基于項目學(xué)習(xí)的實驗課程教學(xué)改革研究與實踐

摘 要：單片機(jī)原理及應(yīng)用是一門理論聯(lián)系實際、綜合多學(xué)科知識的實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。從提升學(xué)生的工程實踐能力著手，提出基于項目學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)模式，探討了在該課程中實施此模式的具體步驟、考核方式以及取得的效果。實踐證明，該教學(xué)模式對于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、加深知識理解、提高工程實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維等具有積極的作用，是新形勢下教學(xué)改革的有益嘗試。

關(guān)鍵詞：項目學(xué)習(xí)；教學(xué)改革；單片機(jī)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

單片機(jī)原理及應(yīng)用的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生如何將已學(xué)的單片機(jī)知識應(yīng)用于面向?qū)嶋H工程需求的項目中的能力，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力開發(fā)。[12]基于項目學(xué)習(xí)（ ProjectBased Learning，PBL）的實驗教學(xué)模式是一種十分有效的教學(xué)手段，能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、加深學(xué)生對課本理論知識的理解程度，并提高學(xué)生解決實際問題的能力。[35]

我們將基于項目學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)模式運用到單片機(jī)原理及應(yīng)用的實驗課程教學(xué)中，取得了預(yù)期的效果。

1 基于項目學(xué)習(xí)的實施方法

1.1 改變教學(xué)模式

基于項目的學(xué)習(xí)和實踐本著以項目為中心，以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、動手能力為目標(biāo)。

在教學(xué)過程中，教師指導(dǎo)學(xué)生小組進(jìn)行資料收集和整理，確立研究進(jìn)程、研究方法，討論實施路線，學(xué)生小組獨立、自主完成實踐項目的各項工作，最后編寫總結(jié)報告。在整個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，結(jié)合機(jī)電工程學(xué)院的專業(yè)特點和科研項目需求，使學(xué)生從單純模仿到個人（ 團(tuán)隊） 創(chuàng)造、從依賴輔導(dǎo)到獨立設(shè)計、從被動接受到主動發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。

1.2 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

在單片機(jī)原理及應(yīng)用實驗教學(xué)中，通過對基于以理論知識點為中心的實驗項目進(jìn)行內(nèi)容擴(kuò)充和知識點的重新整理，重構(gòu)PBL教學(xué)內(nèi)容。

（1）對原有實驗項目進(jìn)行整合，人工增加應(yīng)用背景，構(gòu)造出多個知識點的虛擬項目。這種遷移策略目的在于最大限度利用現(xiàn)有以理論知識點為中心的實驗項目，確定一系列有一定深度和廣度的復(fù)合問題，為這些問題增加一個虛構(gòu)應(yīng)用背景，作為 PBL 教學(xué)項目。

對于復(fù)合問題所包含的知識點，構(gòu)造一個從容易到困難的層次，并在求解問題的時候通過子問題引導(dǎo)學(xué)生掌握不同層次的知識點。例如在我院的專業(yè)課單片機(jī)原理及應(yīng)用和機(jī)器人基礎(chǔ)的 PBL 教學(xué)中，項目組設(shè)計了一個教學(xué)項目—基于單片機(jī)控制的機(jī)器人小車，機(jī)器人小車由機(jī)械本體（底盤、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等）和控制部分（轉(zhuǎn)向控制、驅(qū)動控制、通信等）組成，可實現(xiàn)走直線、循跡、避障和PC機(jī)遙控等功能。該項目的控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，其設(shè)計將涉及“機(jī)械原理”、“機(jī)械設(shè)計”、“電子技術(shù)”、“傳感與測試技術(shù)”、“自動控制基礎(chǔ)”等課程知識。該項目通過定義不同的步驟，從容易到困難，并把課程中各種知識點有效的連接起來，同時機(jī)器人小車的應(yīng)用背景能激發(fā)學(xué)生求解問題的熱情，因此在實踐中取得了較好效果。

（2）在實際應(yīng)用中尋找包含相關(guān)知識點的項目，并把原有實驗項目的內(nèi)容以理論指導(dǎo)的方式加入到真實項目中。在實際應(yīng)用中尋找能夠覆蓋教學(xué)計劃中知識點的項目，并加以改造，對其中的領(lǐng)域知識進(jìn)行細(xì)化和更明確定義。

1.3 構(gòu)建實驗教學(xué)環(huán)境

單片機(jī)課程的實踐性很強(qiáng)，實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)應(yīng)該引起高度重視。由于受實驗場地、實驗學(xué)時、實驗人數(shù)等因素的限制，學(xué)生在實驗室做實驗大多數(shù)停留在驗證性層次。為了解決這個問題，提高學(xué)生動手實能力，在實驗教學(xué)中引入Proteus仿真軟件和Keil C編程軟件搭建的虛擬仿真平臺，學(xué)生只要有臺電腦，在電腦上安裝了Proteus軟件和Keil C軟件，就可以在這個仿真平臺上做虛擬實驗，實驗場地、實驗時間不受限制，實驗內(nèi)容也不受限制，既可以是基本實驗，也可以是綜合實驗、設(shè)計實驗、創(chuàng)新實驗，這樣為實踐性教學(xué)內(nèi)容設(shè)計帶來很大靈活性。在實驗過程中，學(xué)生需要根據(jù)實驗內(nèi)容要求，利用Proteus軟件提供的元器件模型和外設(shè)模型設(shè)計硬件電路原理圖，在Keil軟件中編寫程序代碼，最后聯(lián)合調(diào)試觀察實驗結(jié)果，有的實驗需要利用虛擬儀器儀表的輸入輸出效果輔助檢測實驗結(jié)果。這樣的教學(xué)方法，讓學(xué)生既了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，又鍛煉了編程能力，同時給學(xué)生提供了更大的設(shè)計、創(chuàng)新空間。

1.4 項目設(shè)計與實踐

教師預(yù)先準(zhǔn)備 12個左右的設(shè)計項目，其中4個是必選基礎(chǔ)類實驗項目，8個是綜合性設(shè)計項目，學(xué)生自由組成小組，提倡每個學(xué)生組自主提出設(shè)計項目，同時，當(dāng)教師認(rèn)為學(xué)生的設(shè)計項目具備可行性時，學(xué)生組采用主動設(shè)計項目；反之，學(xué)生組從預(yù)先準(zhǔn)備的8個綜合性設(shè)計項目中選擇一個。項目設(shè)計要考慮到其知識容量，實踐難度，與課程的關(guān)聯(lián)程度等，各個題目之間應(yīng)該盡量均衡；既要滿足課程知識構(gòu)建的需要，也要根據(jù)機(jī)電工程學(xué)院的專業(yè)特點，設(shè)計綜合性的題目；設(shè)計的題目需要有一些擴(kuò)展性，給學(xué)生的思維擴(kuò)展和獨立探索留有空間，充分考慮學(xué)生的自主要求。

每組學(xué)生需要對題目進(jìn)行全面分析和討論，在正式實施前，要進(jìn)行由課程組全體老師組成的開題答辯，對整個項目的可行性進(jìn)行論證。之后學(xué)生在機(jī)電工程學(xué)院實驗中心（河南省實驗教學(xué)示范中心）開展項目研究，完成電路設(shè)計、制作、程序設(shè)計、調(diào)試、改進(jìn)、完善等，最終提供規(guī)范的設(shè)計總結(jié)報告，進(jìn)行結(jié)題答辯及實物展示。

為及時解答學(xué)生在項目實施過程中遇到的問題，每周安排一個下午或晚上由任課教師、實驗指導(dǎo)教師和全天候由教學(xué)助手（由年輕老師或是高年級本科生擔(dān)任）為學(xué)生答疑，以使學(xué)生遇到的問題及時解決，保證項目的進(jìn)度。

1.5 考核評價方式

創(chuàng)新考試模式的改革，克服死記硬背，一張試卷定成績的弊病，重點放在考查學(xué)生實際的軟硬件設(shè)計能力的考核上。總成績由平時成績5%+期中成績15%+綜合性設(shè)計20%+實驗20%+期末試卷40%成績組成，除考查學(xué)生掌握基本概念、知識點的情況外，重點考察實際的軟、硬件設(shè)計與調(diào)試能力。

基礎(chǔ)類實驗項目采用實驗出勤20%+實驗過程表現(xiàn)40%+實驗報告40%的考核方式，綜合性設(shè)計項目采用硬件電路原理圖30%+軟件運行30%+系統(tǒng)運行40%的考核方式，由任課教師、實驗指導(dǎo)教師和教學(xué)助手組成項目驗收組，聽取每個小組的研究總結(jié)匯報，并經(jīng)過提問、答辯、點評和實物演示等互動，進(jìn)一步分析討論各個題目完成的情況、存在的問題、其他解決方案以及優(yōu)化改進(jìn)的措施，同時由教學(xué)助手做好答辯記錄。最后老師根據(jù)考核方式及各小組題目的難易程度、預(yù)期目標(biāo)的實現(xiàn)情況、答辯情況和最終結(jié)果以及提交的總結(jié)報告等資料情況，討論確定各小組的成績。

我們的考核方法盡量做到全面、公平，當(dāng)然仍需要進(jìn)一步在教學(xué)實踐中改進(jìn)和完善。

2 實施效果

基于項目的學(xué)習(xí)大大地激發(fā)了學(xué)生對該課程的興趣，有效提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，同時教學(xué)效果得到明顯提升。基于項目的學(xué)習(xí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了自我學(xué)習(xí)能力和終身學(xué)習(xí)能力。項目實施中鼓勵學(xué)生自主設(shè)計題目，對原有的題目進(jìn)行改進(jìn)，這充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造力。

基于項目的學(xué)習(xí)鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊合作的能力。項目的實施是以小組為單位，分工合作。在這個過程中，小組成員為了共同的目標(biāo)而努力，相互之間建立充分的信任，共同面對問題，調(diào)動團(tuán)隊成員的所有資源和才智完成項目的實施。

經(jīng)過項目學(xué)習(xí)模式的洗禮，學(xué)生們提高了動手能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作能力。

以項目為驅(qū)動，組織學(xué)生參加全國及河南省內(nèi)專業(yè)設(shè)計比賽。

如以《基于單片機(jī)控制的機(jī)器人小車》為項目驅(qū)動，組織學(xué)生參加河南省第一屆河南省大學(xué)生機(jī)器人競賽，并獲得一等獎和二等獎的成績。

以《硬幣分揀機(jī)》為項目驅(qū)動，組織學(xué)生參加第七屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽河南賽區(qū)預(yù)賽，獲得一等獎1項，二等獎2項，三等獎1項的好成績以及第七屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽二等獎；

以“網(wǎng)店商品自動包裝機(jī)”為項目驅(qū)動，組織學(xué)生參加第七屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽慧魚組（2016）競賽，獲得三等獎等。

3 結(jié)語

基于項目學(xué)習(xí)的實驗課程教學(xué)改革創(chuàng)新與實踐在新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院已經(jīng)開展 2 年，通過課程實踐，學(xué)生更加深入地理解了單片機(jī)原理，掌握了單片機(jī)應(yīng)用的基本知識，一致認(rèn)為課程學(xué)習(xí)后收獲大，開課價值高。但是在同時有多門專業(yè)課程要修讀的情況下，如何使學(xué)生能夠既完成本課程項目又不至于占用過多時間，如何加強(qiáng)各小組間的交流等問題，值得我們在改革中思考和完善，并推廣應(yīng)用到更多的專業(yè)課程。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：2015年河南省教育技術(shù)裝備和實踐教育研究。課題編號：GZS093（河南省教育廳 教技裝[2016]35號）；新鄉(xiāng)學(xué)院青年骨干教師資助計劃項目（1244160014）

作者簡介：付會凱（1980），副教授，碩士，研究方向：機(jī)電一體化信息處理與控制技術(shù)。