應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求下單片機(jī)課程教學(xué)改革

謝 云 王 艷 馬逸新

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 江蘇南京 210023

應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求下單片機(jī)課程教學(xué)改革

謝 云 王 艷 馬逸新

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 江蘇南京 210023

單片機(jī)原理及應(yīng)用是電氣信息類專業(yè)中一門應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)計(jì)劃中有著至關(guān)重要的課程地位，它不僅銜接著整個(gè)專業(yè)計(jì)劃中的基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程，同時(shí)也承擔(dān)著提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手水平，知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用技能的教學(xué)任務(wù)。根據(jù)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的特點(diǎn)，開展新模式課程教學(xué)，通過典型案例為主線整合知識(shí)體系，引入新考評(píng)機(jī)制，加強(qiáng)校企合作，拓寬課程發(fā)展渠道，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生進(jìn)行自我學(xué)習(xí)管理，增加團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提高解決問題能力，提升教學(xué)效果。

應(yīng)用型人才；教學(xué)案例；教學(xué)效果

2014年3月教育部改革方向已經(jīng)明確：全國(guó)普通本科高等院校1 200所學(xué)校中，將有600多所逐步向應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)型的大學(xué)本科院校正好占高校總數(shù)的50%[1]。應(yīng)用型本科重在“應(yīng)用”二字，要求以體現(xiàn)時(shí)代精神和社會(huì)發(fā)展要求的人才觀、質(zhì)量觀和教育觀為先導(dǎo)，以在新的高等教育形勢(shì)下構(gòu)建滿足和適應(yīng)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展需要的新的學(xué)科方向、專業(yè)結(jié)構(gòu)、課程體系，更新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和教學(xué)手段，全面提高教學(xué)水平，培養(yǎng)具有較強(qiáng)社會(huì)適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。要求各專業(yè)緊密結(jié)合地方特色，注重學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，從教學(xué)體系建設(shè)體現(xiàn)“應(yīng)用”二字，其核心環(huán)節(jié)是實(shí)踐教學(xué)。

通常來說“應(yīng)用型人才”這一定義是指把成熟的技術(shù)和理論應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)、生活中的技能型人才。即：能將專業(yè)知識(shí)和技能應(yīng)用于所從事的專業(yè)社會(huì)實(shí)踐的一種專門的人才類型，是熟練掌握社會(huì)生產(chǎn)或社會(huì)活動(dòng)一線的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，主要從事一線生產(chǎn)的技術(shù)或?qū)I(yè)人才，其具體內(nèi)涵是隨著高等教育歷史的發(fā)展而不斷發(fā)展的。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)科方向與技術(shù)門類劃分日益細(xì)化、專業(yè)化，電子設(shè)備及器件往高速化、微型化、低功耗、網(wǎng)絡(luò)化、智能化邁進(jìn)。單片機(jī)作為電子技術(shù)中經(jīng)典的器件歷經(jīng)數(shù)代發(fā)展、演進(jìn)之后，它的應(yīng)用已經(jīng)滲入到生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域[2]。如智能家電、智能儀表、汽車導(dǎo)航、高速列車控制系統(tǒng)、飛行器導(dǎo)航裝置、醫(yī)療器械、物聯(lián)網(wǎng)通訊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)終端、工業(yè)自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)處理、機(jī)器人技術(shù)等[3]。顯然，掌握單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為電氣信息類工程師的必備專業(yè)技能，同時(shí)相關(guān)領(lǐng)域?qū)夹g(shù)人才的需求量也非常大，所以諸多院校在當(dāng)前應(yīng)用型人才培養(yǎng)背景下尤其注重電類工科專業(yè)的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的發(fā)展，并將其定位為專業(yè)必修課程。

1 單片機(jī)課程教學(xué)改革具體內(nèi)容

1.1 整合課程知識(shí)體系

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中所涉及的基本概念、專業(yè)術(shù)語、指令系統(tǒng)、外圍芯片等較多，如果不對(duì)課程知識(shí)體系進(jìn)行有效梳理整合，那么將無法把握到知識(shí)間的關(guān)聯(lián)性，更談不上如何掌握知識(shí)，如何應(yīng)用知識(shí)。例如，以往我們講授知識(shí)是以章節(jié)編排順序進(jìn)行，先講單片機(jī)課程概述、然后講單片機(jī)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)(匯編指令系統(tǒng)、C語言編程)，接著講單片機(jī)內(nèi)部功能部件(定時(shí)器、串行接口、中斷管理系統(tǒng))，最后講單片機(jī)資源擴(kuò)展、功能擴(kuò)展和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。學(xué)生在授課過程中雖然學(xué)習(xí)了整個(gè)課程的所有知識(shí)點(diǎn)，但是，當(dāng)實(shí)際要將軟件與硬件知識(shí)結(jié)合完成一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)卻感到無從下手。學(xué)生普遍反映該門課程概念枯燥，指令繁雜，應(yīng)用抽象。基于以上信息反饋，筆者從多年的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)教學(xué)大綱中所涉及的知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)單元進(jìn)行重新整合，采取知識(shí)模塊化，從單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的角度將課程中所涉及的知識(shí)點(diǎn)劃分為以下幾個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)、I/O接口(顯示器、鍵盤)、 內(nèi)部部件資源(中斷管理系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信)、外部部件資源(并行擴(kuò)展、串行擴(kuò)展)。

同時(shí)，借鑒現(xiàn)代高等教育中的案例教學(xué)法，以典型案例為主線串接起各個(gè)知識(shí)模塊。案例的設(shè)定滿足知識(shí)間的遞進(jìn)規(guī)律，學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，具有可實(shí)現(xiàn)性、層次性、關(guān)聯(lián)性、靈活性與可擴(kuò)展性。在案例的分析過程中同時(shí)兼顧硬件電路設(shè)計(jì)與軟件編程，即同步實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)模塊化、軟件編程模塊化，這樣能有效引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和實(shí)現(xiàn)思想。以單片機(jī)最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過不同案例逐步帶入知識(shí)模塊，硬件設(shè)計(jì)中順序添加數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤模、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷管理系統(tǒng)等；同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)中順序添加C語言基礎(chǔ)語法、I/O口輸入/輸出程序控制、數(shù)碼管靜態(tài)顯示程序控制、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示程序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)程序、查詢方式處理定時(shí)器溢出和鍵盤掃描和中斷方式處理定時(shí)器溢出和鍵盤掃描等，部分案例與課程知識(shí)體系關(guān)系表如表1所示。教學(xué)過程中學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐，通過分析、解決這些典型案例不僅能產(chǎn)生直觀的、生動(dòng)的體驗(yàn)感觸，最為關(guān)鍵的是新知識(shí)點(diǎn)仍然在后續(xù)知識(shí)點(diǎn)中有所體現(xiàn)，這樣就創(chuàng)建了一種有形的知識(shí)關(guān)聯(lián)路徑，便于學(xué)生自我構(gòu)建對(duì)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系的有效認(rèn)知。當(dāng)然以上示范的僅僅是教學(xué)案例中的很小部分，其共性的特點(diǎn)是注重基礎(chǔ)，通用性強(qiáng)，但是沒有體現(xiàn)出較強(qiáng)的專業(yè)應(yīng)用，或者換個(gè)角度說課程教學(xué)中需要加強(qiáng)案例設(shè)計(jì)方面的專業(yè)特點(diǎn)以便適宜來自不同專業(yè)學(xué)生的發(fā)展需求。課程最后環(huán)節(jié)是通過引入專業(yè)性較強(qiáng)的系統(tǒng)級(jí)案例來進(jìn)行分方向教學(xué)，部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)案例與適用專業(yè)關(guān)系見表2。系統(tǒng)級(jí)的案例中都有涉及專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中一些其他課程，例如電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、C語言、傳感器技術(shù)等，這樣有益于學(xué)生了解專業(yè)課程體系，拓寬學(xué)生的專業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力[4]。

表1 案例與課程知識(shí)體系關(guān)系

表2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)案例與適用專業(yè)

1.2 課堂教學(xué)組織新思路

課堂教學(xué)中根據(jù)實(shí)施時(shí)間先后分為4個(gè)環(huán)節(jié)，引入基礎(chǔ)案例進(jìn)行知識(shí)講授、課后分組進(jìn)行案例拓展、課中分組匯報(bào)與討論分析、課后總結(jié)形成文檔報(bào)告。為了促進(jìn)每個(gè)學(xué)生積極參與到課程學(xué)習(xí)，開課前在授課教師的引導(dǎo)下全體學(xué)生經(jīng)過協(xié)商自愿組成學(xué)習(xí)小組，每個(gè)小組推選一位負(fù)責(zé)人擔(dān)任小組長(zhǎng)，由小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織本組成員在課后開展案例拓展工作；安排本組某一成員作為代表在課堂匯報(bào)環(huán)節(jié)講述案例拓展思路并展示軟、硬件的成果，同時(shí)小組長(zhǎng)擔(dān)任課堂匯報(bào)環(huán)節(jié)中其他小組的評(píng)委，針對(duì)案例拓展工作量是否達(dá)標(biāo)，硬件電路是否標(biāo)準(zhǔn)、軟件設(shè)計(jì)是否規(guī)范、預(yù)期功能是否實(shí)現(xiàn)以及軟件操作是否熟練等項(xiàng)進(jìn)行評(píng)判并給出評(píng)分；課后組織組員按照課堂集中討論分析的結(jié)果以及授課教師和其他小組給出的意見進(jìn)行方案改進(jìn)，并總結(jié)形成報(bào)告文檔。

1.2.1 知識(shí)模塊案例化講授

以知識(shí)模塊化為基礎(chǔ)，結(jié)合典型的案例，先提出問題，然后引導(dǎo)學(xué)生分析問題，接著提出解決相應(yīng)具體問題所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理。例如，講授單片機(jī)硬件系統(tǒng)時(shí)，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一案例，依次提出若干個(gè)關(guān)聯(lián)性問題：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)包括哪幾部分電路？如何實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位？系統(tǒng)復(fù)位后，MCU芯片內(nèi)部各部件的初始狀態(tài)如何？系統(tǒng)工作的時(shí)鐘來源哪里？單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展時(shí)與外部器件、設(shè)備信息交換的通道是什么？通過一個(gè)個(gè)問題的剖析順序代入與講解最小系統(tǒng)組成，復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、初始狀態(tài)等知識(shí)。以該案例為鋪墊可以接著設(shè)定引出下一個(gè)案例，例如模擬開關(guān)或廣告流水燈控制，提出以下若干問題：?jiǎn)纹瑱C(jī)I/O引腳如何驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管？如何實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)間延時(shí)時(shí)間的控制?如何讀取單片機(jī)I/O引腳的輸入狀態(tài)？授課教師將會(huì)從I/O引腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合C51語言編程來講授與案例有關(guān)的電路與程序設(shè)計(jì)、軟件仿真分析以及硬件制作。以此類推，設(shè)定的案例逐步升級(jí)，涉及的知識(shí)模塊也在不斷疊加，最終完成所有知識(shí)點(diǎn)的鏈接與集成。案例分析是知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，知識(shí)點(diǎn)又應(yīng)用于案例，原理與實(shí)踐融合成有機(jī)整體。

1.2.2 課后分組完成案例拓展

以課堂上教師講授的案例為基礎(chǔ)，各學(xué)習(xí)小組進(jìn)行案例拓展，拓展內(nèi)容自由發(fā)揮，形式可以多樣，拓展內(nèi)容大體涉及：硬件拓展升級(jí)和軟件拓展升級(jí)。硬件拓展升級(jí)是指學(xué)生可以在原有案例基礎(chǔ)上增加內(nèi)部功能部件的使用或添加新的外圍電路使得硬件系統(tǒng)更加復(fù)雜。軟件拓展升級(jí)是指學(xué)生保留原有案例硬件電路的基礎(chǔ)上，完善程序，豐富其功能，又或者是基于硬件拓展升級(jí)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)理念從而產(chǎn)生一個(gè)全新的系統(tǒng)化成果。例如，顯示器模塊，教師可以引入基礎(chǔ)案例，例如：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立數(shù)碼管靜態(tài)顯示任意整型數(shù)，那么各小組的拓展思維可以向多方向發(fā)展，以下用框圖展示某一組學(xué)生采用的拓展路徑(如圖1所示)。

圖1 案例拓展思維路徑

課后學(xué)生完成案例拓展工作，就必須要鞏固知識(shí)、查閱資料、集體討論、仿真分析與驗(yàn)證。學(xué)生在這樣的實(shí)踐過程中逐步得到鍛煉，而團(tuán)隊(duì)式的學(xué)習(xí)，更有利于他們集體意識(shí)、組織能力、合作精神的培養(yǎng)，與應(yīng)用型人才整體素質(zhì)的發(fā)展目標(biāo)相一致。

1.2.3 課上分組匯報(bào)與評(píng)分

案例拓展的成果將由本組選派的代表向全體同學(xué)和老師陳述，包括拓展思路、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件功能規(guī)劃以及編程思想等。陳述后，由評(píng)委組按照各評(píng)分項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)做出評(píng)分(評(píng)委組由授課教師、各組小組長(zhǎng)組成)、點(diǎn)評(píng)以及改進(jìn)建議。最后，全體學(xué)生參與討論優(yōu)勝小組的評(píng)定以及優(yōu)秀拓展案例的篩選。評(píng)分結(jié)果將按比例計(jì)入平時(shí)成績(jī)，小組成績(jī)即為組內(nèi)各成員在拓展環(huán)節(jié)中的成績(jī)[5]。

1.2.4 課后改進(jìn)與總結(jié)歸納

根據(jù)課上評(píng)委組給出的建議，各學(xué)習(xí)組進(jìn)行設(shè)計(jì)方案完善，并總結(jié)歸納形成文檔，文檔中要求進(jìn)一步分析闡述案例與所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理的關(guān)聯(lián)性，目的在于促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化吸收。

1.3 建設(shè)立體化教學(xué)資源

課堂教學(xué)的推進(jìn)離不開教學(xué)資源作為基礎(chǔ)與后盾，同時(shí)教學(xué)資源又是課堂教學(xué)的擴(kuò)充與延伸。除了與課程內(nèi)容契合較好的教材、PPT以外，隨著新媒體應(yīng)用的影響，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為也在改變，新學(xué)習(xí)行為對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)資源與教學(xué)手段也提出了新要求。授課教師有必要將文字化的、平面化的教學(xué)資源借助互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新媒體技術(shù)進(jìn)行重新構(gòu)建，形成立體化、移動(dòng)式教學(xué)資源。例如，知識(shí)講授、案例軟件仿真、實(shí)物制作都通過微視頻呈現(xiàn)，并且上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)供學(xué)生點(diǎn)播，這樣學(xué)生在課余時(shí)間有條件重溫課堂，加深印象。

教學(xué)資源的來源也不再局限于書本、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而是加強(qiáng)引入企業(yè)資源，促進(jìn)課程發(fā)展與市場(chǎng)主流技術(shù)的銜接。單片機(jī)課程的授課內(nèi)容先以MCS-51系列作為入門基礎(chǔ)，在學(xué)生了解了單片機(jī)技術(shù)并掌握了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程之后，給學(xué)生提供升級(jí)版的單片機(jī)技術(shù)資源。例如，我校與美國(guó)德州儀器公司(TI)合作，引入MSP430xxx系列超低功耗單片機(jī)的軟、硬件開發(fā)平臺(tái)。這樣基礎(chǔ)教學(xué)將會(huì)緊隨社會(huì)發(fā)展，也有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用能力。

1.4 實(shí)施考核新機(jī)制

考核既是對(duì)教師教學(xué)效果的一種評(píng)判，同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)源動(dòng)力的一種激勵(lì)因素。以往對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況的考核主要采取筆試形式，側(cè)重考察學(xué)生知識(shí)記憶、計(jì)算、分析問題這些方面的能力，而對(duì)學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用以及實(shí)踐能力的關(guān)注有所忽略或重視不夠。顯然，改變單一的考核形式在新教學(xué)活動(dòng)中顯得尤為重要。新的考核機(jī)制中，學(xué)生的最終成績(jī)有三大部分組成：平時(shí)成績(jī)、實(shí)踐成績(jī)以及筆試成績(jī)。平時(shí)成績(jī)包含到課考勤情況、案例匯報(bào)評(píng)分與案例拓展報(bào)告得分，占總成績(jī)的30%；實(shí)踐成績(jī)含實(shí)驗(yàn)課程完成情況與拓展案例樣品實(shí)現(xiàn)情況，占總成績(jī)的30%；筆試成績(jī)側(cè)重考察基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理的掌握情況，占總成績(jī)的40%。新的考核機(jī)制以應(yīng)用能力為目標(biāo)設(shè)計(jì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和效果，尤其是學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中所取得的進(jìn)步。教師的角色定位也有所調(diào)整，在教學(xué)活動(dòng)中以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，鼓勵(lì)學(xué)生解決問題，促進(jìn)學(xué)生逐漸進(jìn)步和成長(zhǎng)為主導(dǎo)目標(biāo)，而不是扮演站在學(xué)生對(duì)立面的“審判員”；同樣，學(xué)生互評(píng)環(huán)節(jié)創(chuàng)造機(jī)會(huì)使得學(xué)生學(xué)會(huì)觀察別人的長(zhǎng)處，并對(duì)自身的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行反思。

2 結(jié)束語

面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中的實(shí)際問題，在教學(xué)方法、教學(xué)資源和教學(xué)手段等方面做了一定的革新與探索，尤其是在課程知識(shí)體系構(gòu)建、案例設(shè)定、教學(xué)資源新媒體化、考核機(jī)制方面取得了一定成績(jī)，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。教與學(xué)是個(gè)互助的過程，是個(gè)可持續(xù)發(fā)展的過程，只有在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索，始終與教育發(fā)展、社會(huì)發(fā)展保持一致，才能培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的應(yīng)用型人才。

[1]600多所本科高校將轉(zhuǎn)向職業(yè)教育[N/OL].http://news.sina. com.cn/o/2014-05-11/015930106772.shtml?qq-pf-to=pcqq.c2c.

[2]梁璐.基于開發(fā)板的單片機(jī)案例教學(xué)探索[J].寧夏師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué),2012,33(3):92-94.

[3]陳慕君,張劍鋒.高職高專單片機(jī)教學(xué)改革思路探索[J].黑龍江科技信息,2011,19(1):156-157.

[4]劉敏華,賈仙魚.電路分析基礎(chǔ)案例庫的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2012,155(19):48-55.

[5]趙鴻圖.單片機(jī)課程教學(xué)中的案例教學(xué)法研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008(32):149-151.

Reform of SCM Teaching in the Demand of Application-Oriented Talents Cultivation

Xie Yun, Wang Yan, Ma Yixin

Zijin College, Nanjing University of Science and Thechology, Nanjing, 210023, China

SCM course is a very practical, comprehensive application-oriented courses in Electronics and Engineering field, it occupies a critical position in Applied talent cultivation. SCM course connected with foundation courses and professional courses, enhanced student’s capability to transforming theory into practice. This paper based on characteristics of SCM course, it carried out a new teaching model with typical cases and new evaluating system. Through cooperation between campus and company, enhance students’ self-study, team-work and problem solving ability, eventually improve SCM course teaching effect.

application-oriented talents; teaching cases; improving teaching effects

2016-03-22

謝云，碩士，講師。

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院教育教學(xué)改革研究一般項(xiàng)目“案例教學(xué)法在《微機(jī)與單片機(jī)原理及應(yīng)用》教學(xué)中的應(yīng)用研究”(編號(hào)：20130102001)。