基于過程的單片機課程教學質(zhì)量控制方法*

羅其俊，李宗帥

（中國民航大學 電信與自動化學院，天津 300300）

一、引言

單片機應用能力，是硬件工程師的基本技能，單片機課程是自動化和信息相關專業(yè)的必修課程，對于培養(yǎng)學生的計算機相關控制理論和實踐能力具有重要作用。然而，現(xiàn)階段很多大學畢業(yè)生的單片機理論和實踐能力欠缺，根本原因在于此課程在理論和實踐方面的教學質(zhì)量控制未能達到要求。本文主要從該課程教學體系和教學過程中的各個流程，研究了該課程教學的質(zhì)量控制方法。

教育機構(gòu)和學者針對教學質(zhì)量提升進行了廣泛的研究。在國內(nèi)教育管理層面，為了提高教學質(zhì)量，教育部從疏堵兩個方面入手，即加大教學經(jīng)費投入和完善教學政策和制度，對全面提升教學質(zhì)量有明顯作用。在課程教學和課堂組織實施層面，清華大學于歆杰和北京航空航天大學胡曉光采用“雨課堂”教學實施和管理平臺，與課堂授課進行深度融合，輔助教師完成學生管理和學習效果反饋。另外，關于落實教學責任、以學生為中心、教學過程標準化等方面的研究也很多，解決了教學管理、課堂教學等不同方面的問題。

針對單片機課程教學，本文結(jié)合以過程為基礎的課程教學質(zhì)量控制理論和方法，分析了標準化的單片機教學流程，建立了基于過程的質(zhì)量控制方法。通過調(diào)查自動化專業(yè)培養(yǎng)方案、教學課程大綱、培訓機構(gòu)的課程目標，以及企事業(yè)單位招聘要求，明確并細化了單片機課程教學的目標、知識點組織和重點案例的設計。針對該教學目標，設計基于學習質(zhì)量的教學進度控制方法、質(zhì)量評估方法和強交互式的在線學習方法，實現(xiàn)課程教學全過程的質(zhì)量控制。

二、課程教學質(zhì)量控制理論和方法

教學質(zhì)量控制，是指確保教學活動達到的最低標準和基準，是學校教學管理的核心問題。這也是社會對學校的基本要求，以保證企業(yè)所接收的畢業(yè)生具有必備的基本素質(zhì)。在此基礎上，使不同學生意識到并能發(fā)揮出各自的潛力和創(chuàng)新能力，這也是世界各著名學校所追求的更高的教學質(zhì)量要求。教學質(zhì)量影響公式為：

其中，I 為教育機制，E 為學習環(huán)境，M 為教學模式和方法，T 表示教師，S 表示學生，pe 為職業(yè)道德水平，al（t）為學術(shù)水平，隨時間變化，mod 為教學模式，med（t）為教學方式和方法，eq（t）表示情商，可隨培養(yǎng)時間增長而提高，iq 表示智商。

從上述公式可以看出，影響教學質(zhì)量的因素非常多，從教學制度和機制，到學生的個性化差異，都影響了教學質(zhì)量。對于專業(yè)課教學教師而言，應從M、T 兩個方面去進行教學改革和改進。具體對于課程教學過程而言，教學模式和方法，是教改的主要方面。

教學質(zhì)量的控制，在教學模式和方法環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為教學過程和成績考核的標準化和規(guī)范化。采用ISO9000族標準構(gòu)建的產(chǎn)品質(zhì)量管理體系，應用非常廣泛。它強調(diào)過程管理規(guī)范化和持續(xù)改進，對于教學過程的質(zhì)量管理，具有重要的借鑒意義。

1.以過程為基礎的質(zhì)量控制

教學過程管理，是將教學活動中的所有環(huán)節(jié)作為一個系統(tǒng)的過程，確定各環(huán)節(jié)之間的連接關系，并形成標準化的系統(tǒng)處理流程和考核過程。在課程教學中，從大綱的設計、理解和實施，每一堂課、案例的實施、知識點的考核，加上單元化識別和管理，教師均需精心設計和策劃。對于學生而言，這是一個完整的學習過程，任何一個環(huán)節(jié)的缺漏，都需要學生自己花費大量的時間去彌補，這會打擊學生的學習積極性，影響學習效率和質(zhì)量。而ISO9000 管理模式非常重視“過程方法”，為了使組織有效運作，必須識別和管理眾多相互關聯(lián)的活動和相互作用的過程。在教學過程中采用“過程方法”的優(yōu)點，是對各過程系統(tǒng)中的單個過程之間的聯(lián)系以及過程的組合和相互作用進行連續(xù)的控制。這樣，每一個教學環(huán)節(jié)都得到了有效的控制，最終必然得到良好的人才培養(yǎng)質(zhì)量。以過程為基礎的教學質(zhì)量管理體系模式如圖1 所示，其中教育成果利益相關者指學生、工業(yè)界、大學教師和社會。

圖1 以過程為基礎的教學質(zhì)量管理體系

2.教學流程標準化

為了保障課程教學質(zhì)量，首先要明確課程的任務和目標，進行課程知識結(jié)構(gòu)分析，形成規(guī)范的教學過程，即課程教學的流程化和規(guī)范化。只有在此基礎上的人才培養(yǎng)，才有根基，才能保證普遍的教學質(zhì)量，進而培養(yǎng)出更多的出類拔萃的人才。

課程流程標準化，是在課程知識分析的基礎上，將現(xiàn)行教學過程的每一個知識點教學環(huán)節(jié)和考核環(huán)節(jié)進行分解，以科學的學習過程和方法為依據(jù)，以學生普遍掌握、兼顧卓越培養(yǎng)為目標，對教學過程進行改善，優(yōu)化教學流程，完成教學任務并培養(yǎng)卓越人才。

流程標準化的作用，主要是把不同教師所積累的教學經(jīng)驗，進行分析整合，并能夠保存下來，使整個教學團隊能夠達到統(tǒng)一的目標，不會因為某一個教師的經(jīng)驗問題，損害一個教學班的教學質(zhì)量。

3.目標明確可量化

當行動有明確的目標，并且能把自己的行動與目標不斷加以對照，清楚地知道自己與目標的距離時，前進的力量就會得到持續(xù)和加強，人就會自覺地克服一切困難，努力達到目標。所以，課程教學教師首先要為學生分解目標并實施管控，做到以下幾點：

（1）梳理大綱，樹立明確的目標，而且這個目標必須是可以具體量化的，不能太空洞。明確的責任意味著學生都知道自己應該學什么、練什么、考核什么，而具體化的目標則能使所有學生都知道應該怎么學。

（2）明確細化目標。確定的教學目標要簡單明了，使學生對其有非常清晰的認識。通過明確學習資料和考核標準，使學生能夠清楚自己的學習任務，避免產(chǎn)生歧義，浪費時間，少走彎路，提高學習能力，同時讓學生獲得高分。

（3）將目標變?yōu)榭闪炕笜?。僅用考試結(jié)果來評價學生的學習水平，是不科學的且不負責任的。課程教學在關注考試結(jié)果和及格率的同時也應非常注重管控的教學流程，注意將目標分解到知識層面和能力層面，形成可量化的細分指標。

（4）明確學生個性化的目標。學生的能力和基礎，對于目標的實現(xiàn)相當關鍵，讓沒有基礎的學生去學習高階知識，等于浪費時間和精力。因此，教師在進行知識分解和教學實施時，必須進行全面的評估，充分考慮每個學生的知識基礎、能力和特長，只有因材施教才能得到理想的收獲。

4.持續(xù)改進方法

CIPP（Context Evaluation、Input Evaluation、Process Evaluation、Product Evaluation）模式是現(xiàn)代主流的教育評估手段，“方案評估最重要的目的不是為了證明，而是為了改進”。對課程教學質(zhì)量管理而言，目的是不斷提高課程教學質(zhì)量的水平。一方面，在每學期一次課程教學周期中，從教學過程和多個考核驗收環(huán)節(jié)中，發(fā)現(xiàn)問題并盡力解決問題，糾正和預防潛在的問題。另一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展和社會對技術(shù)的需求不斷變化，高校要根據(jù)個人和社會的新要求，持續(xù)地改進教學內(nèi)容和過程、提高教學質(zhì)量。

教學質(zhì)量改進的方式有多種，包括培養(yǎng)目標的改變、大綱的修訂、教學目標的提高、教學內(nèi)容的更新等等，還包括教師和學生的教學和學習實踐方式、考核驗收方式等。教學管理人員和教師要對教學質(zhì)量進行評價和反饋，及時修訂完善教學目標，通過持續(xù)改進來保證教學質(zhì)量的不斷提高。

三、單片機課程的教學目標細化

課程教學的目標，必須與行業(yè)和學校的人才戰(zhàn)略方向吻合，滿足專業(yè)人才培養(yǎng)要求，達到課程大綱的教學目標。

人才培養(yǎng)戰(zhàn)略和目標是大方向，課程大綱規(guī)定了基本要求和最低標準，教師應在此基礎上，在整體上、在局部和各個環(huán)節(jié)中，細化教學目標。同時，還應與時俱進，滿足學生探索欲望，通過課程學習獲得成就感；滿足企業(yè)對相關技能的要求；滿足社會對技術(shù)人才的期望。

1.培養(yǎng)方案

《單片機及工業(yè)控制計算機》 屬于本校自動化系的專業(yè)基礎課，在自動化專業(yè)培養(yǎng)方案中，與此相關的內(nèi)容概括如下：

“系統(tǒng)地掌握電路、電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、控制理論、檢測技術(shù)、信息處理、自動控制系統(tǒng)等知識和技能；具備良好溝通協(xié)調(diào)能力、嚴謹工作作風和創(chuàng)新精神；能夠在民用機場及其它自動化領域的運動控制、過程控制、信息處理、信息管理、計算機控制、網(wǎng)絡控制、管理與決策等方面，從事系統(tǒng)開發(fā)、運行、維護和管理等工作的復合型高級工程技術(shù)人才?！?/p>

其要求的知識脈絡如圖2 所示，在電路、數(shù)電課程完成之后，單片機課程是自動化專業(yè)課中的基礎核心課程之一。該課程是后續(xù)7 門課程的學習基礎，很好地掌握單片機原理和基本開發(fā)方法，對于理解和應用傳感器、PLC、自動控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)具有重要作用，同時為進一步理解微機原理、建立感性認識和理性認識、深入理解微機原理奠定基礎。

圖2 自動化專業(yè)單片機前序和后續(xù)課程關系圖

2.課程大綱分析

本校自動化專業(yè)課程《單片機及工業(yè)控制計算機》中，工控機部分內(nèi)容較少，主要內(nèi)容為單片機的原理和應用，其總體要求為：“了解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、各硬件部分的工作原理，著重掌握基于單片機的片上資源和外圍接口的應用設計；掌握單片機的指令功能、編程方法、軟件開發(fā)方法以及開發(fā)流程和常用軟硬件工具；初步了解常用的外圍接口芯片；使學生具有單片機應用系統(tǒng)的研制開發(fā)的基本技能。本課程以目前在我國最為流行的單片機內(nèi)核類型，即Intel 公司的MCS-51 內(nèi)核單片機為范例，全面介紹單片機的特點、工作原理和應用方法，使學生初步掌握一種單片機產(chǎn)品的應用開發(fā)技術(shù)，從而有能力進一步對其它單片機產(chǎn)品的應用系統(tǒng)從事研制和開發(fā)工作。”大綱規(guī)定的教學基本內(nèi)容包括單片機的基本原理、程序設計、接口和外圍電路等，其基本知識體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 單片機課程知識體系圖

3.培訓機構(gòu)的課程目標

目前，社會培訓機構(gòu)專門針對單片機的培訓項目較少，一般為硬件工程師的綜合培訓，以及嵌入式系統(tǒng)的培訓，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 校外培訓機構(gòu)的相關培訓課程

4.企業(yè)單位對單片機開發(fā)人員的基本要求

為了研究企業(yè)對單片機開發(fā)人員的技能要求，從各大招聘網(wǎng)站隨機選擇了一些單片機工程師招聘啟事，摘取其中與單片機課程相關的技術(shù)要求如表2 所示。從表2 中可以看出，其中幾個關鍵知識、技能或開發(fā)經(jīng)驗包括：①單片機系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗；②Protel PCB 設計；③STM32 單片機；④外圍接口電路；⑤C 語言或單片機軟件開發(fā)；⑥ucos 操作系統(tǒng)；⑦團隊協(xié)作精神；⑧電路設計和分析。

表2 隨機選擇的單片機工程師招聘要求

大多數(shù)高校的單片機課程目標可滿足①④⑧，并不能滿足②③⑤⑥⑦，為了滿足企業(yè)對單片機開發(fā)人員的要求，不少高校通過增加有關“嵌入式系統(tǒng)”的課程，以強化和補充上述內(nèi)容。

綜上，單片機課程教學的目標可細化表示為以下幾點。①理解單片機系統(tǒng)的基本原理，可進行單片機應用系統(tǒng)的設計，能分析和解決單片機應用系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題；②具有單片機應用系統(tǒng)的實際開發(fā)經(jīng)驗；③熟悉基本硬件開發(fā)工具：Proteus 仿真、Keil 軟件開發(fā)、Protel PCB 設計；④常用接口和外圍電路：串口、SPI、鍵盤、數(shù)碼管等；⑤單片機軟件開發(fā)：掌握匯編語言程序設計；⑥具有團隊精神，能夠與多人協(xié)作高效完成一個項目；⑦能夠計算和分析單片機應用系統(tǒng)中的電路參量。

5.單片機課程的知識組織

根據(jù)第3 節(jié)教學目標的分析，單片機課程教學核心內(nèi)容包括三個方面，如表3 所示：①單片機的原理；②單片機的匯編語言程序設計；③接口和外圍電路。

表3 單片機課程的知識點列表

（接上表）

對于單片機原理部分的學習過程，以網(wǎng)絡課程、閱讀材料和講授為主，通過寫作業(yè)和簡單的實驗仿真進行學習成果的驗收。

第②部分內(nèi)容，以講授、實驗演示和實驗練習為主要教學手段，強調(diào)學生的動手編程練習，激發(fā)學生動手編程的興趣。核心在于，引導學生入門，使之“敢動手、能調(diào)試、不怕難”。

第③部分，教師在課上以案例為主，實驗演示每個片上資源的使用方式和接口原理。學生閱讀參考資料，完成課后實驗設計，得到預期實驗結(jié)果，進而通過該知識點的考核。該部分內(nèi)容強調(diào)案例簡單明了，參考資料豐富，使學生能夠借鑒成功的單片機應用案例，使之經(jīng)驗豐富、分析能力提高。重點在于，培養(yǎng)學生的軟硬件調(diào)試能力，幫助學生掌握解決軟硬件問題的通用方法。

6.單片機課程教學中的案例設計

在單片機課程教學中，針對重要的和難度大的知識點，進行了案例設計，包括端口操作、中斷、定時器、串口、SPI 接口、并行擴展、按鍵、數(shù)碼管和AD 轉(zhuǎn)換等多個內(nèi)容。每個案例教學中，需明確如下幾項內(nèi)容：

（1）案例教學目標；

（2）案例教學過程，包括講授基本原理、基本實驗演示、設計原則和方法、提出設計要求（最低要求和開放式要求）；

（3）學生思考、設計和實現(xiàn)的過程；

（4）演示和解釋；

（5）指導完善和改進；

（6）最終演示。

四、單片機課程的教學流程和質(zhì)量管理

1.基于學習質(zhì)量的教學進度控制方法

現(xiàn)階段高校教學中存在的一個普遍問題，就是每個學生的學習進度不一致，與教師的教學進度不一致。由于教師講解不透徹、學生預習不到位或者課后作業(yè)完成不及時，導致某次課程中有些學生沒有“跟上”，而這些學生又沒有及時自行補習，隨著教學的不斷深入，“掉隊”的學生越來越多。最糟糕的是，接近教學結(jié)束的時候，整個教學班能聽懂教師講解的學生寥寥無幾。其中最根本的原因，就是教學過程中缺少基于質(zhì)量的進度控制。

為了解決這一問題，設計了基于學習質(zhì)量的教學進度控制方法。先建立一種教學知識學習狀態(tài)圖，在該狀態(tài)圖中，每個學生處于知識點學習狀態(tài)，通過考核后轉(zhuǎn)入新的知識點狀態(tài)，最后達到課程合格狀態(tài)，如圖4 所示。

圖4 教學進度控制狀態(tài)圖

上課前，讓所有學生清楚該課程的狀態(tài)圖、所有節(jié)點的知識點內(nèi)容和考核要求；每次考核驗收后，告知學生所處狀態(tài)，對于沒有通過考核的學生，重點告知其原因。最終未達到目標狀態(tài)的學生，成績評定為不合格。對于每個節(jié)點成績優(yōu)秀的學生，結(jié)合考試成績，上浮最終成績評定。

2.學習質(zhì)量的評估方法

國內(nèi)高校平時出勤和作業(yè)的評價方法一般都比較單一，筆者在實際教學中，采用了多種方式的成績評定方法，如表4 所示。

3.強交互式的在線學習過程

“學習程度”屬性實現(xiàn)了學習內(nèi)容與學習者學習目標之間的對應關系，進而可以根據(jù)學習者的不同需求設計學習內(nèi)容，以確定哪些知識需要學習、哪些知識不需要學習；“閾值”屬性一方面使學習要求可以隨著學習者的目標不同而進行調(diào)整，另一方面在學習過程中能夠充分考慮學習者的掌握程度，以確定是否開始下一部分的學習。

通過明確知識點的各個強交互式屬性值，最終定義了一個個性化的、強交互的學習過程，具體過程如圖5所示。

表4 單片機課程進度考核方式表

圖5 交互式學習過程圖

五、結(jié)論

針對單片機課程教學中理論和實踐能力培養(yǎng)質(zhì)量的控制問題，設計以過程為基礎的教學質(zhì)量控制方法，有利于提高學生單片機應用能力的理論水平和實踐能力。

將基于過程的質(zhì)量控制理論應用于單片機課程教學，實現(xiàn)了課程質(zhì)量控制的過程標準化，明確了教學質(zhì)量控制的原則和方法。通過自動化專業(yè)培養(yǎng)方案、前續(xù)和后續(xù)課程關系的詳細分析，明確了該課程在專業(yè)課程中的地位。結(jié)合教學課程大綱、培訓機構(gòu)的課程目標，以及企事業(yè)單位對單片機開發(fā)人員的要求，明確了單片機課程教學中應把握的目標、知識點和重點案例的設計。設計的基于學習質(zhì)量的教學進度控制方法、質(zhì)量評估方法和強交互式的在線學習方法，有助于實現(xiàn)課程教學全過程的質(zhì)量控制。