職業(yè)院校單片機(jī)課程的價值訴求、教學(xué)困境與優(yōu)化路徑

俞 騁

(寧波市教育科學(xué)研究所,浙江寧波,315012)

一、引言

隨著電子技術(shù)的迭代升級,嵌入式系統(tǒng)沿著從SCM(single chip microcomputer)到MCU(micro controller unit)再到SOC(system on chip)的技術(shù)路線持續(xù)演進(jìn)。[1]在32位處理器十分普及的今天,僅擁有8位數(shù)據(jù)處理能力的51單片機(jī)早已退出高端應(yīng)用市場,關(guān)于51單片機(jī)課程開設(shè)的必要性也成為應(yīng)用電子領(lǐng)域熱議的話題。在電子產(chǎn)品智能化發(fā)展的背景下,擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的32位單片機(jī)淘汰51單片機(jī)將成為必然趨勢。也有觀點認(rèn)為,8位單片機(jī)因其價格優(yōu)勢,在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi),在中低端應(yīng)用電子領(lǐng)域仍將占有一席之地。[2]由于職業(yè)教育與產(chǎn)業(yè)界密切相關(guān)的天然屬性,近年來,對51單片機(jī)價值的爭論也從產(chǎn)業(yè)鏈延續(xù)到教育領(lǐng)域,進(jìn)而引發(fā)職業(yè)院校對單片機(jī)相關(guān)課程設(shè)置合理性的討論。本文旨在通過探討職業(yè)院校單片機(jī)課程設(shè)置的合理性和實施過程中的現(xiàn)實困境,厘清該課程設(shè)置的意義與價值,優(yōu)化其教學(xué)實施的路徑,為職業(yè)院校提高該類課程的教學(xué)質(zhì)量提供建議與啟示。

二、職業(yè)院校單片機(jī)課程的價值訴求

(一)關(guān)于職業(yè)院校單片機(jī)課程設(shè)置的爭議

“單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用”是職業(yè)院校電子信息相關(guān)專業(yè)的一門核心課程。其目的在于通過軟、硬件知識的學(xué)習(xí)和一定的實操訓(xùn)練,使學(xué)生具備編寫、調(diào)試程序和設(shè)計、分析電路系統(tǒng)的能力,從而掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)制作的基本方法。[3]雖然個別職業(yè)院校在單片機(jī)課程教學(xué)時會涉及AVR、STM32等單片機(jī),但51單片機(jī)仍是絕大多數(shù)職業(yè)院校開設(shè)單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用課程所使用的主流處理器。[4]因此,本文討論的單片機(jī)課程專指以51單片機(jī)為教學(xué)內(nèi)容的課程。與產(chǎn)業(yè)界類似,在職業(yè)教育領(lǐng)域,關(guān)于51單片機(jī)相關(guān)課程的存廢同樣存在不同的觀點。何燕陽等人認(rèn)為,在ARM系列成為嵌入式系統(tǒng)主流處理器的市場樣態(tài)下,繼續(xù)教授51單片機(jī)相關(guān)課程已跟不上時代的節(jié)奏,也偏離了職業(yè)教育以就業(yè)為導(dǎo)向、培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)所需人才的基本辦學(xué)定位。[5]張俊認(rèn)為,與主流嵌入式微處理器相比,雖然51單片機(jī)在性能和市場占有上均不占優(yōu)勢,但作為一款經(jīng)典的微處理器,它是嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域入門教學(xué)的理想素材。[6]

(二)職業(yè)院校開設(shè)單片機(jī)課程的合理性辨析

因立場不同而得出相左的結(jié)論本不足為奇,然而,對職業(yè)院校教師而言,教書育人的基本角色定位決定了他們需首先從培養(yǎng)學(xué)生的視角審視單片機(jī)課程設(shè)置的合理性。

從教學(xué)的自然法則角度看,單片機(jī)課程是職業(yè)院校學(xué)生經(jīng)歷專業(yè)學(xué)習(xí)由易到難路徑中的必要鋪墊。單片機(jī)的前置課程有“電路原理”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“EDA軟件應(yīng)用”“C語言程序設(shè)計”等。這些課程在很大程度上都是自洽的,如“C語言程序設(shè)計”幾乎是自成體系的一門課程,學(xué)生學(xué)習(xí)該課程并不需要以其他專業(yè)知識為基礎(chǔ),而“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“EDA軟件應(yīng)用”等課程雖在一定程度上依賴“電路原理”的基礎(chǔ)知識技能,但依存度并不高。與之相比,學(xué)生對“單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用”的學(xué)習(xí)則需要廣泛結(jié)合這些前置課程的內(nèi)容。因此,單片機(jī)課程可視為電子信息專業(yè)學(xué)生第一次綜合運用專業(yè)知識技能的實踐訓(xùn)練平臺,是知識結(jié)構(gòu)從簡單走向復(fù)雜,技能訓(xùn)練從零散走向綜合的分水嶺。與ARM等微處理器相比,51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)相對簡單,可在一定程度上減輕學(xué)習(xí)者在綜合學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷,其作為一種教學(xué)素材,更貼合職業(yè)院校學(xué)生基礎(chǔ)較差的學(xué)情。因此,51單片機(jī)是職業(yè)院校學(xué)生鞏固、整合前置課程相關(guān)知識技能,邁向?qū)I(yè)能力綜合提升的必要臺階和適切的平衡點,它的開設(shè)總體上符合循序漸進(jìn)的基本教育規(guī)律。

從培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力的角度看,職業(yè)院校固然應(yīng)該以培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)所需人才為目標(biāo),而學(xué)習(xí)掌握51單片機(jī)的相關(guān)知識技能與這一辦學(xué)目標(biāo)并不相悖。一方面,51單片機(jī)當(dāng)前仍被廣泛應(yīng)用于電磁爐、電飯煲等中低端電子產(chǎn)品,其市場保有量巨大,51單片機(jī)的開發(fā)與維修技能在當(dāng)今市場仍有用武之地。另一方面,51單片機(jī)中的寄存器、定時器、I/O口、模擬量采集等模塊,與ARM等主流微處理器的硬件結(jié)構(gòu)是一脈相承的。C語言程序設(shè)計中的庫函數(shù)、中斷、指針等概念,也與其他嵌入式系統(tǒng)編程相通。有研究表明,與直接學(xué)習(xí)主流嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相比,有過51單片機(jī)學(xué)習(xí)經(jīng)歷者在后續(xù)學(xué)習(xí)中更容易上手。[7]由此可見,掌握51單片機(jī)的應(yīng)用技能是職業(yè)院校電子信息相關(guān)專業(yè)學(xué)生具備主流電子產(chǎn)品開發(fā)與維修能力的理想起點,單片機(jī)應(yīng)用課程在職業(yè)院校電子信息專業(yè)課體系中仍具有不可替代的地位。

三、職業(yè)院校單片機(jī)課程教學(xué)的現(xiàn)實困境

(一)基礎(chǔ)薄弱:學(xué)生的前置知識技能不夠扎實

如前所述,單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)需以大量的前置課程知識、技能為基礎(chǔ)。然而,受諸多因素的影響,職業(yè)院校學(xué)生對前置課程的掌握情況往往不盡如人意,薄弱的專業(yè)基礎(chǔ)在很大程度上制約了其分析、設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。在硬件方面,單片機(jī)最小系統(tǒng)往往需要與其他芯片配合才能構(gòu)成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。如在單片機(jī)控制的數(shù)碼管顯示系統(tǒng)中,需要接入74LS245來提高I/O口的帶負(fù)載能力,而74LS245芯片的相關(guān)功能和工作原理在前置課程“數(shù)字電子技術(shù)”中有過介紹,但由于學(xué)生之前的學(xué)習(xí)效果不理想,直接影響了其對單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示系統(tǒng)的分析。在軟件方面,C語言是控制單片機(jī)運行的主流計算機(jī)語言。雖然很多職業(yè)院校專門開設(shè)了“C語言程序設(shè)計”,但由于計算機(jī)編程在理論層面的高度抽象性和操作層面極強(qiáng)的實踐性,大部分職業(yè)院校學(xué)生難以在有限的課程周期內(nèi)熟練掌握C語言程序的設(shè)計能力。這一核心技能的結(jié)構(gòu)性短板制約了職業(yè)院校學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)能力的形成和發(fā)展。例如,由于很多學(xué)生在C語言學(xué)習(xí)中未能熟練掌握自定義函數(shù)的編寫,因而難以在單片機(jī)課程開發(fā)中設(shè)計出可讀性強(qiáng)的模塊化程序。

(二)閉門造車:教學(xué)項目與實際應(yīng)用存在較大差距

在職業(yè)教育課程改革的大背景下,任務(wù)驅(qū)動、項目教學(xué)等理念在職業(yè)院校已獲得廣泛認(rèn)可,許多學(xué)校也在專業(yè)課教學(xué)中著手實施項目教學(xué)法。然而,項目質(zhì)量卻參差不齊。[8]部分教材雖然改變了之前連篇累牘介紹理論知識的局面,在形式上將教學(xué)任務(wù)分割成若干項目,但這些項目的設(shè)計缺乏科學(xué)論證。例如,有教材將“Proteus仿真軟件的操作”單獨設(shè)置成一個項目。不可否認(rèn),Proteus是單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用中的一個基本工具,但正是因為其具有工具的屬性,在所有單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)中都會用到這款軟件,將其單獨設(shè)置成一個教學(xué)項目缺少合理性和必要性。又如,部分教材會安排“單片機(jī)控制交通信號燈系統(tǒng)”項目。就單片機(jī)開發(fā)能力培養(yǎng)的角度而言,這個項目綜合了最小系統(tǒng)搭建、程序控制I/O口電平等諸多知識和技能點,是體現(xiàn)理實一體化教學(xué)的理想載體。但在真實的應(yīng)用場景中,交通燈的控制很少通過單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn),因而這樣的項目與實際脫節(jié)。

(三)重虛輕實:教學(xué)實施環(huán)節(jié)過度依賴仿真軟件

當(dāng)前,以Proteus為代表的虛擬仿真軟件已被廣泛應(yīng)用于51單片機(jī)的學(xué)習(xí)與開發(fā)。與傳統(tǒng)的開發(fā)板、實驗箱等設(shè)備相比,Proteus虛擬仿真軟件因具有交互界面友好、操作效率高、穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低等諸多優(yōu)勢而深受單片機(jī)教學(xué)者的青睞。[9]雖然仿真軟件在很大程度上有助于單片機(jī)課程教學(xué)效率的提高,但由于單片機(jī)系統(tǒng)自身軟硬件結(jié)合的復(fù)雜屬性,而Proteus仿真軟件僅能夠?qū)崿F(xiàn)程序調(diào)試和部分硬件設(shè)計的功能,單純依靠Proteus仿真軟件不足以全面培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的能力。然而,許多職業(yè)院校在單片機(jī)課程教學(xué)過程中把Proteus仿真軟件作為主要的施教策略,壓縮乃至完全取消實物操作訓(xùn)練。過度依賴Proteus仿真軟件將對學(xué)生軟件專業(yè)能力的形成與發(fā)展帶來以下兩方面障礙。一是造成專業(yè)認(rèn)知的偏差。例如,Proteus仿真軟件中51單片機(jī)的引腳排列與實物芯片存在差異,I/O口電平與真實系統(tǒng)不一致,最小系統(tǒng)可直接驅(qū)動數(shù)碼管等負(fù)載。這些Proteus仿真軟件自身的漏洞會在一定程度上誤導(dǎo)學(xué)生,使他們對單片機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識簡單化。二是難以形成完備的系統(tǒng)調(diào)試、故障診斷經(jīng)驗。許多實物在調(diào)試中才會出現(xiàn)如虛焊、元器件型號不匹配、仿真結(jié)果與實物測試不一致等問題,這些在Proteus仿真軟件中無法呈現(xiàn),學(xué)生難以在單一的仿真學(xué)習(xí)中獲得應(yīng)對處理這方面問題的經(jīng)驗。

(四)評價失準(zhǔn):課程考核難以反映真實教學(xué)效果

課程評價是檢驗教學(xué)效果的重要手段。就職業(yè)院校單片機(jī)課程而言,培養(yǎng)具備開發(fā)、調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)能力的技術(shù)技能型人才是課程的既定目標(biāo),也是檢驗課程教學(xué)效果的第一標(biāo)尺。然而,當(dāng)前職業(yè)院校單片機(jī)課程的評價大多沿用傳統(tǒng)的紙筆考試的設(shè)計思路,難以反映真實的教學(xué)效果。一是評價形式過于單調(diào)。許多職業(yè)院校對單片機(jī)課程的考核仍采用閉卷答題,題型以傳統(tǒng)的填空、選擇、簡答、計算等形式為主。這種考核對以理論知識學(xué)習(xí)為主導(dǎo)的課程尚存一定的合理性,但對以培養(yǎng)應(yīng)用能力為主的單片機(jī)課程,評價方式與教學(xué)目標(biāo)存在明顯的不匹配。二是評價內(nèi)容過于淺顯。單片機(jī)課程的考核內(nèi)容多聚焦書本知識,較少涉及在真實生產(chǎn)實踐場景中被高度關(guān)注的工藝流程、工作規(guī)范、生產(chǎn)安全、成本控制等元素,忽視了對交流溝通、團(tuán)隊合作等職業(yè)素養(yǎng)的考查。三是評價主體過于單一。教師作為出題者,在課程考核中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而,由于職業(yè)院校教師到企業(yè)學(xué)習(xí)鍛煉的經(jīng)歷十分有限,其自身的專業(yè)認(rèn)知與產(chǎn)業(yè)前沿信息不可避免地存在脫節(jié),這種偏差將對課程評價的實施造成負(fù)面影響。[10]

四、職業(yè)院校單片機(jī)課程教學(xué)的優(yōu)化路徑

(一)夯實基礎(chǔ),固化前置知識技能

電路分析、程序編寫等前置知識、技能在單片機(jī)課程學(xué)習(xí)中占有基礎(chǔ)地位。鑒于職業(yè)院校學(xué)生對前置課程的知識技能掌握不夠扎實的現(xiàn)狀,單片機(jī)教學(xué)有必要進(jìn)行查漏補缺,盡可能減小學(xué)生因前置知識、技能缺陷對單片機(jī)課程學(xué)習(xí)造成的負(fù)面影響。具體施教策略如下。一是有的放矢,精準(zhǔn)對接。這主要是針對新的單項教學(xué)任務(wù)需以某些特定的舊知(技)為支撐的情況。如學(xué)生在學(xué)習(xí)“單片機(jī)控制的數(shù)碼管顯示系統(tǒng)”時,需要先復(fù)習(xí)C語言中數(shù)組的定義與讀取等相關(guān)知識,以及用萬用表檢測判斷數(shù)碼管共陰/共陽屬性的技能。又如,學(xué)生在學(xué)習(xí)“中斷控制”時,需回顧C(jī)語言自定義函數(shù)編寫的要點。二是新舊并舉,耦合共進(jìn)。這主要是針對多項新的教學(xué)任務(wù)需反復(fù)依托某些舊技能的情況。如每開發(fā)一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),都需要用到EDA制圖軟件,但在單片機(jī)課程剛開始時,部分學(xué)生對EDA軟件的使用技能比較生疏,此時不必系統(tǒng)地回顧和復(fù)習(xí)EDA軟件的使用,而是利用每次新教學(xué)項目開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的契機(jī)引入EDA軟件制圖環(huán)節(jié),讓學(xué)生在反復(fù)練習(xí)中重拾舊技能,實現(xiàn)新知舊識的共同進(jìn)階。

(二)能崗一體,優(yōu)化教學(xué)項目設(shè)計

針對單片機(jī)課程教學(xué)項目與真實應(yīng)用場景脫節(jié)的現(xiàn)狀,教師需秉持能崗一體的設(shè)計理念,在深入調(diào)研生產(chǎn)一線和生活場景、提煉典型工作任務(wù)的基礎(chǔ)上對項目進(jìn)行優(yōu)化。一是按“實用+情境”的標(biāo)準(zhǔn)遴選項目內(nèi)容?！皢纹瑱C(jī)控制交通燈”鮮有實際應(yīng)用場景,但若將項目改成“單片機(jī)控制跑馬燈”,既可最大程度地保持原有的教學(xué)內(nèi)容不變,又因為該案例在真實生活情境中有跡可循,能真正實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容合理性與實用性的統(tǒng)一。二是按“類別+層次”編排教學(xué)時序。單片機(jī)控制的許多負(fù)載如LED、數(shù)碼管、點陣、液晶顯示均屬于顯示模塊,可將這些項目歸為一類,并根據(jù)模塊的復(fù)雜程度,設(shè)計“跑馬燈控制系統(tǒng)→數(shù)字時鐘→數(shù)字指示牌→俄羅斯方塊游戲機(jī)”的序列化進(jìn)階式項目群,加強(qiáng)項目間的有機(jī)聯(lián)系。三是按“規(guī)范+開放”原則優(yōu)化綜合項目。在課程的后半段,學(xué)生已初步具備單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)能力。此時若在項目中繼續(xù)設(shè)置過多限制(如給出唯一的原理圖、規(guī)定可使用的元器件),不利于學(xué)生發(fā)散性思維等高階專業(yè)能力的培養(yǎng)。教師可在設(shè)定必要的技術(shù)規(guī)范的前提下,讓學(xué)生自主制定設(shè)計方案,為學(xué)生融入真實的工作崗位做好必要的鋪墊。

(三)虛實結(jié)合,強(qiáng)化閉環(huán)實景訓(xùn)練

針對單片機(jī)課程教學(xué)中過度側(cè)重仿真軟件的課堂樣態(tài),有必要強(qiáng)化基于實物的操作訓(xùn)練,補齊學(xué)生因過于依賴仿真軟件造成的專業(yè)能力短板。具體可從以下三方面入手。一是優(yōu)化課程結(jié)構(gòu),提高實物操作課時配比。對缺少實物訓(xùn)練或?qū)嵨镉?xùn)練比例過低的職業(yè)院校,需調(diào)整課程計劃,在課時分配上體現(xiàn)每個單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)項目都包含實物訓(xùn)練的總體原則。二是結(jié)合軟件仿真,擴(kuò)充實物操作教學(xué)內(nèi)容。在課程標(biāo)準(zhǔn)上,明確實物教學(xué)的具體內(nèi)容。在課程實施時,所有的教學(xué)項目不僅要在仿真中達(dá)到設(shè)計效果,還要制作出實物,并在實物中調(diào)試出相應(yīng)的結(jié)果。在此過程中,學(xué)生要熟悉從軟硬件設(shè)計到產(chǎn)品制作、調(diào)試的所有環(huán)節(jié),并有機(jī)會應(yīng)對處理仿真軟件與實物調(diào)試結(jié)果不一致等高級技術(shù)難題,從而獲得真實單片機(jī)開發(fā)所需的閉環(huán)式全過程體驗。三是完善設(shè)施保障,配齊實物操作教學(xué)資源。要提前規(guī)劃,安排好單片機(jī)實物開發(fā)所需的訓(xùn)練場地、PCB制版設(shè)備、焊接臺等設(shè)施,預(yù)備好數(shù)量充足的芯片、元器件等材料,確保實物操作有序、有效開展。

(四)多元評價,深化考核機(jī)制改革

要打破單片機(jī)課程評價內(nèi)容單薄、形式單調(diào)、主體單一的困境,職業(yè)院校需從以下三方面入手。一是堅持學(xué)校與企業(yè)并舉。邀請企業(yè)一線技術(shù)骨干參與課程評價方式制訂、考核實施等環(huán)節(jié),確保評價內(nèi)容與生產(chǎn)實際相符,評價主體應(yīng)多元多樣,規(guī)避因教師自身專業(yè)能力局限對評價結(jié)果造成的偏差,彰顯企業(yè)在職業(yè)教育中辦學(xué)主體的地位。二是堅持過程與結(jié)果并重。摒棄“一考定乾坤”的陳舊考評理念,增加平時的項目學(xué)習(xí)成果在課程考核中的權(quán)重,將項目開發(fā)中的工藝水平、操作規(guī)范等內(nèi)容納入評價體系。有條件的學(xué)校也可增設(shè)項目展示環(huán)節(jié),并將學(xué)生展示中的表現(xiàn)如語言表達(dá)、課件制作等作為考核指標(biāo),盡可能形成多維、全面、客觀的評價機(jī)制。三是堅持傳統(tǒng)與創(chuàng)新并存。一方面,保留已有評價機(jī)制中合理、有效的成分。另一方面,充分挖掘資源,創(chuàng)新評價機(jī)制。有條件的職業(yè)院?？衫眯畔⒓夹g(shù),收集能表征學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)能力的數(shù)據(jù)(如軟、硬件系統(tǒng)的設(shè)計用時,元器件、耗材的花費成本,電路焊制過程中需要返工的焊點個數(shù)等),作為專業(yè)水平評估的重要數(shù)據(jù)來源。

五、結(jié)語

當(dāng)前職業(yè)教育正處于大有可為的戰(zhàn)略機(jī)遇期,而電子信息領(lǐng)域又處于技術(shù)更新迭代的上升期。“單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用”是職業(yè)院校電子信息專業(yè)的一門核心課程,在雙期疊加的關(guān)鍵階段,教師需深刻理解職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的本質(zhì)內(nèi)涵,把握電子信息技術(shù)發(fā)展的基本規(guī)律,擺脫教學(xué)困境,優(yōu)化課堂生態(tài),助力職業(yè)院?！叭谈母铩钡膶嵤ＯＭ疚奶接懙膶嵤┎呗阅芙o職業(yè)院校單片機(jī)課程的教學(xué)改革帶來些許啟示,并在持續(xù)的實踐中得到改進(jìn)和完善,為單片機(jī)課程教學(xué)效果的提升和職業(yè)院校的提質(zhì)培優(yōu)、增值賦能提供強(qiáng)有力的支持。