(shí)的“容器”，學(xué)習(xí)的主要任務(wù)是記憶以前人經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為主的信息。PBL教學(xué)模式中，學(xué)生是具有自我指導(dǎo)學(xué)習(xí)理念和能力的、主動(dòng)的學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)的任務(wù)不僅要進(jìn)行知識(shí)意義的建構(gòu)，還要形成解決問題、與人合作、進(jìn)行創(chuàng)新等多種能力。本文針對(duì)測(cè)控專業(yè)工程教育認(rèn)證需求，基于PBL教學(xué)模式對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩大實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，著重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決工程問題的能力。

1.實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的探索。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，并主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量作為評(píng)價(jià)依據(jù)，導(dǎo)致學(xué)生參與度不高、實(shí)驗(yàn)報(bào)告雷同嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與教學(xué)環(huán)節(jié)脫節(jié)等現(xiàn)象。我專業(yè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由兩個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和兩個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，本文中基于PBL模式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)穿插于教學(xué)環(huán)節(jié)的前半段，主要目的是在學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)之初，能夠通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析其背后的原理，有助于學(xué)生掌握單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理。經(jīng)歷幾次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后，比如匯編語言排序?qū)嶒?yàn)、簡(jiǎn)單的I/O接口實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生已基本熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和工具箱，能夠按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行程序輸入、硬件連線等操作，并具有動(dòng)手設(shè)計(jì)難度較高實(shí)驗(yàn)的能力和意愿。因此在教學(xué)環(huán)節(jié)的中后段安排項(xiàng)目式開發(fā)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過下發(fā)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書規(guī)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，以學(xué)生小組為單位自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)箱基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)并觀察其現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要詳細(xì)闡述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)、描述實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)合理性，并最終自我評(píng)估實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的完成度。

2.課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的改革。隨著課程進(jìn)度的深入，教師在課堂教學(xué)中期即布置課程設(shè)計(jì)題目，并以學(xué)習(xí)小組為單位讓學(xué)生提前完成設(shè)計(jì)方案初稿，并在后續(xù)學(xué)習(xí)中有目的、有意識(shí)地根據(jù)課設(shè)題目需求逐步完善設(shè)計(jì)方案，并在一周的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中完成系統(tǒng)調(diào)試。在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中明確提出進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施規(guī)劃，在設(shè)計(jì)之前對(duì)項(xiàng)目的要求、進(jìn)度安排、人員分工等內(nèi)容要進(jìn)行整體、全面的考慮。課程設(shè)計(jì)題目是結(jié)合教學(xué)大綱和單片機(jī)課程目標(biāo)精心設(shè)計(jì)完成的，既要保證每個(gè)題目考查知識(shí)點(diǎn)的全面性，也要保證各個(gè)題目難易程度相當(dāng)。我專業(yè)的課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生以項(xiàng)目開發(fā)形式完成測(cè)控系統(tǒng)的軟、硬設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)硬件電路仿真、程序調(diào)試，并最終實(shí)現(xiàn)以小組為單位的實(shí)物結(jié)題。課程設(shè)計(jì)題目數(shù)量根據(jù)我專業(yè)兩班學(xué)生人數(shù)設(shè)置，每個(gè)班級(jí)中一組一題，既保證了本班內(nèi)沒有重復(fù)題目，消除學(xué)生彼此的依賴性，提高題目的獨(dú)立完成度，也有助于兩個(gè)班級(jí)之間的討論交流。每個(gè)題目都以工程問題為背景，采用新穎有趣的形式全面考查學(xué)生對(duì)輸入、輸出系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)的掌握情況和設(shè)計(jì)能力。

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書中明確安排一周中每天需完成的設(shè)計(jì)進(jìn)度，教師根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)完成的情況進(jìn)行調(diào)整，如果學(xué)生整體動(dòng)手能力較強(qiáng)、進(jìn)度完成較快，則可以深化課設(shè)題目要求、提高最終難度；如果整體進(jìn)度難以保證，則根據(jù)出現(xiàn)的問題及時(shí)講解，以確保不同基礎(chǔ)、不同能力的學(xué)生在一周的課程設(shè)計(jì)中都有所收獲，真正做到以學(xué)生需求為導(dǎo)向。并通過學(xué)生團(tuán)隊(duì)成員互評(píng)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生以團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作方式、考慮經(jīng)濟(jì)性因素解決工程問題的能力。

3.評(píng)價(jià)方式的優(yōu)化。學(xué)生考試成績(jī)不僅是學(xué)生最為關(guān)心的焦點(diǎn)之一，也是用人單位評(píng)價(jià)畢業(yè)生能力的一個(gè)重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生考試成績(jī)主要由一張期末試卷評(píng)定，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)的過程評(píng)價(jià)，在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，這種考試模式的弊端顯得尤為突出。本文中的單片機(jī)課程改革也對(duì)評(píng)價(jià)方式的優(yōu)化進(jìn)行了探索，在教學(xué)各環(huán)節(jié)以量化打分的形式，及時(shí)、客觀地對(duì)學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，體現(xiàn)了工程教育認(rèn)證中的過程管理理念，既優(yōu)化了平時(shí)的教學(xué)效果，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生的綜合客觀評(píng)價(jià)。

如上文所述，我專業(yè)在進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)時(shí)，將課程學(xué)習(xí)實(shí)踐小組的形式貫穿整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，因此，在學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，既包含教師打分也引入團(tuán)隊(duì)成員互評(píng)機(jī)制。

學(xué)生的最終成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末考試成績(jī)構(gòu)成：期末考試成績(jī)滿分100分，總成績(jī)占比為60%；平時(shí)成績(jī)滿分100分，其中教師打分50分、團(tuán)隊(duì)成員互評(píng)50分，總成績(jī)占比為20%；實(shí)驗(yàn)成績(jī)滿分100分，課程實(shí)驗(yàn)共計(jì)4個(gè)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)總分25分，其中實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)效果20分、報(bào)告質(zhì)量5分，總成績(jī)占比為20%。

具體評(píng)價(jià)方法如下：

S=M×60%+（N■+N■）×20%

+（■（P■+R■））×20%

式中S為課程最終成績(jī)；M為期末考試成績(jī)（0—100分）；N■為教師平時(shí)成績(jī)（0—50分），依據(jù)平時(shí)出勤率、表現(xiàn)及作業(yè)完成情況給出；N■為團(tuán)隊(duì)互評(píng)成績(jī)（0—50分），以調(diào)查問卷形式由團(tuán)隊(duì)內(nèi)全體成員互相打分，計(jì)算平均值；P■為每個(gè)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)成績(jī)（0—20分），由教師依據(jù)實(shí)驗(yàn)完成度和操作規(guī)范性打分；R■為每個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)（0—5分）。

為保證評(píng)價(jià)體系執(zhí)行的客觀真實(shí)性，任課教師設(shè)計(jì)了團(tuán)隊(duì)成員互評(píng)問卷（學(xué)生用），對(duì)單片機(jī)課程學(xué)習(xí)實(shí)踐小組成員在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進(jìn)行量化打分；在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和課設(shè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了評(píng)分細(xì)則（教師用），根據(jù)各團(tuán)隊(duì)電路設(shè)計(jì)仿真，程序結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)范性、電路合理性、焊點(diǎn)質(zhì)量及最終功能等情況綜合打分，較為客觀全面地對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的全過程進(jìn)行了多角度評(píng)價(jià)。

四、總結(jié)與展望

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是一門知識(shí)體系完整，與其他課程聯(lián)系緊密，且工程實(shí)踐性較強(qiáng)的課程?；赑BL模式的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，是一種使學(xué)習(xí)者以解決問題為根本的學(xué)習(xí)模式。本文指出了傳統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)和課程考核的弊端，引出工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的單片機(jī)課程教學(xué)改革方式。通過兩個(gè)教學(xué)周期的實(shí)踐取得了良好效果，激發(fā)學(xué)生由傳統(tǒng)課堂上被動(dòng)“聽”，變成現(xiàn)在主動(dòng)“學(xué)”，活躍了課堂氣氛，培養(yǎng)了學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，有效提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力和信心，也為其他類似課程積累了改革教學(xué)模式的經(jīng)驗(yàn)。

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