“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)研究和改革

摘要：在現(xiàn)代社會信息化、數(shù)字化、萬物互聯(lián)的大背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。針對“單片機(jī)原理與應(yīng)用” 課程信息量大、抽象難懂、學(xué)時少、實(shí)踐能力要求高等問題，文章提出了一種基于PBL（Problem Based Logic）貫穿式項(xiàng)目的三級分類培養(yǎng)仿真教學(xué)法，將物料計(jì)數(shù)器作為貫穿式項(xiàng)目融入所有章節(jié)的學(xué)習(xí)，以問題為導(dǎo)向?qū)⑵浞譃榛A(chǔ)功能（一級）、擴(kuò)展功能（二級）和創(chuàng)新功能（三級）并以教師仿真演示為輔、學(xué)生仿真實(shí)操為主進(jìn)行項(xiàng)目練習(xí)。同時，對課堂教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施手段、考核方式等方面也進(jìn)行了改革。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法激發(fā)了學(xué)生對前期理論知識的學(xué)習(xí)熱情，對學(xué)生快速上手、入門單片機(jī)，增強(qiáng)動手實(shí)踐能力具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：PBL；貫穿式項(xiàng)目；三級分類培養(yǎng)；單片機(jī)

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在當(dāng)前教育改革的浪潮下，傳統(tǒng)的教學(xué)模式正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。尤其是在信息技術(shù)、數(shù)字化和萬物互聯(lián)快速發(fā)展的社會背景下，“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這門課程的理論教學(xué)現(xiàn)狀更是凸顯出種種問題。作為機(jī)械電子工程的專業(yè)核心課程，該課程對于培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)合作精神具有重要作用。然而，由于課程內(nèi)容的信息量大、抽象難懂以及學(xué)時有限等問題，學(xué)生普遍面臨著“眼高手低”的困境，即理論知識掌握不牢固，實(shí)踐操作能力弱，難以快速入門和深入學(xué)習(xí)［1］。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于PBL貫穿式項(xiàng)目的三級分類培養(yǎng)仿真教學(xué)法。該方法通過將物料計(jì)數(shù)器項(xiàng)目作為貫穿式項(xiàng)目，融入所有章節(jié)的學(xué)習(xí)中，以問題為導(dǎo)向?qū)⑵浞譃榛A(chǔ)功能、擴(kuò)展功能和創(chuàng)新功能3個層級。同時，采用教師演示為輔、學(xué)生實(shí)操為主的教學(xué)方式，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐操作能力和問題解決能力。此外，對課堂教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施手段及考核方式也進(jìn)行了相應(yīng)的改革，更加注重學(xué)生的能力培養(yǎng)。

實(shí)踐證明，這種教學(xué)法能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助他們快速理解并應(yīng)用前期學(xué)習(xí)的理論知識，顯著提升學(xué)生的動手實(shí)踐能力。這不僅為解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題提供了一種有效的解決方案，而且對于提升學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐能力具有重要意義。

1 課程概述與教學(xué)現(xiàn)狀分析

本節(jié)首先對“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程進(jìn)行了課程概述，并對課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容2方面內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后對教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的剖析。

1.1 課程概述

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是機(jī)械電子工程的專業(yè)核心課程，主要為大二學(xué)生開設(shè)。采用OBE理念［2-3］，以成果為導(dǎo)向，即學(xué)生畢業(yè)后能干什么來確定課程目標(biāo)。最終確定的知識目標(biāo)為：掌握計(jì)算機(jī)的基本知識，掌握單片機(jī)硬件構(gòu)成和基本原理，掌握常用匯編及C語言的程序結(jié)構(gòu)和編程環(huán)境，掌握小型單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程與實(shí)現(xiàn)方法。能力目標(biāo)為：具備分析功能搜集資訊的能力，具備單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)能力，具備單片機(jī)應(yīng)用的硬件電路設(shè)計(jì)能力，具備單片機(jī)系統(tǒng)的軟件程序編寫能力，具備單片機(jī)系統(tǒng)的軟件程序和硬件電路的調(diào)試能力，能進(jìn)產(chǎn)品裝配、焊接、制作和功能測試。素質(zhì)目標(biāo)為：培養(yǎng)耐心細(xì)致的工作態(tài)度和團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)規(guī)范的操作習(xí)慣，樹立安全意識，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，樹立社會責(zé)任感和使命感。

以項(xiàng)目式仿真為載體，以能力目標(biāo)實(shí)現(xiàn)為主線強(qiáng)化知識目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)的達(dá)成。教學(xué)內(nèi)容分為38課時的理論，10課時的實(shí)驗(yàn)和2周的實(shí)踐。

1.2 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

但是針對前期枯燥的理論課程，老師如何教學(xué)，學(xué)生如何快速上手、快速入門，都是大難題。在單片機(jī)課程的教學(xué)實(shí)踐中，觀察到學(xué)生普遍存在理論認(rèn)知與實(shí)踐技能不匹配的現(xiàn)象。當(dāng)授課內(nèi)容涉及關(guān)鍵概念和難點(diǎn)時，教師會特別強(qiáng)調(diào)其重要性并要求學(xué)生深入理解。雖然多數(shù)學(xué)生在課堂上能夠跟隨教師的講解節(jié)奏進(jìn)行互動，表現(xiàn)出一定的理解程度，但在隨后的測驗(yàn)和實(shí)際操作中，他們的表現(xiàn)通常未達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。這一現(xiàn)象揭示了學(xué)生在理解應(yīng)用方面的不足以及學(xué)習(xí)主動性的缺乏，這些因素是導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)成效不佳的主要原因。進(jìn)一步分析顯示，學(xué)生的動手能力相對匱乏，但擅于應(yīng)對書面考試以獲取高分，這對于一門高度重視實(shí)踐能力的課程來說，顯然無法滿足教學(xué)目標(biāo)的要求［4］。

2 教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)

為了解決上述問題，筆者參考專業(yè)認(rèn)證的各項(xiàng)理念，圍繞支撐畢業(yè)要求的課程目標(biāo)，進(jìn)行了以下3個方面的教學(xué)改革設(shè)計(jì)。

2.1 采用基于PBL貫穿式項(xiàng)目的三級分類培養(yǎng)仿真教學(xué)法

本文提出了一種基于PBL的貫穿式項(xiàng)目三級分類培養(yǎng)仿真教學(xué)法。

2.1.1 貫穿式項(xiàng)目的確定

通過梳理教材中10個章節(jié)的全部知識點(diǎn)，從各類單片機(jī)應(yīng)用案例中選擇確定了物料計(jì)數(shù)器作為貫穿式項(xiàng)目并從第三周開始仿真實(shí)操練習(xí)。“物料計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)”項(xiàng)目可貫穿到教材中多個章節(jié)的多個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，如第3章和第4章的匯編語言和C語言程序設(shè)計(jì)，第5章的KeilC51集成環(huán)境的使用，第6章的Proteus軟件的使用，第7.2節(jié)的定時計(jì)數(shù)器，7.4節(jié)的中斷系統(tǒng)，8.2節(jié)的數(shù)碼管的靜態(tài)和動態(tài)顯示，8.3節(jié)的LCD液晶顯示屏節(jié)，8.4節(jié)的獨(dú)立按鍵和矩陣鍵盤，第9章的AD、DA轉(zhuǎn)換器，第10章的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)。將其功能不斷擴(kuò)展、更新、變種，物料計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)幾乎可以涵蓋和銜接整個單片機(jī)課程教材的第1章到最后一章即第10章所有知識點(diǎn)的內(nèi)容，如圖1所示。

2.1.2 基于PBL問題導(dǎo)向的三級分類培養(yǎng)

以問題為導(dǎo)向?qū)⑽锪嫌?jì)數(shù)器項(xiàng)目要求分為基礎(chǔ)功能、擴(kuò)展功能和創(chuàng)新功能3個層級，鼓勵學(xué)生根據(jù)不同的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力，完成不同的內(nèi)容。

其中，基礎(chǔ)功能為一級功能，要求所有學(xué)生必須完成。包括：來料檢測、統(tǒng)計(jì)次數(shù)（外部中斷法）和顯示料數(shù)。

擴(kuò)展功能為二級功能，要求一部分學(xué)生課上、課后自主完成。主要包括：（1）傳送帶送料控制（傳送帶啟?？刂飘a(chǎn)線是否加工來料）；（2）預(yù)制打包物料數(shù)目（比如修改設(shè)置10個一捆打包，或50、100等一捆打包）；（3）打包提醒提示；（4）多位物料統(tǒng)計(jì)和顯示；（5）顯示設(shè)備多樣化（比如從OLED換成LCD顯示）；（6）控制打包機(jī)打包等。

創(chuàng)新功能為三級功能，需要考慮是否商品化、市場化，是否可變種升級，是否有做項(xiàng)目、參加比賽和申請專利的可能性。學(xué)生在不同周次用不同章節(jié)的知識點(diǎn)完成的基礎(chǔ)功能仿真動畫，如圖2所示。包括：第3、4周，小燈控制和2款軟件的使用；第5、6周，聲光報(bào)警系統(tǒng)；第7周，獨(dú)立按鍵查詢；第8、9周，定時計(jì)數(shù)器；第10、11周，中斷系統(tǒng)；第12周，數(shù)碼管；第13周，液晶顯示器等知識點(diǎn)。經(jīng)過擴(kuò)展后，可完成功能更全的物料計(jì)數(shù)器。

2.1.3 教師演示為輔學(xué)生實(shí)操為主的仿真教學(xué)

通過機(jī)房仿真，實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和焊接實(shí)驗(yàn)室實(shí)物制作的多個平臺的層層加碼，學(xué)生對物料計(jì)數(shù)器、直流電機(jī)調(diào)速控制等項(xiàng)目，也有更多的經(jīng)驗(yàn)和受益。

2.2 采用基于過程的六步法實(shí)施實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)

實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐內(nèi)容采用基于過程的六步法，通過6個有序的步驟來引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，包括：（1）資訊。查找資料確定任務(wù)。（2）計(jì)劃。制定計(jì)劃和工作流程初步擬訂方案。（3）決策。確定整體設(shè)計(jì)方案。（4）實(shí)施。完成硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)完成調(diào)試。（5）檢查。進(jìn)行仿真運(yùn)行和測試完善和改進(jìn)設(shè)計(jì)與制作。（6）評價。對任務(wù)完成情況進(jìn)行考核評價。

整個過程學(xué)生較感興趣，可以有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)物的制作與調(diào)試，包括：物料計(jì)數(shù)器、自動澆花器、汽車倒車?yán)走_(dá)、簡易電風(fēng)扇、萬年歷、電子密碼鎖、電子時鐘、智能手環(huán)、智能臺燈、簡易電子秤等。

2.3 教學(xué)手段和教學(xué)資源多樣化

通過生活案例引出單片機(jī)的概念，如由倒?jié)M水的杯子溢出，引出定時器的溢出。除了在學(xué)習(xí)通、慕課開放多個視頻資源，每節(jié)課會提前一周在QQ群發(fā)布學(xué)習(xí)目標(biāo)以及課后答疑［5］。采用視頻法導(dǎo)入物料計(jì)數(shù)器的項(xiàng)目要求，對來料檢測、統(tǒng)計(jì)次數(shù)、顯示料數(shù)有初步的直觀概念，并演示動畫，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)每10個一組打包以及一位數(shù)碼管顯示料數(shù)。教師演示為輔，講清思路后，學(xué)生實(shí)操為主。在實(shí)現(xiàn)手段上，注重細(xì)節(jié)，將故事法、類比法、翻轉(zhuǎn)課堂、過程激勵法等多種教學(xué)方法融合，且將學(xué)習(xí)通平臺、QQ群公告等資源合理利用，給學(xué)生創(chuàng)造更多的學(xué)習(xí)途徑［6］。針對課程內(nèi)容的所有知識點(diǎn)進(jìn)行了課程思政的深入思考，將思政元素融入并貫穿到課程始終。

3 教學(xué)考核與改革效果評價

課程評價中過程考核和期末考試各占比50%，其中加分政策鼓勵了學(xué)生的積極性。最終的學(xué)習(xí)效果較好，部分學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)作品完成度較高，在相關(guān)比賽（如飛思卡爾智能車、大學(xué)生機(jī)器人比賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等）也獲得了較好的成績；部分學(xué)生進(jìn)入電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)調(diào)試等崗位，深受企業(yè)好評。

4 結(jié)語

為解決“單片機(jī)原理與應(yīng)用”傳統(tǒng)的復(fù)雜枯燥的理論教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果，提高培養(yǎng)應(yīng)用型人才的質(zhì)量，本文提出了基于貫穿式項(xiàng)目的三級分類培養(yǎng)仿真教學(xué)法，以物料計(jì)數(shù)器作為典型案例進(jìn)行貫穿教學(xué)并在每節(jié)課設(shè)計(jì)不同層次的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，以滿足不同學(xué)生的需求。利用仿真軟件來模擬單片機(jī)的工作原理和應(yīng)用場景，讓學(xué)生在沒有實(shí)際硬件的情況下也能上機(jī)實(shí)驗(yàn)。采用基于過程的六步法實(shí)施實(shí)物調(diào)試的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，并將教學(xué)手段和教學(xué)資源多樣化，從課堂提問、課堂仿真實(shí)驗(yàn)完成度和作業(yè)完成度以及期末考試情況來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和效果有了較大的提高。通過以上教學(xué)改革，效果最明顯的是，從課堂上涌現(xiàn)了一批對單片機(jī)控制和應(yīng)用感興趣的學(xué)生，積極參加相關(guān)比賽并取得了不錯的成績。同時，本文的研究不僅有助于推動“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)改革，也為其他技術(shù)含量高、信息量大、理論與實(shí)踐并重的課程提供了有益的參考和啟示。

參考文獻(xiàn)

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［2］何東彬，祁瑞麗，朱艷紅.基于OBE和競賽的“人工智能導(dǎo)論”課程改革探索：以工程教育認(rèn)證為背景［J］.無線互聯(lián)科技，2024（8）：106-109，124.

［3］鄭曉東，朱薇.基于雙導(dǎo)向的深度OBE教學(xué)模式研究與設(shè)計(jì)［J］.無線互聯(lián)科技，2023（14）：129-132.

［4］黃恒一，付三麗.混合“線上”+“線下”嵌入式課程考核改革研究［J］.無線互聯(lián)科技，2023（16）：150-153.

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［6］孟錦濤，汪嬋，劉曉偉，等.基于線上線下的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”混合式教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.無線互聯(lián)科技，2023（11）：141-145.

（編輯 沈 強(qiáng)）

Research and reform on the teaching of “Microcontroller Principles and Applications” course：

three level classification training simulation teaching method based on continuous projects

LIU Jie， WU Yang， ZHANG Yaqin， LI Manman

（School of Intelligent Equipment Engineering，Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract： In the context of modern society’s informatization， digitization， and the interconnection of all things， traditional teaching methods are difficult to achieve ideal teaching results. This article proposes a three-level classification training simulation teaching method based on Problem Based Logic （PBL） continuous project to address the problems of large amount of information， abstract and difficult to understand， few class hours， and high practical ability requirements in the course of “Microcontroller Principles and Applications”. The material counter is integrated into all chapters of the learning as a continuous project， and is divided into basic functions （level 1）， extended functions （level 2）， and innovative functions （level 3） with a problem oriented approach. The project practice is supplemented by teacher simulation demonstrations and student simulation practical operations. At the same time， reforms have been made in classroom teaching design， implementation methods， assessment methods， and other aspects. The practical results show that this method has stimulated students’ enthusiasm for learning theoretical knowledge in the early stage， played an important role in quickly getting started with microcontrollers， and enhancing their hands-on practical abilities.

Key words： PBL; through project; three level classification cultivation; single chip