基于OBE理念的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)創(chuàng)新與實(shí)踐

孫駟洲，孟 櫻，陸華才

（安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

為促進(jìn)我國盡快邁向工程教育強(qiáng)國，教育部啟動(dòng)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)是國家級(jí)特色專業(yè)，2013 年開始實(shí)施國家級(jí)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在培養(yǎng)適應(yīng)企業(yè)需求的工程專業(yè)技術(shù)人才，并將成果導(dǎo)向教育（OBE）理念引入人才培養(yǎng)過程，2019年通過教育部專家組的專業(yè)認(rèn)證考核.OBE理念以工程專業(yè)技術(shù)人才的企業(yè)需求為導(dǎo)向，設(shè)定學(xué)生畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)，按照“反向設(shè)計(jì)，正向施工”的策略，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的培養(yǎng)方案和各課程教學(xué)大綱，采用與教學(xué)大綱相匹配的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)方法，利用達(dá)成度評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果是否符合培養(yǎng)目標(biāo)要求，并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和完善[1-2].

單片機(jī)原理及應(yīng)用是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，也是容易入門和掌握的微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，將學(xué)生引入電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)之路的理想入口，同時(shí)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他微處理器技術(shù)，如DSP 和ARM 等，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此，單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)在應(yīng)用型電氣電子人才培養(yǎng)過程中起到非常重要作用.為全面培養(yǎng)和提高適應(yīng)市場需求的工程技術(shù)人才綜合素質(zhì)，安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)對(duì)單片機(jī)課程體系進(jìn)行深入研究，提出基于OBE 理念的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與實(shí)踐，并將遞進(jìn)式教學(xué)法和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法引入單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)過程中.

1 基于OBE理念單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)的研究意義

1.1 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀與分析

依據(jù)國家級(jí)單片機(jī)規(guī)劃教材和課程教學(xué)大綱要求，按章節(jié)講授單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器∕計(jì)數(shù)器及串行通信等理論知識(shí)，理論教學(xué)以教師傳授為主，學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)，無法理解單片機(jī)的工作原理和掌握硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)等工程實(shí)踐技能[3].以一張?jiān)嚲砜己藢W(xué)生的單片機(jī)學(xué)習(xí)效果，無法反映學(xué)生的編程能力、Keil 和Proteus 應(yīng)用能力，有些同學(xué)通過考前針對(duì)性地復(fù)習(xí)和強(qiáng)化記憶等方式通過考試，忽視實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐性能力訓(xùn)練.簡單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占比重高，依靠Proteus仿真軟件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，缺乏動(dòng)手能力強(qiáng)的設(shè)計(jì)型和綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)[4].雖然實(shí)踐性環(huán)節(jié)考核作為平時(shí)成績的一部分，但學(xué)生單片機(jī)課程成績主要以理論考核為依據(jù)，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐能力和系統(tǒng)開發(fā)能力很難達(dá)到企業(yè)人才需求[5，6].

1.2 基于OBE理念單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)的意義

單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)作為學(xué)生修完C 語言設(shè)計(jì)、工程軟件Altium Designer、單片機(jī)原理及應(yīng)用和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程后的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，是課堂理論教學(xué)的延伸和發(fā)展，是理論與實(shí)踐相結(jié)合重要環(huán)節(jié).OBE 教學(xué)理念引入單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生為主體，靈活開展分散和集中相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，可有效增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用單片機(jī)相關(guān)知識(shí)解決工程問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

2 基于OBE理念的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)

為培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力強(qiáng)，符合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的電氣電子類工程技術(shù)人才，單片機(jī)教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)單片機(jī)課程體系進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，在修訂理論課程教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在電子線路板設(shè)計(jì)Altium Designer 和電路系統(tǒng)Proteus 仿真工程訓(xùn)練軟件學(xué)習(xí)后，增設(shè)基于OBE 理念的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力[2].依據(jù)市場人才需求制定的自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案及畢業(yè)要求，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，設(shè)置單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐課程目標(biāo)成果，如表1所示.

表1 單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)成果及其對(duì)應(yīng)實(shí)踐內(nèi)容

3 基于OBE理念的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在單片機(jī)課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)，將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力.為提高學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)能力，電子協(xié)會(huì)為每個(gè)學(xué)生提供小型單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，開發(fā)板根據(jù)單片機(jī)教學(xué)課程設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于學(xué)生學(xué)習(xí)，例如，流水燈實(shí)驗(yàn)、按鍵數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)和電子時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)等，幫助學(xué)生熟悉和理解單片機(jī)工作原理及編程方法，同時(shí)，也使學(xué)習(xí)不受時(shí)間和空間限制.

單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)為多個(gè)理論知識(shí)和實(shí)踐技能的綜合運(yùn)用，包括單片機(jī)接口技術(shù)、線路板設(shè)計(jì)、硬件調(diào)試、C語言和匯編語言編程和調(diào)試、控制算法和多任務(wù)操作系統(tǒng)理論及應(yīng)用等部分.

綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)由學(xué)生自己設(shè)計(jì)后由教師審核或由教師直接確定項(xiàng)目內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求確定整體方案、設(shè)計(jì)圖紙和電子線路板，利用C語言結(jié)構(gòu)化思路編寫程序并調(diào)試，例如，具有溫度顯示和密碼功能的電子萬年歷設(shè)計(jì).電子萬年歷單片機(jī)系統(tǒng)包括LCD12864、矩陣式鍵盤、DS1302 時(shí)鐘電路、溫度傳感器DS18B20、蜂鳴器及單片機(jī)最小系統(tǒng).LCD12864顯示不僅顯示陽歷、農(nóng)歷和時(shí)間，而且顯示溫度值.當(dāng)調(diào)節(jié)日期或時(shí)間值時(shí)，需要輸入密碼，密碼正確才能修改.當(dāng)?shù)秸c(diǎn)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“滴答”響聲.編寫密碼子程序、陽歷和農(nóng)歷轉(zhuǎn)化子程序、LCD12864子程序、按鍵子程序、時(shí)鐘子程序和溫度子程序及主程序.為提高軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用多任務(wù)調(diào)用的μC∕OS-II操作系統(tǒng).

3.2 強(qiáng)化單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)過程管理

3.2.1 單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)軟件系統(tǒng)在硬件平臺(tái)上運(yùn)行，學(xué)生根據(jù)綜合設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖，并用Altium Designer 軟件繪制PCB 線路板，并通過深圳嘉立創(chuàng)公司加工.在器件焊接調(diào)試過程中，要求學(xué)生掌握萬用表和示波器等各類實(shí)驗(yàn)儀器的使用.按照從單個(gè)模塊調(diào)試到整體聯(lián)調(diào)的順序?qū)φ麄€(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行測試.

3.2.2 單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)遞進(jìn)式教學(xué) 遞進(jìn)式教學(xué)模式引入單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，按照“循序漸進(jìn)”的原則，由淺入深和逐步地將各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前后銜接，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)[7，8].將課堂理論教學(xué)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，應(yīng)用Keil 或Proteus 仿真軟件熟悉和掌握單片機(jī)最基本的指令和工作原理，如數(shù)據(jù)排序、數(shù)據(jù)從內(nèi)部RAM 傳送到外部RAM，以及流水燈等實(shí)驗(yàn).驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是簡單的單片機(jī)指令應(yīng)用程序，沒有連貫性，大多數(shù)學(xué)生在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后仍無法完成簡單設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).

為將所學(xué)單片機(jī)知識(shí)融會(huì)貫通，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)置設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，通過網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)和定期地集中答疑等方式督促學(xué)生利用周末和節(jié)假日時(shí)間學(xué)習(xí)編程設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)如表2所示.

表2 主要設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)上51單片機(jī)資料較多，學(xué)生從網(wǎng)絡(luò)上下載一些程序，重新定義單片機(jī)引腳就能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)功能，這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理解不透和印象不深，達(dá)不到提高學(xué)生編程能力的目的.將遞進(jìn)式教學(xué)模式引入實(shí)踐教學(xué)中，如，在基本實(shí)驗(yàn)中增加功能，需要學(xué)生在熟悉和理解所做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上修改程序，實(shí)現(xiàn)新功能.例如，數(shù)字秒表實(shí)驗(yàn)，通過定時(shí)器∕計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，每0.1 s數(shù)碼管LED 計(jì)時(shí)秒后小數(shù)更新加1，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到1 s時(shí)，秒鐘后小數(shù)清零，秒鐘加1，當(dāng)達(dá)到60 s時(shí)，秒鐘清零分鐘加1.遞進(jìn)式教學(xué)模式要求學(xué)生在理解數(shù)字秒表的程序基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)反向計(jì)時(shí)功能，即每0.1 s的LED 計(jì)時(shí)秒后小數(shù)從10更新減1，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到1 s 時(shí)，秒鐘后小數(shù)為10，秒鐘從60 減1，當(dāng)達(dá)到00 s 時(shí)，秒鐘重新置60 s.遞進(jìn)式教學(xué)模式應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，讓學(xué)生在掌握和借鑒前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)程序進(jìn)行修改，降低實(shí)驗(yàn)難度，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

3.2.3 培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作合作能力 綜合設(shè)計(jì)集中教學(xué)活動(dòng)期間，將學(xué)生按四人一組協(xié)作完成一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生作為組長.實(shí)踐教學(xué)不僅培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，而且培養(yǎng)學(xué)生與人交流、合作和協(xié)調(diào)等團(tuán)隊(duì)合作能力.

3.3 綜合設(shè)計(jì)的考核、評(píng)價(jià)及持續(xù)改進(jìn)

綜合設(shè)計(jì)的考核和評(píng)價(jià)以衡量培養(yǎng)目標(biāo)成果達(dá)成度為主要目的，以考核學(xué)生對(duì)各個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐技能掌握情況為重點(diǎn).考核目標(biāo)包括綜合設(shè)計(jì)過程,設(shè)計(jì)成果,設(shè)計(jì)內(nèi)容撰寫、報(bào)告及答辯.各項(xiàng)設(shè)計(jì)成果考核分值分配及考核點(diǎn)如表3所示.

表3 單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)各目標(biāo)分值分配表及達(dá)成度考核點(diǎn)

過程考核成績以學(xué)生平時(shí)溝通和交流為依據(jù)進(jìn)行考核，每個(gè)目標(biāo)成果考核均采用百分制，學(xué)生最終總評(píng)成績采用“優(yōu)（≥90 分）”“良（80～89 分）”“中（70～79 分）”“及格（60～69 分）”和“不及格（＜60 分）”的五級(jí)分制核定.單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)課程的達(dá)成度用所有學(xué)生實(shí)際考核成績總平均值除以該課程總評(píng)成績(100分)來衡量和評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，如式(1)所示.

根據(jù)專業(yè)認(rèn)證要求，單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐課程的達(dá)成度目標(biāo)值設(shè)為0.75.針對(duì)單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)集中實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，以安徽工程大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)2016級(jí)（1）班學(xué)生的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)成績?yōu)槔?，?jì)算該綜合設(shè)計(jì)的目標(biāo)成果考核結(jié)果達(dá)成度，如表4所示.

表4 自動(dòng)化專業(yè)2016級(jí)(1)班學(xué)生的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)課程達(dá)成度

由表4可知，目標(biāo)成果2的達(dá)成度為73.3%，沒有達(dá)到預(yù)期設(shè)置值75%，其原因主要為：（1）大部分學(xué)生沒有完全掌握μC∕OS-II操作系統(tǒng)的工作原理，影響系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性；（2）單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)要求學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決工程問題，并將所學(xué)知識(shí)融合貫通，這是綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)2的難點(diǎn).

針對(duì)上述原因提出持續(xù)改進(jìn)的措施：（1）將遞進(jìn)式教學(xué)方式引入單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)中，通過分析和講解例程，使學(xué)生掌握操作系統(tǒng)工作原理，采用C 語言結(jié)構(gòu)化編程方式對(duì)操作系統(tǒng)例程修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；（2）將課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生多次學(xué)習(xí)教學(xué)例程，提高學(xué)生單片機(jī)實(shí)踐能力.

4 單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)的效果分析

安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)于2015年啟動(dòng)專業(yè)認(rèn)證改革，2019年通過教育部專家組認(rèn)證考核.本文以基于OBE 理念的自動(dòng)化專業(yè)單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)為例，經(jīng)過多年的教學(xué)改革和創(chuàng)新，獲得較好教學(xué)效果.

1）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的教學(xué)方式讓學(xué)生提前知道綜合設(shè)計(jì)具體任務(wù)和要求，學(xué)生帶著任務(wù)有目的地學(xué)習(xí)相關(guān)資料，學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確.

2）將遞進(jìn)式教學(xué)模式引入到教學(xué)過程中，要求學(xué)生在掌握設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上增加任務(wù)，循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)，降低學(xué)習(xí)難度，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)生的實(shí)踐能力.

3）將課堂集中教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)行前期預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)教學(xué)案例，有助于單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)的過程實(shí)施和管理.

通過單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)使學(xué)生掌握基于單片機(jī)的電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程，促使學(xué)生學(xué)會(huì)儀器儀表的使用，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，提高學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力.

5 結(jié)論

基于OBE理念的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)，以市場需求和培養(yǎng)結(jié)果為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)踐能力為目標(biāo)，優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，提出遞進(jìn)式教學(xué)法和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法貫穿到綜合設(shè)計(jì)教學(xué)全過程，抓好每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，注重單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)過程管理，有效地提高單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量.