面向工程強化實踐的“單片機”課程改革與探索

王金波?姜華?王學惠?王立新

摘要：“單片機原理及應用”是機械類等專業必須掌握的一門重要專業基礎課，其教學效果直接影響單片機系統設計開發人才的培養質量。針對“單片機原理及應用”課程自身的特點及傳統教學模式存在的弊端，從課程人才培養目標、課程體系、教學內容、教學方法和手段等環節進行了改革與探索并運用在教學實踐活動中，取得了明顯的效果。

關鍵詞：單片機原理及應用；教學改革；CDIO工程教育理念

作者簡介：王金波（1976-），女，黑龍江依蘭人，黑龍江科技學院機械工程學院，副教授；姜華（1976-），男，滿族，遼寧鳳城人，黑龍江科技學院電信學院，工程師。（黑龍江 哈爾濱 150027）

基金項目：本文系黑龍江科技學院教學研究項目“基于CDIO理念的單片機課程教學模式改革與實踐”的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0077-03

“單片機原理及應用”是機械、計算機及自動化等專業一門重要專業基礎課，該課程多基礎、多理論、實踐性較強，在教學過程中必須軟件硬件結合，強調培養學生利用已學單片機知識解決實際工程問題的能力。但是傳統的教學模式存在課程內容設置不合理、教學方法單一、重理論輕實踐、理論教學與實踐教學脫節等諸多問題，再加上課程內容較抽象，沒有直觀的教學儀器和設備，學生很容易產生厭煩心理、放棄學習，無法達到預期的教學效果，嚴重影響了人才培養質量。本文旨在運用CDIO工程教育理念，采用先進的教學方法和手段，切實改善“單片機原理及應用”課程的教學效果，提高人才培養質量，為企業培養“留得下、用得上、出得去”的單片機系統設計及開發人才。

一、傳統教學模式存在的主要問題

現階段，在具體的教學過程中，不但學生普遍感到難學，授課教師也存在許多困惑。問題的癥結主要表現在以下幾點：

1.課程內容設置不合理

具體的授課內容是以單片機的結構與原理為主線，先介紹單片機的硬件結構，其次是指令、軟件編程，然后是單片機系統擴展和各種外圍器件的應用，最后列舉一至兩個實例。然而，當教師講到單片機抽象的內部結構、七種尋址方式以及煩雜的111條指令時，大部分學生就已經望而生畏了，漸漸失去了學習的興趣和信心。實際上，此時課程的核心部分，如軟、硬件開發的技巧學生還沒有開始學，他們甚至對一個單片機系統開發的全過程都不了解。試想，如此這般的教學效果與課程的教學目標是相背離的，完全抹殺了學生的學習興趣，同時，對于學生的自信心會造成極大地摧殘，同時，為學生以后的學習設下障礙，進而使培養單片機系統開發的技術人才終將成為一句空話。

2.學生存在差異，教學方法單一

自1999年我國高校擴招以來，高等教育規模迅速擴大。然而，擴招使得學生綜合素質下降，對專業知識的理解和掌握存在較大差異；尤其是學生的學習質量出現嚴重滑坡，主要表現在：學習氛圍不濃、學習態度不端正、學習方法不科學。[1]同時，教師在授課過程中無視學生個體之間的差異，對學生施以相同的教學方法，主要以單一的灌輸為主，無法激發學生的學習興趣，學生的求知欲、主動學習意識嚴重缺乏，課堂教學效果很差。

3.實驗設備不足，理論教學與實踐教學脫節

課程總學時為48學時，其中理論教學44學時，實驗環節設置2個實驗總計4學時，理論教學與實踐環節是脫離的。教學采用的實驗設備是實驗箱，但只有六個，且部分箱子已經損壞，學生無法進行電路的設計與搭接，只是簡單地連線，所以對于硬件設計無法進行鍛煉；電腦也只有三臺是好使的，學生對軟件編程更是無法涉獵。實際上，兩個實驗就是演示性的實驗，學生只是看下效果，同時，沒有設置課程設計環節，僅在下學期的期末設置一周（5天）工程實訓，而且在后續課程里沒有與“單片機原理及應用”這門課相關的課程。據不完全統計，機電專業學生畢業設計有近一半用到單片機相關知識，同時畢業生有近30%從事單片機系統設計相關的工作。由此不難看出，這種實踐條件根本就無法培養學生的實踐動手能力，嚴重影響了學生的畢業與就業。

4.教師隊伍年輕化

目前，本課程教師大部分是學校到學校的理論型、學術型青年教師；同時，由于教學任務繁重，教師缺乏機會和渠道接觸實際的工程項目；對于本學科的前沿知識匱乏；獨立承擔及完成單片機開發的科研項目能力比較弱。因此，在具體教學過程中，教師理論聯系實際的能力一般，很難調動學生學習的積極性，學生的理論與實踐脫節，實際動手能力、分析問題、解決問題的能力較差，極大地影響了人才培養質量。[2]

二、CDIO工程教育理念

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是由美國麻省理工學院、瑞典哥德堡查爾姆斯技術學院、瑞典皇家技術學院和瑞典林雪平大學等4所工程技術大學發起的一項工程教育改革計劃，以產品生命周期上的四個環節——構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）代表四個教育和實踐訓練環節。換言之，CDIO是產品從研發到運行的生命周期。[3]CDIO改革的主要目標是以C-D-I-O的產品生命周期為教育背景，以工程實踐為載體，使學生掌握基礎工程技術知識，培養動手操作能力，使學生在新產品的開發過程中引導創新，并理解研究和技術發展對社會的重要影響，承擔培養工程科技人才的社會責任。

CDIO工程教育理念是一整套符合工程科技人才成長規律和特點的教育模式，是全面培養發展創新型工程科技人才的有效途徑和方法。在“單片機原理及應用”課程教學中運用CDIO工程教育理念，將理論與實踐相結合、教育與工程實際相結合、知識與技能相結合，改進課堂教學、啟發學生思維、增強學生的思考能力和動手能力，為學生學好后續專業課程、更好地完成課程設計、畢業設計奠定堅實的基礎；同時，可強化黑龍江科技學院的“大德育、大工程、大實踐”的教育理念，[4]彰顯辦學特色；能夠大力培養思想道德素質高，基礎理論扎實、知識面寬、實踐能力強，具有創新精神的應用型高級專業人才，為人才更好更快地服務地方區域經濟，起著重要的指導作用。

三、教學改革的主要環節

1.制定課程的人才培養目標

深入從事單片機開發及應用企業，了解企業對人才的需求；走訪同類院校，進一步搜集、整理“單片機原理及應用”教學中好的做法，系統制訂課程的人才培養目標。

2.課程體系的改革

打破原有的課程體系。根據CDIO工程教育理念，構建理論與實踐相結合、教育與工程實際相結合、知識與技能相結合的課程體系。

3.教學內容的改革

打破原有以教材內容為主的教學內容。通過對企業進行調研，了解企業對單片機技術人才需求狀況，經過座談、討論由企業專家和教師共同確定課程面向的工作崗位，形成若干個教學項目，把每一個教學項目分解為若干個學習性工作任務，最后形成以項目為導向、以任務為驅動、將知識傳授與能力培養融為一體的教學內容。

4.教學模式的改革

本課程將采用“全過程工學結合”的教學模式，即將傳統教學中的教室移至校內實訓室，以實訓室真實的場景、真實的設備為背景，按照教、學、做一體化的教學模式進行仿真教學，使學生在校內就可進行單片機產品設計與開發等能力的訓練，并將職業道德和情感態度有機地融合，為學生畢業與就業的“零距離”對接奠定基礎。

5.教學方法和手段的改革

在具體教學環節中，主要采用“任務驅動”、“小組合作學習”及“案例分析”等先進教學方法，讓學生“學中做、做中學”，重點培養學生的創新能力、實踐動手能力及團隊合作精神，同時對學生的人文素養、職業道德和法律知識進行強化。

運用模塊化機器人、單片機實驗箱及開發板等實訓設備，進行仿真一體化教學，將現代教育技術，即PPT技術、Flash技術及視頻技術，網絡技術引進課堂教學，通過大容量的信息和豐富多彩的形象描述與實物展示，將課程中抽象的內容形象化、真實化，有效地化解教學中的重點和難點，從而提高教學質量及教學效果。

整合、優化實驗室現有資源，利用Proteus等仿真軟件建立虛擬實驗室，繼續加強校內實訓基地的建設，為學生在校體驗單片機系統開發全過程奠定良好的基礎。同時，充分調動企業的積極性，建立校企合作機制，采取“校企合作”的方式，建立校外實訓基地，實現“校企雙贏”的目標。

建立單片機學習網站，讓學生課下也能自主地學習和交流。同時，開展學生科研訓練計劃，使學生接受特定的科學研究方法訓練，進而培養學生的工程意識及工程實踐能力。

聘請企業專家作為兼職教師，定期開設與單片機系統研發技術相關的學術講座使學生了解、掌握行業最前沿的科技動態，從而為培養高質量應用型人才奠定堅實基礎。

6.評價與考核方式的改革

為了更好地調動學生學習的積極性、主動性，全面客觀地考查學生的綜合素養，課程采用過程評價與課程評價相結合的方式，即根據學生在學習性工作任務實施過程中的表現、學習成果等進行任務評價，每個教學項目完成后，組織一次項目評價；當所有教學項目完成后進行課程評價。過程評價與課程評價的成績比重為6∶4。[5]

四、教學設計

有效的教學設計有助于學生開展具體學習活動，糾正學生行為以幫助學生有效地完成學習目標。“單片機原理及應用”課程教學設計堅持以項目為導向、以任務為驅動、基于完成任務的工作過程進行設計；以學生職業能力培養為主線，突出綜合素質培養。其中包括：制定教學內容、教學目標、教學方法與組織形式以及評價是否達到教學目標的方法。下面通過具體設計一次課來闡述相關環節。

教學內容——學習項目：模擬汽車轉向燈；任務單元：轉向燈的閃爍。

教學目標——專業能力目標：了解單片機I/O口的結構，掌握單片機與發光二極管接口電路的設計方法；引入延時的概念，掌握延時子程序的作用。方法能力目標：具備自學能力、理解能力與表達能力。社會能力目標：具備團隊協作能力、計劃組織能力與安全意識。

教學方法與組織形式——教學方法：在校內實訓室，運用多媒體及實驗室教學資源，采用“以項目為導向，以任務為驅動”的教學方法，融教、學、做于一體。組織形式：全程采用“任務驅動”的形式，讓學生在完成“任務”過程中掌握知識、技能和方法；真正體現教學中學生的主體地位和教師的主導地位；充分發揮學生的主觀能動性，培養他們自主學習能力，鍛煉他們的創造性思維，全面提升他們的綜合素質。教學過程：具體教學過程如圖1所示。

情景導入（5分鐘）：播放正在路上行駛汽車轉向時的視頻，引入具體學習項目，分成兩個工作性任務，本次課只完成第一個任務——轉向燈的閃爍。任務分析（5分鐘）：明確具體任務要求——AT89C51單片機作為主控機，用發光二極管模擬汽車轉向燈，設計發光二極管與單片機的接口電路，編寫軟件流程圖。小組討論（20分鐘）：學生分小組討論，自行完成相關任務，教師給予必要指導。任務完成后，選派一組來陳述任務具體完成情況。教師點評（15分鐘）：根據學生陳述情況，采用鼓勵、贊許等語氣進行點評，指出其設計中可取的方面以及存在的不足。同時，對于小組討論時發現的共性問題進行分析、講解相關知識。任務設計（40分鐘）：其他各組根據教師講解的相關知識點進一步完善任務，在此基礎上完成硬件電路的焊接，源代碼的編寫、編譯、下載以及演示。最后，教師對學生的學習成果進行評價。任務拓展（1分鐘）：要求學生利用課余時間，完成單片機與繼電器接口電路的設計。回顧總結（3分鐘）：由學生總結本次課的重點內容，教師加以歸納、補充。任務布置（1分鐘）：布置下次課任務——按鍵模擬轉向開關控制轉向燈閃爍，同時，布置預習及查找的相關內容。

與此同時，教師還采用國際通用的PDCA（戴明環）循環管理系統，即Plan（制定計劃）、Do（具體實施）、Check（檢查與分析）及Action（評價與調整）對整個教學過程進行管理，采取反思性教學，這樣每一輪下來都有不同的收獲，不但逐漸提升了課堂教學質量，而且自身的教學水平也得到了顯著提高。具體步驟如圖2所示。

經過全體課題組教師的不斷努力，“單片機原理及應用”課程教學改革已經取得了初步成效，教學效果得到了顯著提高。通過對黑龍江科技學院2008級和2009級學生進行試驗，結果證明學生實踐動手能力、主動學習的意識得到了極大增強，由原來的怕學、厭學轉變為喜歡學這門課程。課程結束后，一些學生成為本校航模協會、大學生科技協會等社團組織優秀隊員；部分學生通過導師制參與到教師的科研項目中，在這一過程中，學生的工程意識、實踐能力、創新能力和職業素養得到了進一步的加強，縮短了與企業之間的距離，進而得到了用人單位的認可。同時，教師的教學水平也得到了明顯提高，對加強師資隊伍建設起到了積極的作用。今后還將繼續努力，不斷研究、探索更為先進的教育理念和方法，進一步提高人才培養質量，為企業培養更優秀的單片機系統設計開發人才。

參考文獻：

[1]陳向奎，李元臣.單片機教學改革的思考與探索[J].洛陽師范學院學報，2012，（5）.

[2]林海鵬，王金波，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與實踐探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2011，（8）.

[3]張淑麗，劉勝輝，等.軟件工程CDIO綜合訓練項目設計與執行研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2011，（10）.

[4]趙國剛.三大教育理念與工程人才培養體系[J].高等工程教育研究，2009，（4）.

[5]王金波，姜華.煤礦機電專業“3+1”人才培養模式探索[J].黑河教育，2010，（4）.

（責任編輯：宋秀麗）