基于情境認知理論的高職單片機技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計與實踐研究

關(guān)鍵詞：情境教學(xué)；單片機；航空；導(dǎo)航燈；教學(xué)設(shè)計

0 引言

單片機技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門飛速發(fā)展的技術(shù)，其在教學(xué)及產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)推廣仍然是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的熱點。學(xué)習(xí)單片機并掌握其設(shè)計應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為電子類學(xué)生必須掌握的一門技術(shù)。

1 情境認知基本理論

情境認知是當(dāng)代西方學(xué)習(xí)理論繼行為主義“刺激—反應(yīng)”學(xué)習(xí)理論與認知心理學(xué)的“信息加工”學(xué)習(xí)理論后的又一個重要的研究取向。情境認知理論的代表人物布朗·科林斯與杜基德認為：知識是具有情境性的，知識是活動、背景和文化產(chǎn)品的一部分，知識正是在活動中，在其豐富的情境中，在文化中不斷被運用和發(fā)展著。學(xué)習(xí)的知識、思考和情境是相互緊密聯(lián)系的。知與行是相互的——知識是處在情境中并在行為中得到進步與發(fā)展的。

情境認知理論強調(diào)：學(xué)習(xí)的設(shè)計要以學(xué)習(xí)者為主體，內(nèi)容與活動的安排要與人類社會的具體實踐相聯(lián)通，最好在真實的情景中，通過類似人類真實實踐的方式來組織教學(xué)。西方教育家最早將情境教學(xué)模式運用于外語教學(xué)中，我國各院校也將該教學(xué)模式運用在英語、數(shù)學(xué)、物理等課程中[1]。

2 單片機課程改革思路

傳統(tǒng)課堂教學(xué)強調(diào)以教學(xué)大綱為綱，以教材為本，課堂教學(xué)過程中基本以教材安排的內(nèi)容和順序進行，學(xué)生以被動接受式學(xué)習(xí)為主。在多年的單片機教學(xué)中學(xué)生普遍反映單片機太抽象、概念多、入門難、指令不易記等。學(xué)生感到枯燥乏味，學(xué)習(xí)難度很大，教師的課堂教學(xué)效果也不夠理想。創(chuàng)建有效的教學(xué)情境，能夠為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供認知停靠點，吸引學(xué)生，提高興趣度，提高上課效率。

將情境認知理論運用于單片機課程教學(xué)，并作了一些初步的嘗試與探索。如大量減少理論學(xué)時的教學(xué)，大幅度增加實踐學(xué)時的教學(xué)；又如打破原教學(xué)結(jié)構(gòu)的框架（即硬件結(jié)構(gòu)+軟件編程+系統(tǒng)設(shè)計），將單片機課程的核心知識點分解成數(shù)個教學(xué)情境，通過情境的構(gòu)建激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)情境，組合和搭建難度遞進的項目任務(wù)，在教師的有效指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體完成任務(wù)。

課程根據(jù)航空企業(yè)中以單片機為基礎(chǔ)的電子產(chǎn)品開發(fā)崗位中，完成產(chǎn)品開發(fā)工作過程所需要的知識、能力、素質(zhì)要求，結(jié)合高級維修電工、電子設(shè)計工程師和單片機應(yīng)用工程師等職業(yè)資格認證內(nèi)容，選取教學(xué)內(nèi)容[2-4]。以課程標(biāo)準(zhǔn)的要求對典型工作任務(wù)、知識、能力進行序化、分解、重構(gòu)，重構(gòu)成17個面向航空特色的教學(xué)案例，將案例分解為任務(wù)，案例的實施過程就是一個一個任務(wù)完成的過程，教學(xué)案例如表1。

3 課程教學(xué)設(shè)計與實施

通過創(chuàng)建有效的教學(xué)情境，構(gòu)成“情境—提問—解決—應(yīng)用—情境—提問—解決—應(yīng)用……”不斷延伸的單片機教學(xué)基本模式。根據(jù)情境，組合和搭建難度逐層遞進的項目任務(wù)，以學(xué)生為主體實施分層遞進教學(xué)。以飛機導(dǎo)航燈為例（授課時長90分鐘），教學(xué)設(shè)計如下。

3.1 課前第一步“看”

課前預(yù)習(xí)：學(xué)生使用智慧樹MOOC 線上平臺完成課前自主學(xué)習(xí)。

情境預(yù)熱：學(xué)生觀看微課視頻LED 不同閃爍頻率；觀看慕課視頻飛機導(dǎo)航燈。

線上討論：“同學(xué)們，我們已經(jīng)學(xué)會了點亮一盞燈，如何讓 LED 燈實現(xiàn)飛機導(dǎo)航燈閃爍的效果呢？”

學(xué)生完成在線學(xué)習(xí)課前測試。

設(shè)計思路：微課視頻為課堂情境相關(guān)動畫，可增加趣味性，更加形象直觀呈現(xiàn)知識點，為突破和分解本節(jié)課的重點和難點做準(zhǔn)備，同時可補充 MOOC 錄播課視頻資源的不足。提前觀看 MOOC 相關(guān)章節(jié)微課視頻可提高線下課堂上課效率。 將上一次課內(nèi)容與本次課項目任務(wù)結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生課前主動探索思考，引導(dǎo)學(xué)生自主提出解決方案，激發(fā)開放性思維，開拓學(xué)生思路，進一步提高線下課堂的效率。布置和預(yù)習(xí)任務(wù)相關(guān)的課前測試題，檢測學(xué)生預(yù)習(xí)情況，根據(jù)完成情況及時調(diào)整線下課程相關(guān)環(huán)節(jié)，及時查漏補缺。

3.2 課中第二步“仿”

實施熱身活動（跟我做），構(gòu)建線下課堂+知到App教學(xué)。

情境：創(chuàng)設(shè)視頻教學(xué)情境一，學(xué)生觀看閃爍的航行燈短片，國內(nèi)首個自主研發(fā)的可裝在波音、空客飛機機身外部的國產(chǎn)化航空燈光產(chǎn)品，目前已由海航旗下祥鵬航空完成了首架A320 飛機的裝機驗證。創(chuàng)設(shè)實物教學(xué)情境二，教師演示單片機開發(fā)板相關(guān) LED 控件的使用[5]。

提問：教師提出問題，如何實現(xiàn)飛機航行燈效果？

解決：引導(dǎo)學(xué)生提出解決方案。

應(yīng)用：組織學(xué)生獨立仿照視頻完成初階任務(wù)飛機航行燈。

設(shè)計思路：通過多媒體創(chuàng)設(shè)的視頻情境了解航行燈的應(yīng)用，我國在此領(lǐng)域取得的發(fā)展，增強民族自信心自豪感。通過實物演示創(chuàng)建情境，讓學(xué)生感悟抽象知識提供所需要的具象的引導(dǎo)。引入單片機開發(fā)板，讓學(xué)生逐步熟悉開發(fā)板上的相關(guān)控件及使用方法，為后續(xù)學(xué)生單片機開發(fā)做鋪墊。初階任務(wù)學(xué)生可仿照教師錄課視頻實現(xiàn)飛機航行燈效果，教師通過提問，提供資源，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，提出解決問題的方案。

3.3 課中第三步“改”

（1） 實施破冰行動（一起做）

情境：創(chuàng)建教學(xué)情境三，教師通過開發(fā)板演示三種顏色白色、綠色、紅色燈不同頻率的閃爍效果 ，學(xué)生觀察實驗[6]。

提問：教師提出問題，以下問題通過智慧樹SPOC 翻轉(zhuǎn)課堂互動工具的隨機點名功能。

問題1：同學(xué)們，看到的 LED 燈是什么狀態(tài)？亮，滅，還是閃爍？由此教師引出滅燈指令。

問題2：三種顏色的燈閃爍快慢是否相同？

問題3：頻率和快慢的關(guān)系？頻率如何計算？

解決：引導(dǎo)學(xué)生分析討論，提出解決方案。

應(yīng)用：組織學(xué)生分組完成閃爍頻率不同的效果。

設(shè)計思路：借助實物創(chuàng)設(shè)情境，化抽象為具體，問題1的設(shè)定引導(dǎo)學(xué)生思考閃爍、亮、滅三種狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，助其理解原理，逐步突破難點。此前學(xué)生已學(xué)會點亮 LED 燈，由此引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題。問題2 的設(shè)定引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，如何控制時間？引出重要知識點延時程序的設(shè)計。分組式討論和實踐應(yīng)用突出學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位，增強學(xué)生合作和學(xué)習(xí)能力。

（2） 破冰行動（一起做）

情境：設(shè)置實踐教學(xué)情境四，模型演練，飛機航行燈可以用于判斷飛機在什么位置，一般來說，飛機航行燈的顏色和閃爍頻率可以用來判斷飛機的位置。

白色的航行燈表示飛機正在飛行，黃色的航行燈表示飛機正在降落，綠色的航行燈表示飛機正在爬升，紅色的航行燈表示飛機正在進機場[7]。

提問：（答題可通過智慧樹 SPOC 翻轉(zhuǎn)課堂互動工具的隨機搶答功能）。

問題1：飛機正在爬升時綠色航行燈的頻率？

問題2：硬件設(shè)計是否需要改？源程序應(yīng)如何修改？

解決：通過飛機模型情境演練，引導(dǎo)學(xué)生分析討論，提出解決方案。

應(yīng)用：采用隨機分組完成進階任務(wù)飛機正在進機場的紅色航行燈。

設(shè)計思路：創(chuàng)設(shè)實踐教學(xué)情境有利于學(xué)生遵循知識脈絡(luò)準(zhǔn)確把握學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生順利實現(xiàn)知識遷移和應(yīng)用；對需要舉一反三的提問，可用搶答功能，激發(fā)學(xué)生的積極性主動性，可活躍課堂氣氛。通過引導(dǎo)學(xué)生逐步瓦解突破難點，掌握重點，學(xué)生能夠看懂硬件設(shè)計，軟件部分也能夠準(zhǔn)確計算，并找到示例程序修改的地方。使用隨機分組，有效控制消除偏倚，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識。以學(xué)生為中心，學(xué)生從能看懂、到會改、到能根據(jù)要求實現(xiàn)硬件電路和軟件編程，必要時教師提供適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和支持，加強探究性操作，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題和解決問題的能力。

課堂小結(jié)：創(chuàng)建教學(xué)實例情境五，中國制造—2021 年海航技術(shù)“劉永慶創(chuàng)新工作室”成立以來首項工程技術(shù)創(chuàng)新成果，新產(chǎn)品共包含 3 個裝機型號，可代替當(dāng)前飛機上故障率較高的起飛燈、著陸燈、滑行燈、轉(zhuǎn)彎燈和航徽燈5 種傳統(tǒng)的鹵素?zé)襞荨Ｐ滦蚅ED 燈不僅功耗低于傳統(tǒng)的鹵素?zé)?，且理論使用壽命可達 3 萬小時以上，遠高于傳統(tǒng)鹵素?zé)魩装傩r的壽命，對于航空公司降低維修成本和提升航空安全都有非常積極的意義。提出問題，我們在設(shè)計導(dǎo)航燈的時候還需要考慮哪些？習(xí)近平總書記強調(diào)：只有創(chuàng)新才能自強、才能爭先，作為航空人的我們，該做哪些準(zhǔn)備呢[8]？

設(shè)計思路：小結(jié)呼應(yīng)開頭，進一步強化思政育人點，樹立家國情懷， 厚植航空報國志向。 鼓勵學(xué)生立遠大理想，為中華之崛起而讀書。

3.4 課后第四步“創(chuàng)”

實施創(chuàng)新活動（我會做）：使用微信/QQ+線下課堂構(gòu)建拓展課堂。

教師布置課后實踐任務(wù)：完成智慧樹MOOC精品課視頻飛機導(dǎo)航燈一節(jié)中的創(chuàng)“芯“大舞臺高階任務(wù)，教師下達《任務(wù)實施計劃表》《任務(wù)檢查自評表》課后實踐作業(yè)，線下教師輔導(dǎo)，線上微信/QQ 多形式互動。

設(shè)計思路：提出課后拓展高階任務(wù)，單片機開發(fā)產(chǎn)品以設(shè)計為主，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維；創(chuàng)“芯”大舞臺為開放創(chuàng)新性題目，有助培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維，多維度助力提升學(xué)生職業(yè)技能。

4 課程的考核和效果

4.1 課程的考核

設(shè)計各環(huán)節(jié)的考核標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的考核表格，形成對實踐能力、工程素質(zhì)、合作能力等綜合評價體系，各部分考核權(quán)重如表2。

所有環(huán)節(jié)在平臺上設(shè)置相應(yīng)權(quán)重輸出總成績，有效反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和能力達成，全程記錄和跟蹤教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，為課程診斷與改進提供有效數(shù)據(jù)支撐。

4.2 課程的評價

在95%置信度下，允許的抽樣誤差為5%，確定樣本量，樣本一：2021屆飛機電子設(shè)備維修專業(yè)師生，單片機技術(shù)課程未采用情境教學(xué)法。樣本二：2022屆飛機電子設(shè)備維修專業(yè)師生，單片機技術(shù)課程用任務(wù)引領(lǐng)的情境教學(xué)法，進行調(diào)查取樣，得到改革效果評價如表3。

通過以上表格可以看出，樣本一評價對象的打分值均在70至79之間，樣本二評價對象的打分值均在90至92之間，課程改革內(nèi)容的4個方面得分率都有所提高。

5 結(jié)論

將基于情境認知理論運用于高職單片機技術(shù)課程，通過創(chuàng)建有效的教學(xué)情境，構(gòu)成“情境—提問—解決—應(yīng)用—情境—提問—解決—應(yīng)用……”不斷延伸的單片機教學(xué)基本模式，可以突破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的局限性，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果。單片機技術(shù)課程重構(gòu)為面向航空領(lǐng)域的項目任務(wù)可提升學(xué)生的職業(yè)技能，助力我國培養(yǎng)航空高技能人才。