四元教學(xué)設(shè)計(jì)在單片機(jī)課程中的應(yīng)用

金珍珍

摘 要：文章通過對(duì)四元教學(xué)設(shè)計(jì)的研究，從綜合工作任務(wù)確定、學(xué)習(xí)任務(wù)類別設(shè)計(jì)等方面闡述了其在單片機(jī)課程的實(shí)施。通過實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐，基于四元教學(xué)設(shè)計(jì)的教學(xué)相比傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生更容易實(shí)現(xiàn)知識(shí)和能力的遷移，值得進(jìn)一步的推廣。

關(guān)鍵詞：四元教學(xué)設(shè)計(jì);單片機(jī);學(xué)習(xí)任務(wù)

1.引言

單片機(jī)課程是電類相關(guān)專業(yè)的主要核心課程，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。它面向的崗位是單片機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)。在現(xiàn)實(shí)中，單片機(jī)產(chǎn)品多種多樣，不同的功能、不同的實(shí)現(xiàn)方式、不同的成本等限制性因素，對(duì)設(shè)計(jì)者來說難易程度也各有不同。如何通過該課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生從一名初學(xué)者向設(shè)計(jì)熟手轉(zhuǎn)變，能把所學(xué)的知識(shí)有效遷移到新的學(xué)習(xí)情境中，是當(dāng)前教師需要認(rèn)真思考和解決的問題。經(jīng)過前期企業(yè)調(diào)研、實(shí)踐專家訪談、提取典型工作任務(wù)等一系列活動(dòng)，文章以四元教學(xué)設(shè)計(jì)模型為指導(dǎo)，詳細(xì)闡述了其在單片機(jī)課程中的應(yīng)用研究。

2.四元教學(xué)設(shè)計(jì)的必要性

四元教學(xué)設(shè)計(jì)是指基于學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的一種處方性教學(xué)設(shè)計(jì)方法，它遵從人的認(rèn)知架構(gòu)模型，對(duì)改進(jìn)教學(xué)效能、聚焦復(fù)雜學(xué)習(xí)、實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移等均有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)以知識(shí)框架為脈絡(luò)，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)后面向?qū)嶋H工作任務(wù)時(shí)往往無從下手，無法實(shí)現(xiàn)知識(shí)和技能的有效遷移。而解決上述問題的有效辦法是聚焦基于真實(shí)、完整的工作任務(wù)，通過完整的任務(wù)來整合知識(shí)、技能與態(tài)度，促進(jìn)知識(shí)的遷移。一個(gè)完整的工作任務(wù)好比一顆大樹，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)把這顆大樹分成很多部分呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中掌握了分離的這些部分，卻不能把它們合成一顆大樹。而綜合學(xué)習(xí)最初以一顆小樹的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，小樹越來越大，學(xué)生可以通過這些樹來實(shí)現(xiàn)有效的遷移。

3.四元教學(xué)設(shè)計(jì)在單片機(jī)課程中的應(yīng)用

（1）綜合工作任務(wù)確定與描述

“單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)”是電氣設(shè)計(jì)人員依據(jù)客戶的需求，利用設(shè)計(jì)平臺(tái)和設(shè)計(jì)工具進(jìn)行單片機(jī)產(chǎn)品軟硬件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)工作，需要充分考慮客戶的成本要求、功能要求等因素，收集相關(guān)資料，擬定設(shè)計(jì)方案，估算產(chǎn)品成本，并報(bào)送客戶確認(rèn)。待客戶確認(rèn)后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)硬件電路圖，編寫軟件程序，不斷通過仿真軟件進(jìn)行測(cè)試，并調(diào)整器件參數(shù)直至滿足客戶的各方面需求，再根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖，利用合適的電工工具和焊接設(shè)備安裝電路并測(cè)試功能和參數(shù)指標(biāo)，最后形成符合客戶需求的單片機(jī)產(chǎn)品，撰寫產(chǎn)品說明書，結(jié)算產(chǎn)品成本，并把所有資料整理歸檔。

（2）學(xué)習(xí)任務(wù)類別設(shè)計(jì)

①確定限定性因素

根據(jù)實(shí)踐專家反饋，結(jié)合單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)中的典型工作任務(wù)，影響單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的難易程度主要由功能數(shù)量、參數(shù)精度、功能類別、成本等因素決定，各因素按照從易到難排列，功能數(shù)量可表示為單一、2-3個(gè)、N個(gè);參數(shù)精度可表示為無、有一定要求、有嚴(yán)格要求;功能類別可表述為簡(jiǎn)單、較復(fù)雜和復(fù)雜等;成本可分為無要求、有寬泛要求和有嚴(yán)格要求。

②學(xué)習(xí)任務(wù)類別設(shè)計(jì)

根據(jù)上述限定性因素，單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)任務(wù)類別設(shè)計(jì)分為以下9類：

（a）單片機(jī)產(chǎn)品功能數(shù)量單一，參數(shù)精度無要求，功能類別簡(jiǎn)單，成本無要求。

（b）單片機(jī)產(chǎn)品功能數(shù)量單一，參數(shù)精度有一定要求，功能類別簡(jiǎn)單，成本有寬泛限制。

（c）單片機(jī)產(chǎn)品功能數(shù)量單一，參數(shù)精度有嚴(yán)格要求，功能類別簡(jiǎn)單，成本有嚴(yán)格限制。

（d）單片機(jī)產(chǎn)品具有2-3個(gè)功能，參數(shù)精度無要求，功能類別較復(fù)雜，成本無限制。

（e）單片機(jī)產(chǎn)品具有2-3個(gè)功能，參數(shù)精度有一定要求，功能類別較復(fù)雜，成本有寬泛限制。

（f）單片機(jī)產(chǎn)品具有2-3個(gè)功能，參數(shù)精度有嚴(yán)格限定要求，功能類別較復(fù)雜，成本有嚴(yán)格限制。

（g）單片機(jī)產(chǎn)品功能3個(gè)以上，參數(shù)精度無要求，功能類別較復(fù)雜，成本無限制。

（h）單片機(jī)產(chǎn)品功能3個(gè)以上，參數(shù)精度有一定要求，功能類別較復(fù)雜，成本有寬泛限制。

（i）單片機(jī)產(chǎn)品功能3個(gè)以上，參數(shù)精度有嚴(yán)格要求，功能類別復(fù)雜，成本有嚴(yán)格限制。

根據(jù)學(xué)情、學(xué)時(shí)和課程所要達(dá)到的目標(biāo)，從上述9個(gè)類別中選取了3類學(xué)習(xí)任務(wù)作為該課程的學(xué)習(xí)任務(wù)類別。

（a）客戶要求設(shè)計(jì)的單片機(jī)產(chǎn)品功能數(shù)量單一、參數(shù)精度無要求、功能類別簡(jiǎn)單，成本無限制。

（b） 客戶要求設(shè)計(jì)的單片機(jī)產(chǎn)品具有2-3個(gè)功能、參數(shù)精度有一定的要求、功能類別較復(fù)雜，成本有寬泛的限制。

（c）客戶要求的單片機(jī)產(chǎn)品功能具有2-3個(gè)功能、參數(shù)精度有嚴(yán)格要求，功能類別復(fù)雜，成本有嚴(yán)格限制。

③學(xué)習(xí)任務(wù)子類別設(shè)計(jì)

類別1：客戶要求設(shè)計(jì)的單片機(jī)產(chǎn)品功能數(shù)量單一、參數(shù)精度無要求、功能類別簡(jiǎn)單，成本無限制。

1.1學(xué)習(xí)者對(duì)已經(jīng)完成的單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料（設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試等過程）進(jìn)行學(xué)習(xí)和模仿，并上機(jī)仿真操作，完成后進(jìn)行參數(shù)精度核算并文檔整理。

1.2向?qū)W習(xí)者提供案例學(xué)習(xí)，并布置相似案例要求學(xué)習(xí)者模仿完成設(shè)計(jì)方案確定、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并上機(jī)仿真操作，完成后進(jìn)行成本核算并文檔整理。

1.3學(xué)習(xí)者根據(jù)給定的設(shè)計(jì)功能，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試，完成后進(jìn)行成本核算并文檔整理。

類別2：客戶要求設(shè)計(jì)的單片機(jī)產(chǎn)品具有2-3個(gè)功能、參數(shù)精度有較寬的要求、功能類別較復(fù)雜，成本有寬泛限制。

2.1向?qū)W習(xí)者提供相似案例學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者根據(jù)已經(jīng)完成的單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行繪圖、編程、仿真及測(cè)試，完成后進(jìn)行成本核算并文檔整理。

2.2學(xué)習(xí)者根據(jù)已經(jīng)完成的單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行繪圖、編程、仿真及測(cè)試，完成后進(jìn)行成本核算并文檔整理。

2.3學(xué)習(xí)者自己獨(dú)立完成設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行繪圖、編程、仿真及測(cè)試，完成后進(jìn)行成本核算并文檔整理。

類別3：客戶要求的單片機(jī)產(chǎn)品具備2-3個(gè)功能、參數(shù)精度有嚴(yán)格控制，功能類別復(fù)雜，成本有嚴(yán)格限制。

3.1學(xué)習(xí)者根據(jù)已經(jīng)完成的具備2-3個(gè)功能、功能類別復(fù)雜的單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)戰(zhàn)演練，完成后進(jìn)行成本核算并文檔整理。

3.2學(xué)習(xí)者獨(dú)立完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行繪圖、編程、仿真及測(cè)試，并進(jìn)行成本結(jié)算和整理歸檔。

4.小結(jié)

通過四元教學(xué)在單片機(jī)課程中的應(yīng)用，教學(xué)設(shè)計(jì)過程中綜合工作任務(wù)從簡(jiǎn)單到難，從高支持到低支持再到獨(dú)立完成，學(xué)生對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用能力有了進(jìn)一步的提升，能有效地從一個(gè)學(xué)習(xí)情境遷移到另一個(gè)學(xué)習(xí)情境。但是也存在一定的問題，由于課程學(xué)時(shí)的限制和學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)的差異，這種教學(xué)模式在不同班級(jí)不同學(xué)生身上產(chǎn)生的差異性比較明顯，教學(xué)設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的研究和完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]杰倫·J.G.范梅里恩伯爾，保羅·A.基爾希納.學(xué)習(xí)科學(xué)和教學(xué)設(shè)計(jì)背景下的“四元教學(xué)設(shè)計(jì)模式”.開放學(xué)習(xí)研究.2019.6.

[2]曹利云.四元教學(xué)法在單片機(jī)教學(xué)中的探索與實(shí)踐.職業(yè).2018.4.

（作者單位：臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）