PBL法在“MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”中的教學(xué)探索

陸科林,彭紀(jì)程,王乾帥,符啟恩,薛 磊

(東南大學(xué)自動化學(xué)院,江蘇 南京 210096)

隨著新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革在全球范圍內(nèi)興起,世界各國陸續(xù)提出面向智能制造[1]的發(fā)展規(guī)劃,如德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略、英國“工業(yè)2050戰(zhàn)略”、日本“機(jī)器人新戰(zhàn)略”等,我國也在大力實(shí)施“中國制造2025”等計(jì)劃[2]。在工業(yè)機(jī)器人成為智能制造重要支撐設(shè)備的情況下,培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才至關(guān)重要[3]。機(jī)器人技術(shù)具有多學(xué)科交叉、工程性強(qiáng)的特點(diǎn),因而相關(guān)實(shí)踐教學(xué)中其方案設(shè)計(jì)的合理性,對教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成具有重要影響[4]。

“單片機(jī)(microcontroller unit,MCU)技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生理解單片機(jī)的基本原理,掌握單片機(jī)的使用方法,培養(yǎng)學(xué)生軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的能力[5]。考慮到課程的實(shí)踐性較強(qiáng),同時為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力,采用了基于問題學(xué)習(xí)(problem-based learning,PBL)的教學(xué)方法[6]。這對于提升學(xué)生對復(fù)雜工程問題的分析及解決能力,以及培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新意識具有重要意義[7]。

PBL教學(xué)方法是一種以“學(xué)”為中心的教學(xué)方法,強(qiáng)調(diào)理論與應(yīng)用相結(jié)合[8]。教師在教學(xué)過程中以提問題的方式引導(dǎo)學(xué)生主動解決問題,從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識[9]。本文將結(jié)合“MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”課程,就PBL教學(xué)方法在其中的應(yīng)用等進(jìn)行探討。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀及特點(diǎn)

“MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)目的是使學(xué)生通過對單片機(jī)結(jié)構(gòu)組成、指令系統(tǒng)、輸入輸出接口、時鐘系統(tǒng)及存儲系統(tǒng)等內(nèi)容的學(xué)習(xí),掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識,并具備軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的應(yīng)用能力。該課程目前主要存在以下幾個問題:

1)課程涉及軟件編程、硬件實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)測試等多個方面,知識面較寬且交叉多。傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)模式采用大篇幅的原理介紹來引導(dǎo)學(xué)生入門,忽略了與工程應(yīng)用相結(jié)合,影響教學(xué)效果。如何通過串聯(lián)相關(guān)知識來提煉課堂教學(xué)內(nèi)容,需要依托實(shí)際工程應(yīng)用的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想,調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性,增強(qiáng)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。

2)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式以學(xué)生根據(jù)授課內(nèi)容自行操作為主,而教師主要通過檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報告來評定學(xué)生對于知識點(diǎn)的掌握情況。在學(xué)生數(shù)量較多的情況下,這種教學(xué)模式在跟進(jìn)每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度方面具有局限性,例如部分自學(xué)能力較強(qiáng)的學(xué)生會有較好的學(xué)習(xí)效果,而自學(xué)能力較弱的學(xué)生易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)程序單一化的現(xiàn)象。

3)目前課程設(shè)計(jì)主要停留在以驗(yàn)證性操作為主的階段,限制了對學(xué)生創(chuàng)造性的培養(yǎng)。例如實(shí)驗(yàn)平臺在提供便捷開發(fā)資源的同時,容易讓學(xué)生停留在會用而不理解的階段。由于沒有將相關(guān)知識進(jìn)行融合,導(dǎo)致學(xué)生在面對實(shí)際工程應(yīng)用時無從下手,因此有必要設(shè)計(jì)出既具有一定難度和工程背景,同時又能夠讓學(xué)生上手的課題,幫助學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中做到融會貫通。

2 “MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”課程體系

“MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”與前修課程在內(nèi)容上存在交叉點(diǎn),因此有必要發(fā)揮前修課程的基礎(chǔ)優(yōu)勢,引導(dǎo)學(xué)生溫故而知新。對于本門課程而言,其與“微機(jī)系統(tǒng)與接口”課程的繼承性較強(qiáng),因此在授課過程中可適當(dāng)跳過嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述,微機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)、指令系統(tǒng)、存儲器系統(tǒng)等基本概念,以面向工程應(yīng)用的MCU基本外設(shè)、軟硬件開發(fā)環(huán)境、常用接口設(shè)計(jì)和圖形化界面為主要教學(xué)內(nèi)容。而課堂實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)的開展也可以建立在學(xué)生已掌握一定C語言編程技能的基礎(chǔ)之上。此外,本課程與“嵌入式系統(tǒng)及課程設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”等后續(xù)課程也存在一定程度的交叉。因此,有必要結(jié)合專業(yè)課程群的實(shí)際情況進(jìn)行教學(xué)安排與銜接,既充分體現(xiàn)本課程與其他課程的區(qū)別,又形成有效銜接,達(dá)到相輔相成的效果。

基于上述分析,所設(shè)計(jì)的課程教學(xué)內(nèi)容主要包括3個主要模塊:輸入輸出接口、系統(tǒng)時鐘和定時器、圖形化界面顯示。上述安排主要考慮了專業(yè)培養(yǎng)體系中不同課程之間的關(guān)系。一方面,本專業(yè)學(xué)生在之前所修的課程中已經(jīng)初步建立了微機(jī)系統(tǒng)的基本概念和編程基礎(chǔ),能夠面向MCU硬件展開更深入的學(xué)習(xí)。另一方面,考慮到學(xué)生后續(xù)還將學(xué)習(xí)的硬件類課程并不局限于MCU,因此需要結(jié)合本課程的實(shí)驗(yàn)平臺,選擇有代表性的重要知識點(diǎn)詳細(xì)講解,并利用PBL方法來突出實(shí)際工程問題的解決思路。相比以往的教學(xué)內(nèi)容,新增的教學(xué)模塊通過串聯(lián)相關(guān)知識進(jìn)一步提煉了課堂教學(xué)內(nèi)容,有助于提升學(xué)生對于實(shí)際工程問題的分析和解決能力,并能夠提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識和創(chuàng)新精神。在達(dá)成度評價指標(biāo)方面提升了約20%,這說明教學(xué)內(nèi)容的修改在充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)積極性的同時,有助于引導(dǎo)學(xué)生將理論知識的學(xué)習(xí)上升到實(shí)際應(yīng)用中,使學(xué)生的動手能力得到鍛煉。

3 基于PBL的教學(xué)案例設(shè)計(jì)

PBL教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心,通過引導(dǎo)學(xué)生投入到具體問題中,激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識,從而提升教學(xué)效果[10]。在“MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”中引入PBL的先進(jìn)理念,有助于提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。教師通過選取具有代表性的應(yīng)用實(shí)例,構(gòu)造不同的問題情境,進(jìn)而組織學(xué)生以分組的形式開展研討,并從中獲取知識和技能。

3.1 案例一:輸入輸出接口

在前修課程“微機(jī)系統(tǒng)與接口”中已介紹了輸入輸出控制和接口技術(shù),但是對如何利用引腳控制發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)的亮滅,以及調(diào)整LED的閃爍周期并沒有展開深入介紹。為此,在本門課程的教學(xué)安排中,以MSP430的輸入輸出接口作為切入點(diǎn),設(shè)計(jì)了手動控制LED跑馬燈的實(shí)驗(yàn)案例,其任務(wù)包括操作寄存器實(shí)現(xiàn)輸入輸出引腳控制,利用中斷函數(shù)提高CPU使用效率,以及以軟件方式實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。

教師在理論教學(xué)中主要介紹MSP430體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)概念,包括地址空間、尋址模式、指令系統(tǒng)以及端口概述等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過提供開源軟件和參考文檔等資源,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。學(xué)生不僅需要主動閱讀參考文獻(xiàn),還需要在CCS和IAR等軟件開發(fā)環(huán)境中編寫算法程序,最后在MSP430平臺上進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 案例二:系統(tǒng)時鐘和定時器

定時功能模塊是MCU硬件系統(tǒng)的重要部分,能夠用來實(shí)現(xiàn)定時控制、頻率測量及信號產(chǎn)生等功能。因此,本課程以系統(tǒng)時鐘和定時器作為切入點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于MSP430的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)案例。

教師在理論教學(xué)中主要介紹MSP430系統(tǒng)時鐘與定時器的基礎(chǔ)概念,包括各種時鐘信號的產(chǎn)生、時鐘配置和輸入選擇、鎖頻環(huán)電路與時鐘的校正、PWM控制技術(shù)以及定時器的工作原理等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,鼓勵學(xué)生自主進(jìn)行方案調(diào)研,并在允許試錯的條件下尋找合適的技術(shù)路線。學(xué)生需要理解時鐘系統(tǒng)的基本原理,學(xué)習(xí)如何配置相關(guān)寄存器,掌握PWM控制技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的調(diào)速控制。

3.3 案例三:圖形化界面顯示

圖形化顯示模塊是MCU硬件系統(tǒng)的重要部分,能夠用來實(shí)現(xiàn)段式液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)的驅(qū)動和控制、字符顯示等功能。本課程以圖形化界面顯示作為切入點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于MSP430的人機(jī)界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例。硬件平臺同時采用TM1638芯片以實(shí)現(xiàn)讀取鍵盤狀態(tài)和LED數(shù)碼管控制的功能。

教師在理論教學(xué)中主要介紹MSP430圖形化顯示模塊的主要特點(diǎn)及結(jié)構(gòu),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,采用PBL和成果導(dǎo)向教育相結(jié)合的思路,以解決實(shí)際工程問題為背景布置課設(shè)題目,引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。另一方面,也鼓勵學(xué)生以組隊(duì)的形式完成課程設(shè)計(jì),因此對其團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也能起到較好的鍛煉作用。

綜上所述,本課程通過設(shè)計(jì)基于PBL的教學(xué)案例以構(gòu)造不同問題的學(xué)習(xí)情境,進(jìn)而通過組織分組討論來促進(jìn)學(xué)生之間交流合作的方法具有一定的創(chuàng)新性。從實(shí)際效果來看,在調(diào)研相關(guān)資料、分組研究討論、后期總結(jié)匯報等教學(xué)環(huán)節(jié),學(xué)生的自主積極性均得到了提高。此外,鼓勵學(xué)生采用團(tuán)隊(duì)合作的方式也有效緩解了由于項(xiàng)目內(nèi)容復(fù)雜而在前期易于產(chǎn)生的消極或畏難情緒。

4 PBL教學(xué)法實(shí)施中需要注意的問題

在“MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)實(shí)踐中,利用PBL方法引導(dǎo)學(xué)生參與項(xiàng)目設(shè)計(jì),提高了學(xué)生的積極性。但在具體的實(shí)施過程中,仍存在一些值得注意的問題,這對教師提出了更高的要求。接下來主要從如下3個方面展開討論。

1)雖然PBL教學(xué)在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性方面具有優(yōu)勢,但并不能完全取代傳統(tǒng)的課堂教學(xué)。在基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)階段,教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整課堂教學(xué)和PBL教學(xué)的比重。對于單片機(jī)的基本概念與原理等知識的講解,仍然以課堂授課的方式為主;而對于實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì),則可以將PBL與成果導(dǎo)向教育(outcome based education,OBE)等方法結(jié)合,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2)為了在教學(xué)中高效率地實(shí)施PBL方法,教師應(yīng)注意選題的目的性與合理性。例如在布置課題任務(wù)時,需要以解決教學(xué)中存在的問題,以及引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入主動學(xué)習(xí)的狀態(tài)為目的?？紤]到實(shí)際教學(xué)過程中學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的差異性,教師應(yīng)當(dāng)兼顧不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生,精心設(shè)計(jì)由淺至深的教學(xué)目標(biāo),循序漸進(jìn)地達(dá)成教學(xué)計(jì)劃,從而既能保證基本教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),又能讓學(xué)有余力的學(xué)生得到進(jìn)一步提高。

3)PBL法在教學(xué)實(shí)施中的另一挑戰(zhàn)性問題是如何有效評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在強(qiáng)調(diào)以“學(xué)”為中心的前提下,教學(xué)模式的改變勢必會引起評估模式的調(diào)整。相比于對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評估,如何對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評估具有更高的挑戰(zhàn)性。教師可通過課上小組互評與教師課后評價相結(jié)合的方式,綜合評估學(xué)生在問題分析、方案設(shè)計(jì)及成果展示等多環(huán)節(jié)的表現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)對學(xué)生知識掌握情況的有效評價。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)“MCU技術(shù)及課程設(shè)計(jì)”的課程特點(diǎn),從課程教學(xué)現(xiàn)狀及特點(diǎn)、課程體系、PBL教學(xué)案例設(shè)計(jì)等方面提出了一系列的探索思路,并介紹了一些有效的成果。開展基于PBL的課程教學(xué)改革,是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵,也有助于更好地發(fā)揮本門課程與相關(guān)課程深度融合的潛在優(yōu)勢。