基于工程教育認(rèn)證的單片機課程教學(xué)分析

葉茜

摘 要：“單片機原理與應(yīng)用”是電氣工程自動化專業(yè)本科生的重要專業(yè)課程之.，文章以教育工程專業(yè)認(rèn)證為背景，針對原有課堂教學(xué)模式和考核機制不能滿足培養(yǎng)需求的情況，秉承工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整教學(xué)大綱，增加實踐課程設(shè)置，構(gòu)建新的考核模式，促進(jìn)學(xué)生在電氣自動化領(lǐng)域的創(chuàng)新和實踐應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；單片機；教學(xué)

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的保障工程教育質(zhì)量的基本制度，我國于2013年成功成為華盛頓協(xié)議成員之一，一方面表明了中國的工程教育認(rèn)證取得里程碑的突破，另一方面對于我國高校的專業(yè)建設(shè)，既是機遇又是挑戰(zhàn)。無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院作為首批國家示范高職院校，率先與江蘇大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的6個專業(yè)的4年制高職本科專業(yè)，也全面以工程教育認(rèn)證目標(biāo)為培養(yǎng)方向，積極展開專業(yè)認(rèn)證的相關(guān)工作。“單片機原理與應(yīng)用”是工科院校電氣自動化相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程之一，研究的是單片機相關(guān)硬件指令系統(tǒng)，以及編程方法和設(shè)計技術(shù)等，直接涉及學(xué)生的創(chuàng)新能力，也是提高學(xué)生就業(yè)能力的重要技術(shù)基礎(chǔ)。為適應(yīng)就業(yè)市場人才需求，培養(yǎng)國際互認(rèn)的工程科技人才，課程教學(xué)改革應(yīng)遵從培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為主線，強調(diào)應(yīng)用性和實踐性，以此為切入點，從教學(xué)體系結(jié)構(gòu)、實踐實驗內(nèi)容、考核形式等方面進(jìn)行改進(jìn)。

1 傳統(tǒng)單片機教學(xué)與工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的差距

工程教育認(rèn)證的基本原則是基于產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)模式（Outcomes-based Education，OBE）。它包含學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進(jìn)、課程體系、師資隊伍、支持條件7條通用標(biāo)準(zhǔn)，考慮到我國高等學(xué)校以往對本科教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)的制定常由學(xué)校統(tǒng)一教學(xué)指導(dǎo)機構(gòu)設(shè)定，并沒有將以學(xué)生為中心的理念完全推行開來，導(dǎo)致違背產(chǎn)出導(dǎo)向的基本原則，使得學(xué)校培養(yǎng)出的人才與社會實際需求脫節(jié)。

傳統(tǒng)單片機教學(xué)方法是按照教材的順序，對照知識點的難易度從簡單到復(fù)雜，逐章進(jìn)行理論知識的講解，雖然在過去取得了一定的教學(xué)效果，但與當(dāng)前工程專業(yè)認(rèn)證中強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力仍具有一定差距。究其原因，主要存在以下3方面問題。

1.1 教學(xué)方法

以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)方法仍占據(jù)著教學(xué)工作的主導(dǎo)位置。由于在教學(xué)過程中老師始終圍繞單片機基本原理，理論講授比例較大，缺少與實際應(yīng)用的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生覺得這門課枯燥，嚴(yán)重制約學(xué)生動手能力和創(chuàng)造性，從而限制了學(xué)生對單片機應(yīng)用和設(shè)計能力的培養(yǎng)，很難真正達(dá)到專業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)方案以及社會對創(chuàng)新型人才的需求。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)單片機實驗內(nèi)容嚴(yán)重制約了學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。單片機原理與應(yīng)用屬于理實一體化課程，既包括單片機理論知識學(xué)習(xí)，也包括配套的實驗訓(xùn)練。由于傳統(tǒng)單片機實驗設(shè)備一般使用實驗箱，該設(shè)備結(jié)構(gòu)固化，其封閉性使其無法進(jìn)行硬件電路修改，學(xué)生只要遵照特定實驗要求設(shè)定參數(shù)和調(diào)節(jié)開關(guān)，編寫程序做一些驗證性實驗即可，導(dǎo)致學(xué)生知其然不知其所以然，對整個單片機系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用無法形成完整系統(tǒng)的概念，很難拓展學(xué)生視野，更談不上為學(xué)生提供設(shè)計性和創(chuàng)新性的單片機學(xué)習(xí)環(huán)境。

1.3 考核方式

符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的考核機制應(yīng)充分考慮能否體現(xiàn)學(xué)生的真實水平，達(dá)到公平有效地評價學(xué)生的學(xué)業(yè)水平和創(chuàng)新能力等。但是傳統(tǒng)單片機教學(xué)中往往存在一張試卷定成績的考核評價制度，使得教學(xué)內(nèi)容、考核方式與實際應(yīng)用脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生成績不能真實反映開發(fā)能力。

2 基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的單片機教學(xué)設(shè)計

工程教育專業(yè)認(rèn)證主要包括對培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生達(dá)到畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求以及課程持續(xù)改進(jìn)能力等相關(guān)建設(shè)，從基本上反映了社會的實際需求。江蘇大學(xué)無錫機電學(xué)院重視培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，支持單片機原理與應(yīng)用的教學(xué)改革，主要從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、實驗內(nèi)容、持續(xù)改進(jìn)4個方面展開。

2.1 優(yōu)化教學(xué)方法

按照工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為本”的原則，充分發(fā)揮老師的引導(dǎo)作用，實現(xiàn)“以學(xué)生主體，教師指導(dǎo)為輔”的理念。

2.1.1 注重學(xué)生能力培養(yǎng)

在輔助和引導(dǎo)學(xué)生時，要注意分寸，避免手把手替學(xué)生解決問題。通過教師的適當(dāng)引導(dǎo)來培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散和深刻思維，鼓勵學(xué)生養(yǎng)成自己動手獨立解決問題的能力。具體如下：在教學(xué)活動中，多采用啟發(fā)、講授和討論相結(jié)合的方式，在與學(xué)生互相探討的過程中，鼓勵學(xué)生自主思考，并有意識地培養(yǎng)學(xué)生正向思維和逆向思維，引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)知識先理解，再應(yīng)用。利用教師主導(dǎo)和學(xué)生反饋，在整個教學(xué)過程中調(diào)動學(xué)生主觀能動性，注重結(jié)合工程實踐，培養(yǎng)學(xué)生工程意識，提高學(xué)生獨立分析解決問題的能力。

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容與實際問題結(jié)合

基于單片機具體實例，注重課程綜合應(yīng)用的特點。具體如下：為避免傳統(tǒng)教學(xué)方法僅側(cè)重系統(tǒng)和嚴(yán)謹(jǐn)性，而忽視應(yīng)用性，多使用案例教學(xué)法。實際上，單片機原理中有相當(dāng)一部分抽象難以理解的內(nèi)容，都可采用案例教學(xué)法。例如，在學(xué)習(xí)單片機定時器相關(guān)內(nèi)容時，圍繞數(shù)碼管秒表顯示案例展開，通過向?qū)W生展示數(shù)碼管顯示的延時控制由定時器功能單元實現(xiàn)，學(xué)生很陜體會到前面章節(jié)延時指令與新的定時器延時原理不同之處，有助對本章節(jié)的理解。在對具體案例的分析中可讓學(xué)生體會單片機系統(tǒng)設(shè)計的全過程，鞏固學(xué)生對基本概念和理論知識的理解和掌握。

2.2 依據(jù)畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化課程大綱

明確培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整完善符合畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的課程大綱。由于工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是“以人為本”，首先需要明確培養(yǎng)目標(biāo)，即充分考慮學(xué)生的實際情況。筆者所在無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動化專業(yè)針對大三上學(xué)期的學(xué)生開設(shè)單片機原理與應(yīng)用課程，本課程對應(yīng)的畢業(yè)要求是學(xué)生能夠綜合運用所學(xué)的理論和技術(shù)手段分析解決問題。

2.2.1 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

慮到剛進(jìn)入大學(xué)三年級的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，從學(xué)生專業(yè)背景出發(fā)，以學(xué)生畢業(yè)要求為導(dǎo)向，適當(dāng)刪減純理論教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整實驗實踐內(nèi)容比例。除了安排獨立的單片機實驗實踐課程，還將原先8課時的實驗增至12學(xué)時。在課程實踐內(nèi)容設(shè)計上，為使實驗環(huán)節(jié)覆蓋多個知識點，將較完整或經(jīng)簡化的實際工程項目分成若干實驗環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)逐步擴展學(xué)習(xí)內(nèi)容，最后再加以組合重現(xiàn)完整的工程項目。

2.2.2 制定覆蓋畢業(yè)要求指標(biāo)點的考核方案

單片機原理與應(yīng)用屬于應(yīng)用實踐性強的課程，若仍采用以閉卷考試單一為主，即用一張試卷決定學(xué)生總評成績，無法客觀評估學(xué)生對該課程的掌握程度。考慮上述原因，本課程需要的考核方式，需要覆蓋畢業(yè)要求能力指標(biāo)點，并使評價結(jié)果盡可能真實體現(xiàn)學(xué)生實際水平。新的考核方式本著工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念，為達(dá)到客觀體現(xiàn)畢業(yè)要求指標(biāo)點，側(cè)重多階段測評和多方式考核，著重對學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)進(jìn)行跟蹤評價，考核內(nèi)容圍繞畢業(yè)要求指標(biāo)點4-1“能夠設(shè)計滿足特定需求的電氣系統(tǒng)并選擇元器件，繪制電氣原理圖、元器件安裝布置圖、電氣接線圖，編制I/O分配表”和指標(biāo)點4-2“能夠針對系統(tǒng)編寫軟件程序，并采用科學(xué)方法進(jìn)行模擬調(diào)試”展開，具體考核評分方法如表1所示。

采用表1的課程考核評分方式，將終結(jié)性評價體系和過程性評價體系相結(jié)厶，對學(xué)生單片機學(xué)習(xí)過程，及實踐創(chuàng)新能力進(jìn)行考核，全方位考查學(xué)生單片機學(xué)習(xí)情況，避免學(xué)生期末突擊式學(xué)習(xí)，基本符合專業(yè)認(rèn)證中對學(xué)生實踐能力的需求。

2.3 豐富實驗內(nèi)容

將計算機仿真技術(shù)引入單片機課堂教學(xué)中，豐富實驗形式，采用單片機數(shù)字聯(lián)調(diào)仿真。其中proteus軟件是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具之一，可對多款單片機及相關(guān)接口芯片提供支持，并兼容keil等第三方編譯開發(fā)軟件，是對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計的全開發(fā)性仿真實驗平臺。教師引導(dǎo)學(xué)生在課堂教學(xué)同時搭建仿真平臺，既能學(xué)習(xí)單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件接線又能學(xué)習(xí)軟件調(diào)試方法，比如可隨時觀察寄存器、存儲器的變化以及程序不同階段的運行過程，從而跳出傳統(tǒng)實驗箱固有電路的束縛，將以前單片機純理論的抽象內(nèi)容具體化。對學(xué)有余力的學(xué)生，以前他們課余想練習(xí)單片機時，要等實驗室開放，很不方便，而仿真實驗平臺的搭建對硬件設(shè)備要求不高，每位學(xué)生課后可在自己電腦上安裝單片機虛擬實驗室，不僅提高他們學(xué)習(xí)興趣，也對學(xué)習(xí)繪制PCB圖和進(jìn)行交互式電路仿真有極大幫助，從而激發(fā)學(xué)生的主動性，在不知不覺中引導(dǎo)學(xué)生自主利用課余時間學(xué)習(xí)，將仿真結(jié)果真正作用于實際電路，促進(jìn)學(xué)生單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力，有效實現(xiàn)了真正的“教學(xué)做”一體化。

2.4 依據(jù)達(dá)成度指標(biāo)持續(xù)改進(jìn)課程

工程教育專業(yè)認(rèn)證重要原則之一是持續(xù)改進(jìn)，用以促進(jìn)學(xué)生能力的持續(xù)提高，通過最終的達(dá)成度評價，來總結(jié)教學(xué)過程的經(jīng)驗和教訓(xùn)，有利教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)督和反饋。當(dāng)結(jié)束本輪教學(xué)，教師應(yīng)對本課程對應(yīng)于畢業(yè)要求能力進(jìn)行達(dá)成度分析，對本輪課程教學(xué)進(jìn)行反思，并將結(jié)果運用到下一輪教學(xué)過程的改進(jìn)中。以電氣自動化專業(yè)“單片機原理與應(yīng)用”課程為例，對電氣工程自動化2014級和2015級同專業(yè)的該課程總評成績進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到達(dá)成度統(tǒng)計分析表，如表2所示。

從表2中，通過14級課程評價，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于硬件接線圖和使用科學(xué)方法綜合調(diào)試掌握欠缺，在后續(xù)課程教學(xué)中，針對性地增強實踐、課程設(shè)計環(huán)節(jié)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，并輔以分組形式進(jìn)行練習(xí)和答辯。在后續(xù)15級本課程評價中，指標(biāo)點4-1的達(dá)成度從79%提升到82%，指標(biāo)點4-2的達(dá)成度從73%提升到75%，達(dá)到該課程改進(jìn)優(yōu)化的目標(biāo)。

3 結(jié)語

工程教育專業(yè)認(rèn)證對于高等學(xué)校人才培養(yǎng)具有重要意義，本文針對“單片機原理與應(yīng)用”在專業(yè)認(rèn)證中的教學(xué)建設(shè)等相關(guān)問題進(jìn)行分析與研究，通過加強對學(xué)生學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)能力的考核，以學(xué)生切實掌握單片機應(yīng)用技術(shù)為目標(biāo)，注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為創(chuàng)新型應(yīng)用人才需求提供保障。