基于CDIO理念下《單片機(jī)原理與應(yīng)用》核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)研究

康之訥　徐陶祎

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，單片機(jī)系統(tǒng)在人類社會(huì)中的應(yīng)用變得越來越廣泛?！秵纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用》作為單片機(jī)系統(tǒng)的主要專業(yè)課程，一直是各大高等院校電類專業(yè)的主干課程。該課程要求學(xué)生對(duì)單片機(jī)的硬件組成、原理有一定的了解，同時(shí)需要掌握相關(guān)軟件、指令及編程相關(guān)的知識(shí)。教學(xué)過程中，重點(diǎn)、難點(diǎn)較多，理論與實(shí)踐、硬件與軟件的結(jié)合不夠緊密等問題容易導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)缺乏興趣、難以掌握的情況。本文結(jié)合作者長(zhǎng)期的課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探討該課程的核心素養(yǎng)，并結(jié)合CDIO理念改進(jìn)教學(xué)方法并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，起到了提高教學(xué)效果的作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用 核心素養(yǎng) CDIO

Research on the Teaching Design of Core Literacy of "Single Chip Microcomputer Principles and Applications" Based on the CDIO Concept

Kang Zhine Xu Taoyi

Abstract：With the rapid development and progress of computer and information technology， the application of single-chip microcomputer systems in human society has become more and more extensive. "Principle and Application of Single Chip Microcomputer" as the main professional course of single chip microcomputer system， has always been the main course of electrical majors in universities. This course requires students to have a certain understanding of the hardware composition and principles of single-chip microcomputers， as well as knowledge of related software， instructions and programming. In the teaching process， there are many key points and difficulties， and problems such as insufficient integration of theory and practice， hardware and software can easily lead to students' lack of interest and difficulty in grasping. This article combines the author's long-term course teaching experience， explores the core qualities of the course， and combines the CDIO concept to improve teaching methods and apply them to practical teaching， which has played a role in improving teaching effects.

Key words：principle and application of single chip microcomputer， core quality， CDIO

1 引言

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》是一門典型的硬件、軟件并重的課程。課程學(xué)習(xí)過程中，要求學(xué)生既要對(duì)CPU、存儲(chǔ)器、I/O口、中斷等硬件的原理有充分的了解，又要熟練掌握使用對(duì)應(yīng)硬件資源時(shí)的指令與編程方式。正是基于以上這個(gè)特點(diǎn)，作者在教學(xué)過程中所接觸的教材大多采用匯編語言及C語言兩種編程語言同時(shí)進(jìn)行單片機(jī)編程教學(xué)。其中匯編語言更貼近單片機(jī)的工作原理，能夠加深學(xué)生對(duì)硬件工作過程的理解;C語言作為學(xué)生必修的前置課程，更貼近自然語言與邏輯，突出了對(duì)外部工作過程的描述，便于學(xué)生掌握對(duì)單片機(jī)相應(yīng)資源的控制[1]?！秵纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用》同時(shí)也是一門對(duì)理論與實(shí)踐相結(jié)合要求比較高的課程。該課程的規(guī)劃中，實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)占據(jù)了比較大的比重。無論是使用模擬仿真軟件進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的練習(xí)，還是進(jìn)行單片機(jī)實(shí)物操作練習(xí)，都對(duì)學(xué)生掌握該門課程的重要內(nèi)容起到了至關(guān)重要的作用。

除了高等院校提供的相關(guān)課程，一些培訓(xùn)、線上教學(xué)也涵蓋了與單片機(jī)相關(guān)的內(nèi)容。結(jié)合二者來看，高等院校在該課程的教學(xué)中，容易出現(xiàn)理論、實(shí)踐脫節(jié)的情況，即所學(xué)的知識(shí)并沒有為實(shí)際應(yīng)用中需要掌握的能力提供相應(yīng)的支持;而培訓(xùn)、線上教學(xué)容易出現(xiàn)原理性內(nèi)容掌握不牢靠的情況，從而影響學(xué)生更深層次的發(fā)展。作為長(zhǎng)期從事該門課程教學(xué)的教師，從高等院校教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)來看，需要結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，從學(xué)生未來從事相關(guān)行業(yè)所需要具備的能力出發(fā)，基于該課程的核心素養(yǎng)針對(duì)性的提出改進(jìn)方法。

2 《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程的核心素養(yǎng)

一門課程的核心素養(yǎng)是指學(xué)生通過在學(xué)校內(nèi)接受該課程的對(duì)應(yīng)教育后，所形成的解決該課程相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)問題的素養(yǎng)與能力。這種素養(yǎng)與能力應(yīng)涵蓋扎實(shí)的理論知識(shí)積累、解決實(shí)際問題的方式方法、遇到復(fù)雜問題后的自我探究與學(xué)習(xí)的能力等諸多良好素質(zhì)[2]。以側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生未來在單片機(jī)相關(guān)領(lǐng)域解決專業(yè)問題的素養(yǎng)與能力為出發(fā)點(diǎn)，并結(jié)合上文對(duì)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程的特點(diǎn)分析可知，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的過程中應(yīng)具備的核心素養(yǎng)可以概括為：掌握足夠的單片機(jī)硬件原理、編程等相關(guān)知識(shí)及學(xué)習(xí)方法以具備設(shè)計(jì)能夠解決實(shí)際問題的單片機(jī)系統(tǒng)的能力。這就要求該課程在進(jìn)行教材編寫、課程設(shè)計(jì)時(shí)，將理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合的更加緊密，同時(shí)兼顧硬件原理、編程等相關(guān)知識(shí)的傳授。

3 CDIO教學(xué)模式簡(jiǎn)介

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），遵循產(chǎn)品從研發(fā)到投入運(yùn)行的流程，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)，是一種非常符合上文中所探討的關(guān)于《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的核心素養(yǎng)的教育模式[3]。本人在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)的興趣普遍高于對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。一種可行的方案為：以實(shí)踐環(huán)節(jié)為整個(gè)課程的出發(fā)點(diǎn)，以教材中的引例為知識(shí)的切入點(diǎn)，教師將理論知識(shí)貫穿其中，引導(dǎo)學(xué)生完成單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決引例中提出的實(shí)際問題。整個(gè)教學(xué)過程可簡(jiǎn)要分為如下幾個(gè)步驟：（1）課程開始時(shí)以動(dòng)手實(shí)踐的方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣;（2）設(shè)計(jì)難度適當(dāng)?shù)膶?shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思解決問題的方法（在這個(gè)過程中學(xué)生會(huì)意識(shí)到相關(guān)理論知識(shí)的缺乏）;（3）由教師結(jié)合實(shí)例講解對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn);（4）學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)并基于之前實(shí)踐所得（單片機(jī)實(shí)物開發(fā)板或模擬仿真軟件）將該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，解決之前提出的實(shí)際問題。

4 CDIO模式在《單片機(jī)原理與應(yīng)用》教學(xué)中的應(yīng)用

以作者承擔(dān)的《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程為例，該課程的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容要求學(xué)生將一款51系列單片機(jī)的開發(fā)板散件焊接完成后，配以一系列的輸入、輸出模塊，解決了一些具有針對(duì)性的實(shí)際問題，簡(jiǎn)要模擬了實(shí)際生活中單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程。下面以講解單片機(jī)I/O口的操作的教學(xué)過程舉例來簡(jiǎn)要說明一下CDIO模式在該課程中的應(yīng)用。

（1）學(xué)生完成了電路原理、C語言等前置課程的學(xué)習(xí)，并具備了一定的電路板焊接能力。該課程的開始階段，每?jī)晌粚W(xué)生組成一個(gè)小組，共同完成一款51系列單片機(jī)開發(fā)板散件的焊接，如圖1所示。其間教師簡(jiǎn)要介紹各部分的功能和原理，該開發(fā)板包含51系列單片機(jī)所需要的外圍電路和一些基本輸入/輸出（5個(gè)按鍵、8個(gè)LED小燈等），便于進(jìn)行接下來的教學(xué)安排。學(xué)生在焊接過程中，對(duì)硬件電路的組成及其原理有了基本的了解，同時(shí)產(chǎn)生了進(jìn)一步學(xué)習(xí)和使用單片機(jī)的興趣。

（2）以I/O口的操作為例，教師給出的引例為：請(qǐng)同學(xué)們?yōu)橐婚g超市設(shè)計(jì)一款安裝在入口處的設(shè)備，每當(dāng)有顧客進(jìn)門，就給出適當(dāng)?shù)奶崾疽?。隨后教師簡(jiǎn)要介紹可供參考的傳感器、蜂鳴器等設(shè)備的相關(guān)信息，學(xué)生分組構(gòu)思并討論可行的方案。

（3）在這個(gè)實(shí)例的設(shè)計(jì)過程中，核心知識(shí)點(diǎn)是I/O口的操作，即如何讀取指定的輸入端口的信號(hào)與如何在指定的端口輸出正確的信號(hào)。附加的知識(shí)點(diǎn)（其中某些知識(shí)點(diǎn)在之前的引例中曾涉及過）包括輸入/輸出設(shè)備的接線方式、通信方式、分支程序設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)，教師應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行安排。由于學(xué)生普遍具備C語言編程的基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中，可適當(dāng)側(cè)重匯編語言程序設(shè)計(jì)的講解，便于加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)硬件資源的理解。在此基礎(chǔ)上，再使用C語言進(jìn)行程序改寫，學(xué)生的掌握程度普遍較好。

（4）搭建完成的系統(tǒng)如圖2所示：其中左上角為避障傳感器，可以檢測(cè)到指定范圍內(nèi)存在物體遮擋;右下角為蜂鳴器，可以根據(jù)需求輸出特定聲音提示。學(xué)生在完成單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并調(diào)試成功后，可以將樣機(jī)嘗試安裝在適當(dāng)位置，以進(jìn)一步調(diào)試設(shè)備的運(yùn)行效果，并給出可行的改進(jìn)方案。指導(dǎo)教師根據(jù)每一組學(xué)生的完成程度進(jìn)行打分，也可以在課堂上進(jìn)行作品展示，有助于小組之間交流溝通、相互學(xué)習(xí)。此外，相同的原理可應(yīng)用于設(shè)計(jì)其他場(chǎng)景下的同類型智能設(shè)備，如：公共廁所自動(dòng)沖水裝置、自動(dòng)水龍頭、自動(dòng)烘手機(jī)、簡(jiǎn)易倒車?yán)走_(dá)等，指導(dǎo)教師可以根據(jù)課堂需求增加實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、課后練習(xí)、項(xiàng)目考核等環(huán)節(jié)，以求達(dá)到使學(xué)生能夠獨(dú)立進(jìn)行原理設(shè)計(jì)、傳感器選型、完成系統(tǒng)搭建等項(xiàng)目設(shè)計(jì)相關(guān)環(huán)節(jié)的目的。

在這種模式的教學(xué)理念下，學(xué)生在課程開始階段就能產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，讓自己精心焊接的開發(fā)板“跑”起來是他們最大的目標(biāo);知識(shí)點(diǎn)不再是空洞乏味的概念，而是解決實(shí)際問題的武器：掌握了單片機(jī)I/O口的操作方式，就能為超市設(shè)計(jì)有實(shí)用價(jià)值的小設(shè)備;課堂中，對(duì)未來從事相關(guān)工作可能面對(duì)的工作過程有了大致的了解，同時(shí)提前培養(yǎng)了分工協(xié)作、團(tuán)隊(duì)合作的能力。總體來說，這一過程不僅是對(duì)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》一門課程的深入學(xué)習(xí)，更是對(duì)學(xué)生全面素養(yǎng)的整體提升。

5 總結(jié)

由上文分析可知，將CDIO理念應(yīng)用于《單片機(jī)原理與應(yīng)用》核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)之中，能夠起到提高教學(xué)效果的作用。與此同時(shí)，這種教學(xué)方式對(duì)教材的編寫、課程的安排提出了很高的要求。例如教師給出的引例（或教材給出）應(yīng)經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)，以求達(dá)到新知識(shí)點(diǎn)的引入由易到難，舊知識(shí)點(diǎn)適當(dāng)重復(fù)出現(xiàn)達(dá)到鞏固的目的，切忌隨意穿插章節(jié)，不利于學(xué)生形成良好的知識(shí)體系。高校在培養(yǎng)學(xué)生的過程中，應(yīng)重視每一門課程的核心素養(yǎng)，采用合理的教學(xué)模式，提高教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生全面進(jìn)步。

基金項(xiàng)目：

2019年度地方高校省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（No.S201913235005）

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