“新工科”背景下單片機通識課教學改革

張 蓓 呂建勛 張 靜 荊煦添 宋曉偉

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院， 北京 100191)

單片機課程是一門實踐性綜合性較強的課程，同時單片機也是學生在各項大型競賽中必不可少的工具，因此在各高校工科專業(yè)本科生培養(yǎng)過程中占據(jù)重要的地位。然而，目前大多高校中單片機課程都作為專業(yè)課進行授課，一般面向自動化、電子信息工程等專業(yè)[1-4]。

隨著“新工科”教育概念的提出以及大類招生、學科交叉的政策的推廣[5-6]，課程建設需要進行更新。具體來說，“新工科”教育背景下，國內(nèi)多所高校包括北京航空航天大學開始推行工科專業(yè)大類招生的政策，實行“厚基礎、寬口徑、高素質、強能力”的專業(yè)教育。在這一背景下，專業(yè)課的面向對象不再局限，同時為了鼓勵學科交叉，學生可以自由選課[7-9]。對于單片機課程來說，除了自動化、電子信息專業(yè)，更多專業(yè)(如儀器、航空航天、生物醫(yī)學、經(jīng)管類等)也涉及單片機的學習和使用，單片機應用的學科界限不再明顯，因此將單片機作為一門實踐類通識課進行推廣有助于學科交叉，滿足教育發(fā)展趨勢。而通識實踐課程的建設一方面需要考慮理論和實踐如何融合教學，一方面需要考慮生源來自不同專業(yè)的背景，如何展開高效的單片機通識課程教學是當前需要解決的問題。

以北京航空航天大學開設的“單片機原理與應用”實踐類通識課為例，闡述這類通識類實踐教學課程在教學過程中遇到的問題及解決方案。

1 教學現(xiàn)狀

在北京航空航天大學實行大類招生的背景下，工科專業(yè)分為航空航天大類、信息大類、高等理工學院等，涉及材料、能源、航空、自動化、機械等多個學院和專業(yè)，這些專業(yè)或多或少涉及單片機的知識，因此自動化科學與電氣工程學院的“單片機原理與應用”開放選課權限，面向信息大類、航空航天大類等多個工科專業(yè)學生開設。課程主要傳授單片機原理知識并安排較為基礎的單片機實驗，讓學生“學做結合”，掌握單片機的基礎知識，在之后的專業(yè)學習和科研就業(yè)中有所啟發(fā)。

課程已經(jīng)開設了多年，近年來隨著大類招生和通識類實踐課的普及，選課學生涉及多達17個學院的20余個專業(yè)，由于學生來自不同學院、不同專業(yè)、不同年級，基礎水平差異較大，以往教學中，教學內(nèi)容和考核內(nèi)容均為統(tǒng)一布置，對學生的培養(yǎng)沒有區(qū)分度，教學效果較差，不符合當前“新工科”和“多學科交叉”背景下通識教育的要求。通過對近三年本課程教學環(huán)節(jié)的反思，結合通識教育的培養(yǎng)要求，發(fā)現(xiàn)在授課過程中主要存在以下幾個問題：

1.1 教學規(guī)劃：理論與實踐斷層

以前單片機教學中往往將理論和實踐教學剝離開分別教學。由于通識課中學生專業(yè)基礎不同，對于一些沒有太多微機基礎的學生而言，在沒有接觸單片機時，直接學習理論知識較為抽象(例如寄存器配置等內(nèi)容)，學生對此缺乏最直觀的認知，很容易陷入“自我否定”，認為自己不擅長單片機，同時考慮到單片機作為一門選修課，又沒有太大的學習動力，從而放棄學習[10]。

1.2 內(nèi)容和考核：天花板效應

以往教學中教學內(nèi)容和考核內(nèi)容均為統(tǒng)一布置，對學生的培養(yǎng)沒有區(qū)分度。對部分學生來說，會覺得課程難以上手；而有些基礎較好的學生又會覺得內(nèi)容比較簡單，完成學習任務和實驗安排后不知道該做什么，教學內(nèi)容方面又沒有很明確地指出和規(guī)定下一步學生應該如何自主學習和探索，因此兩種情況下的教學效果都不好[11]。而且傳統(tǒng)的考核方式是由教師出題，學生設計單片機功能解決問題，這種按部就班的考核模式由于要兼顧所有學生的學習水平，設置的考核任務無法給學生留出足夠的自主發(fā)揮空間，學生的能力和思維受“天花板”限制，出現(xiàn)所謂的“天花板”效應。

2 教學改革措施

綜合分析目前單片機課程存在的問題，提出了“分層教學-加權考核”的教學理念，分別從教學內(nèi)容設置和考核方式兩個角度進行改革并在教學實踐中勇敢嘗試，取得很好的教學成效。圖1展示了具體的改革理念與措施?？梢钥闯?，在教學內(nèi)容上，采用了“分層教學”和“螺旋上升”的教學模式，將實驗分為：早期入門感知實驗、入門后的“基礎實驗”、進一步提升學生水平的“進階實驗”，以及發(fā)揮高年級學生尤其是“雙一流”重點大學學生基礎優(yōu)勢的“拓展實驗”，供不同年級、不同專業(yè)、不同水平學生來學習和參考。

2.1 分層教學

為了解決理論與實踐的斷層問題，以及針對學生先驗知識水平不同的現(xiàn)狀，提出“分層教學”的措施，具體體現(xiàn)為對教學方式和實驗內(nèi)容的分層。

1)教學方式

區(qū)別于傳統(tǒng)的理論與實驗割裂的教學規(guī)劃，如圖1所示，通過理論與實踐穿插、螺旋遞進的方式進行教學。每個階段都是實驗與理論結合進行。先由簡單實驗入門引出簡單原理，再由簡單原理過渡到基礎實驗與原理，原理與實驗穿插設置，難度與知識層次螺旋上升。整體采用“實踐-理論-深入實踐”的方式與結構，先讓學生跟著做，然后再剖析現(xiàn)象背后的原理，最后提出新的任務讓學生分組完成。通過“螺旋遞進”的教學規(guī)劃，學生能夠更好地將理論知識與實踐相結合，不會產(chǎn)生教學上的斷層[12]。同時，分層教學和螺旋遞進的方式，能夠很好地幫助學生建立自信心，使其覺得“原來單片機這門課很簡單，我能夠輕松學會”，激發(fā)學生的自主學習熱情。同時“螺旋遞進”的模式解決了常規(guī)教學模式中理論教學和實驗教學環(huán)節(jié)脫節(jié)的問題，讓學生一步一步進行深入學習，極大地提升教學效果和培養(yǎng)水平。

2)實驗內(nèi)容設置

如圖1所示，將具體實驗內(nèi)容分為四個階段，分別為入門實驗，基礎實驗，進階實驗和拓展實驗，具體如下：

(1)先進行兩個簡單且直觀的“入門實驗”，讓學生對單片機的工作原理和模式有個直觀的直覺認知,一般為較為簡單的“點亮LED燈”“點亮數(shù)碼管”。 這兩個實驗都非常直觀(學生肉眼即可以直接看到控制效果)，而且兩個實驗的例程一般單片機開發(fā)板都包括，學生在幾乎不需要理論基礎(如ARM架構、寄存器設置)以及很強的編程能力的情況下，通過簡單的0/1修改即可完成。

(2)之后，采用“先基礎知識-再基礎實驗”的模式，讓學生在直觀感知的基礎上，掌握簡單的單片機入門知識并學會操作。這里，增加了簡單的單片機架構、簡單的寄存器定義和設置等理論方面的介紹，而且在這部分的實驗設置中，學生除了直接在例程代碼中修改0/1，還需要寫簡單的寄存器定義/設置、for/while/switch循環(huán)等代碼。這部分的實驗主要包括：矩陣鍵盤實驗、中斷實驗、按鍵-LED實驗等。

(3)隨著進入進階實驗階段，同樣由理論和實驗組成，內(nèi)容涉及PWM、ADC等較為復雜的知識。到了這一階段，學生除了完成安排的實驗內(nèi)容，需要對單片機架構、寄存器定義、外圍電路設計與控制、PWM和ADC等功能的數(shù)學/物理定義及常見的應用場景等內(nèi)容進行掌握。至此，對于低年級以及對單片機要求不高的學科/專業(yè)的學生來說，即完成了本門課的學習。在此設置了全體學生的答辯環(huán)節(jié)，包括他們對本門課相關理論知識的理解和掌握、簡單例程的理解和編寫、稍復雜功能的實現(xiàn)(需要講明用到哪些寄存器/具體用到哪一位/如何設置等內(nèi)容)。

(4)在拓展階段，鼓勵學生自由發(fā)揮，自主選擇給定的實驗題目或自擬題目。這部分對于低年級的學生或者專業(yè)要求不高的學生來說，不強制要求，鼓勵學生完成；而對于電類尤其是自動化/電氣工程等專業(yè)的學生來說，屬于其常規(guī)考核的內(nèi)容，尤其是自主選題(有難度的要求)有額外的加分。常用的題庫包括：簡單密碼鎖的設計、簡易計算器的設計、簡易電子琴的設計等。這幾年學生積極進行探索，提出的部分自擬題目，很好地豐富了題庫，例如增加了濕度傳感器、溫度傳感器、光強傳感器等外圍，在此基礎上開發(fā)了“白天及夜間的紅綠燈自動控制系統(tǒng)”，完成度非常好；而且學生積極進行組間合作，用2塊單片機甚至3～4塊單片機合作開發(fā)了“自動售票系統(tǒng)”，展示效果非常好，極大地提升了課程的實踐性。

圖1 教學改革措施

2.2 加權考核

傳統(tǒng)“一刀切”的考核方式類似于考試答題：在最后的大作業(yè)環(huán)節(jié)由教師給出題目，學生在考試范圍內(nèi)進行作答。這種考核方式在某種程度上固然可以檢測出不同學生對于所學知識的掌握程度，但也限制了學生的發(fā)揮空間，如圖2所示，學生無法突破自身思維和能力的 “天花板”，部分優(yōu)秀的學生因此會喪失探索的動力與興趣，無法得到充分展示的空間。

圖2 “加權”考核V.S.“按部就班”考核

為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與自主探索能力，鼓勵其打破能力的“天花板”，課程提出“加權考核”的考核方式(如圖1、2)。在最后的大作業(yè)環(huán)節(jié)中，學生可以在給出的參考題目中自行選取進行設計，也可以自主調(diào)研發(fā)現(xiàn)問題、自擬題目解決問題。在考核過程中，加入對所選題目難度的考察，對于自擬題目的同學，加大考核的權重；為了避免學生由于“畏縮”而選擇簡單題目，同時，采取了如下的措施：對于自擬題目后沒有完成全部的預定設計目標，也酌情提高其分數(shù)，給予學生自由發(fā)揮的空間。

與改進前的“按部就班”考核相比，“加權”考核評價指標更全面。具體地，如圖2所示，以往考核方式主要考察學生對課堂知識的掌握程度以及接收-運用知識的能力；而改進后的考核模式在此基礎上加入對學生如何自主探索和提出問題、設計方案和解決問題的考察。

3 教學案例

在2020年春/秋季教學中對該教學改革理念進行了實踐。這里以改進前后兩個教學案例——密碼鎖的設計(常規(guī)簡單實驗題目案例)與自動售票系統(tǒng)(自主擬題案例)的設計為例，介紹改進前后教學模式的效果(如圖3)。2.2節(jié)提到改進前的教學模式留給學生自主發(fā)揮的空間比較有限，而改進后的教學模式中，學生能夠跨過課堂知識的門檻主動繼續(xù)前行，突破自身思維和能力的天花板。3.1節(jié)以參考題目中一道較為簡單的考核題目——密碼鎖設計為例，說明改進前的教學效果確實存在局限性，學生思路也被限制，留給學生的自主發(fā)揮空間較?。欢?.2節(jié)以自動售票系統(tǒng)為例展示改進后的教學效果，通過自動售票系統(tǒng)的設計可以看出改進后的教學模式不僅促進了學生學習的主動性，且留給學生自主發(fā)揮的空間較大，幫助學生打破了課堂“天花板”，使得有潛力的學生脫穎而出。

3.1 改進前教學模式

在以往的考核過程中，為了照顧大多數(shù)學生的需求，尤其是專業(yè)基礎知識較薄弱的學生，我們給出難度并不高的綜合類實驗題目供學生完成。密碼鎖是其中的一道題目，也是歷屆學生選擇最多的，此外還有溫度傳感器的實現(xiàn)、計數(shù)器等。這類題目主要是為了使學生對課堂上已經(jīng)講過的知識以及做過的實驗融會貫通。

以2019年秋季選課學生的密碼鎖設計作業(yè)為例，其設計目標與主要涉及的知識點如圖3(a)所示，學生需要完成如下兩個任務：

1)按鍵輸入密碼

這一任務利用了按鍵功能。

2)顯示密碼判別結果

與初始設置密碼對比，若輸入正確，則顯示“PASS”，若輸入錯誤，則顯示“FAIL”，利用了數(shù)碼管顯示功能。

圖3(b)為學生的設計作業(yè)測試圖，可以看出密碼鎖設計不需要在單片機開發(fā)板上進行額外的電路設計，僅使用單片機開發(fā)板上的矩陣鍵盤與四位數(shù)碼管即可完成設計，而這部分內(nèi)容是教學中已經(jīng)涉及的。通過設計密碼鎖，學生能夠對以往學到的知識有一個總結之后再領會的過程，也能使學生初步掌握設計一個小項目的流程，教師通過測試每個學生的實驗結果就能了解到學生對所學課堂知識的掌握程度。但由于設計目標比較簡單、涉及的知識點較少，且都在以往的實驗中進行過練習，使得學生的發(fā)揮空間較小，軟件和硬件方面能得到的訓練較少，不同組學生間進行交流討論后得到的設計思路大多相同，學生參與度較少。

3.2 改進后考核模式

改進后的考核模式不固定考核題目與具體要求，鼓勵學生自主探索與自主設計；鼓勵學生從生活中選題，通過調(diào)研和觀察生活中的一些問題自主擬題，跳出現(xiàn)有固定課題的框架、大膽創(chuàng)新。采用這樣的考核模式，學生自主選題的生活化、實用性更強。例如，2020年秋季教學中荊煦添、宋曉偉同學提出“公交售票系統(tǒng)”的題目；曾明棟、賈凌一同學提出“光控紅綠燈系統(tǒng)”的題目，均以生活中實際問題相關。這里以前者為例，介紹其實現(xiàn)過程。

2020年秋季教學中，儀器光電學院的荊熙添與宋曉偉同學組隊合作，通過單片機的通信功能聯(lián)合兩個單片機，自擬了“公交售票系統(tǒng)”的題目，二人通過自主調(diào)研，明確公交售票系統(tǒng)的功能，并且經(jīng)過分析將課題分解為一個個小任務，如圖3(a)所示，該課題包括：

1)獲取起始站和終點站：

這一任務利用了按鍵功能。

2)顯示起始站和終點站

這里通過數(shù)碼管數(shù)字顯示。

3)單片機通訊

在第一個單片機獲取站臺信息的同時將信號傳遞給第二個單片機，使其開始計時。

4)顯示倒計時

這一任務利用了定時器功能。

具體實現(xiàn)方式及工作流程如圖3(c)所示。在第一個單片機中通過按鍵輸入當前站臺或終點站臺，以數(shù)字“0～9”表示站臺范圍，數(shù)碼管顯示對應數(shù)字。例如圖中顯示輸入起點為“6”時的現(xiàn)象。在輸入站臺信息的同時，通過設定好的協(xié)議，上方單片機將信號發(fā)送到下方單片機中，下方單片機從“20”s開始倒計時，模擬系統(tǒng)自動計時功能。若時間到用戶仍未輸入站臺信息，則系統(tǒng)初始化；若已站臺輸入信息，則計時中斷，上方單片機顯示需要支付的金額。

圖3 改進前后教學效果展示(分別以2019年秋季、2020年秋季選課學生的作業(yè)為例)(a) 改進前后考核對比；(b) 改進前實驗展示(密碼鎖，2019年秋季選課學生作業(yè)展示)；(c) 改進后實驗展示(公交售票系統(tǒng)，2020年秋季選課學生荊煦添、宋曉偉同學作業(yè)展示)

3.3 兩種考核模式的總結

圖3(a)展示了兩種考核方式的考核點對比。密碼鎖(簡單實驗題目考核)考核了學生對較為基礎的功能(按鍵、數(shù)碼管顯示)的掌握程度，培養(yǎng)了學生的基礎知識運用能力。而公交售票系統(tǒng)(自主擬題考核)，除了對基礎知識的運用能力外，更突出考察了對拓展知識的運用能力以及合作能力。上述案例表明采用改革后的教學模式，優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾點：

1)自主學習能力

培養(yǎng)了學生獨立完成一個較為綜合的項目化課題的能力，鼓勵學生自主調(diào)研、自主設計方案并實現(xiàn)課題；

2)“學以致用”能力

考察了學生“學以致用”的能力，讓學生能解決實際生活中使用單片機進行控制的問題；

3)協(xié)同合作

鼓勵學生協(xié)同合作，尤其在內(nèi)卷化嚴重的時期，讓學生能各自發(fā)揮所長，從而實現(xiàn)“1+1>2”的效果，總體完成度很好。

4 結語

為滿足“新工科”教育以及大類招生的要求，開設面向多個工科專業(yè)的實踐類通識課成為新的趨勢。以北京航空航天大學開設的“單片機原理與應用”課程為例，闡述了教學遇到的問題及解決措施。指出了教學面臨的兩大問題：①理論與實踐的斷層；②統(tǒng)一的教學和考核造成“天花板”效應。針對這兩個問題，提出了“分層教學-加權考核”的教學理念和考核措施，并在2020年春/秋兩季教學中予以實踐。分別展示了改革前(密碼鎖)和改革后(公交售票系統(tǒng))的學生實驗案例，通過對其進行分析，表明了所提出的教學理念培養(yǎng)了學生的綜合設計能力、學以致用能力以及相互協(xié)作能力，獲得了非常不錯的教學效果，為實踐類通識課的教學提供了一種新的模式，可在未來推廣應用。