新工科+PBL模式下的單片機課程項目式教學實踐

龍順宇，楊 偉，吳路光，林元乖

（海南熱帶海洋學院 海洋信息工程學院，海南 三亞 572022）

0 引 言

“新工科”的提出從多方面強調了工學學科的工程性、實用性、學科交叉性與知識體系綜合性[1-2]。電子信息類專業(yè)屬于“新工科”的范疇，該類專業(yè)課程多數(shù)與工程需求聯(lián)系緊密，要求學生能夠學以致用，以工程理念解決實際問題[3-4]。單片機原理類課程屬于該類專業(yè)中實用性較強的課程之一[5]。單片機課程開設之前一般會開設編程語言及電類基礎課，通過前導課程可加深學生對單片機的理解，同時又可聯(lián)系課程深化工程基礎，基于單片機積淀拓展到嵌入式系統(tǒng)領域[6-7]。

從單片機課程開設的階段上不難看出單片機類課程的重要性和與其他相關課程的結合性，但通過傳統(tǒng)教學和專業(yè)實踐能力的相關考核后發(fā)現(xiàn)，單片機課程的實踐與理論教學有脫節(jié)現(xiàn)象，很多學生在完成課程后并不能結合相關知識設計出作品，實踐能力的短板在課程設計、畢業(yè)設計和學科競賽中表現(xiàn)得尤為明顯，甚至有不少學生從項目需求的提出到項目實現(xiàn)需要經歷哪些環(huán)節(jié)也是模糊的，整體上缺乏項目概念與工程方法[8-9]。基于以上現(xiàn)狀，本文將PBL（Problem-Based Learning，PBL）作為基礎學習模式及項目式教學方法引入到傳統(tǒng)單片機教學中，以此改善教與學脫節(jié)情況，使學生在明確工程需求的前提下思考項目并接受相關知識，深化理論，強化動手實踐能力[10]。通過方法改革與質量監(jiān)控取得了較為顯著的改善。

1 傳統(tǒng)單片機類課程與工程應用脫節(jié)的表現(xiàn)和原因

1.1 缺乏問題導入，導致學生對工程需求整體模糊

在實際工程項目中首先要明確項目需求，有了需求分析才能明確任務切塊、功能設計及單元選型。在高校的單片機課程中很少涉及實際工程項目的分解，也不要求學生培養(yǎng)需求分析能力，更不要求學生合理運用工具和記號描述待開發(fā)系統(tǒng)的功能指標、行為特性及條件約束，因此學生在實際參與項目時，沒有與“需求方溝通”和形成“需求文檔”的概念，最多只有教師下發(fā)的“實驗任務書”的概念[11]。學生在此環(huán)節(jié)中只知道按照教師要求的實驗步驟和程序嘗試實驗過程，并沒有考慮實物用在哪里，具備什么功能。

1.2 理論教學內化不足，難以形成支撐和鋪墊

不少高校在單片機課程授課過程中理論比實踐超前較多，雖然提前了解理論對實踐具有一定的指導意義，但從另一方面也存在理論知識來不及內化導致脫節(jié)的問題。以MCS-51內核單片機授課為例，最小系統(tǒng)搭建及I/O配置內容較初級，授課占比小，授課一般會“快進”，任課教師一般會把重心放在中斷、定時/計數(shù)器和串口通信章節(jié)，等到講解外中斷引腳觸發(fā)方式、外部計數(shù)及串口收發(fā)時發(fā)現(xiàn)學生可能又遺忘或忽視了I/O部分內容，再加之實驗課比例不足，最終導致學生可能無法合理分配I/O、缺乏對I/O的結構理解、疏于對I/O的模式配置，學到了重點知識又忘記了基礎知識，這就是理論內化不足導致的。

1.3 實踐教學形式傳統(tǒng)，實驗過程缺乏創(chuàng)新

高校單片機類課程實踐環(huán)節(jié)多依靠實驗箱完成實驗，基于該平臺的多數(shù)實驗都采用變更線路的方法，學生運用原有例程燒錄到實驗箱中，通過插拔導線更改線路，完成基本的數(shù)據(jù)讀取和效果驗證。此類實驗箱雖簡化了實驗復雜度，便于實驗室管理與維護，但在很大程度上限制了學生的動手實踐能力與創(chuàng)新思維。在一個功能固定、線路固定、模式固定、程序給定的平臺上是很難根據(jù)項目需求去變更設計、資源選型及多元搭配[12-13]。若學生未完成實驗，要么是實驗箱問題要么是連線問題；若學生完成實驗，只能說明效果驗證基本成功，學生在參與實驗和完成實驗的過程中體驗感較差，難以激發(fā)興趣進行拓展訓練。

1.4 課程群缺乏銜接，綜合設計“孤掌難鳴”

單片機課程開設之前都有編程語言設計及電學基礎作為前導課程，課程與課程之間不應相互獨立。若將其他基礎課程比作“珍珠”，則單片機課程應該是“連線”，充分結合相關課程后才能形成“項鏈”。以恒溫水浴鍋為例，溫度的測量與加熱器的功率調節(jié)應該組成閉環(huán)達到恒溫動態(tài)調節(jié)。溫度值轉換機理體現(xiàn)了《傳感器原理及應用》的相關知識，溫度傳感器電信號處理和放大電路設計及加熱器功率調節(jié)需要《模擬電子技術》作為支撐，溫度采集與量化需要《數(shù)字電子技術》作為支撐，參量的閉環(huán)與PID控制需要《自動控制原理》深化理論，剩下的單片機主控需要相關編程語言和單片機課程提供理論與實際支撐。

1.5 軟硬非均衡發(fā)展，導致“重數(shù)輕模，重軟輕硬”

現(xiàn)代電子產品逐漸變得小型化、智能化，電子產品本身就是一個硬軟件相結合的系統(tǒng)產物。對于工程化單片機教育產出的學生應該可以合理選用軟/硬方法解決問題，雖然產品研發(fā)工程師有術業(yè)專攻，但在知識體系上軟硬件必有融合部分，鼓勵學生合理積累軟硬件知識去解決工程問題是絕對有必要的。單一的實驗模式會造成學生注重編程輕視電路搭建，注重數(shù)電輕視模電，最終導致學生缺乏系統(tǒng)的全局觀，影響方案決策和系統(tǒng)融合。以混合系統(tǒng)信號處理為例，若用ADC采集混有周期性交流信號的直流電壓，就會出現(xiàn)濾波方案的選擇問題：若只會軟件則濾波功能由單片機內部算法實現(xiàn)，無形中增加了CPU的計算負擔且影響實時性能；若只會硬件則需要設計濾波電路，增加工作量和成本花費，且單一方法下可能無法達到滿意結果。故而在單片機課程培養(yǎng)中應該合理注重軟硬件均衡發(fā)展，以特長方向展開深入研究并帶動短板。

2 推行PBL模式下的項目式單片機實踐教學方法

2.1 從實際工程中提煉需求，明晰關鍵問題和設計路線

在實踐階段挑選難度適中的項目案例讓學生討論需求，指定討論角色，教師充當客戶，學生充當研發(fā)。由教師給出項目需求，反復溝通后由學生產生需求文檔，中途故意調整需求，讓學生能夠帶著問題和目的去研究和研發(fā)。注意在案例分解時使用PBL模式引導學生思考，在理論教學階段也可結合行業(yè)應用展開知識點講解。例如，在講解I/O章節(jié)時引入電話按鍵音頻解碼需求，看似互相沒有聯(lián)系的內容其實更容易激發(fā)學生思考，由對按鍵音的解碼可引出DTMF雙音多頻解碼芯片HT9170，解碼后輸出的電平組合變化可以讓學生嘗試解析，從而深化學生對I/O的理解和知識面的擴展。

2.2 設計開放式多核實踐平臺，下達項目式任務，把控質量驗收

在高校中推薦任課教師組成課程組，結合實驗工程技術人員嘗試單片機實驗平臺自制與創(chuàng)新。融入專業(yè)課程特色及教師特長，科研積淀為實踐教學助力加油。例如，構造STC8系列單片機與STM8/STM32系列單片機多核平臺，在傳統(tǒng)MCS-51內核單片機教學后讓學生嘗試在不同單片機平臺上移植和編寫程序，鍛煉學生跨平臺的應用能力。在開放式平臺基礎上下達項目任務，可以單人或分組自擬題目進行發(fā)揮，實驗課由驗證項目與變形實驗共同構成，把控學生對知識點的掌握情況。

2.3 串聯(lián)相關課程，綜合式激發(fā)學生創(chuàng)造能力

單純的單片機課程能夠擴展的實驗較少，所謂的綜合實驗也只是單片機片上資源及基礎外圍的組合形式，這樣的實驗距離實際工程還有很大差距，不妨結合相關課程進行大串聯(lián)。例如，制作水塘溶解氧檢測系統(tǒng)，激發(fā)學生對傳感器、模電數(shù)電、單片機、無線傳感網絡等課程的串聯(lián)；以太網遠程控制水泵裝置，激發(fā)學生對計算機網絡、網絡設備、單片機、電機驅動、電力電子、分布式網絡控制等課程的思考。

2.4 模擬項目實施，形成團隊，重現(xiàn)開發(fā)流程

實際工程項目的實施分階段分團隊共同完成。在單片機課程中也可模擬一個項目的具體實施，成立研發(fā)團隊，規(guī)范化形成相關文檔，體現(xiàn)軟件和硬件的對接和調試。以硬件部分為例，制作PCB文件，配套BOM清單，熟悉工程師物料選型及PCB工藝要求，結合《電子工藝》類課程形成硬件原理圖及仿真結果，感受電路從設計到實物的過程。此類項目模擬可放在課程設計階段具體實施。

2.5 直擊熱點，開放式選題，對接行業(yè)應用

教師在單片機課程授課階段應滲透行業(yè)應用，指引學生建立研究方向。例如，汽車電子應用中需要用到現(xiàn)場總線，可指引學生基于單片機基礎進行CAN總線研究，嘗試讓學生利用所學基礎知識驅動MCP2515或SJA1000T類CAN控制器，然后自行搭建CAN收發(fā)器電路實現(xiàn)環(huán)回模式或者多點通信，讓學生體會到汽車電子中應用CAN總線帶來的諸多優(yōu)勢和特點。基于研發(fā)熱點，教師還可指引學生了解指紋識別、顏色識別、語音識別、電力載波、電機驅動、無線通信、射頻識別等方向，基于熱點研究相關芯片和方案，培養(yǎng)學生以單片機為基礎、以行業(yè)應用為導向的研究路線和工程能力。

3 結 語

單片機類課程必須體現(xiàn)實踐環(huán)節(jié)，良好的教學方法可讓學生們易于理解、樂于接受。因此進行單片機課程結合、授課模式創(chuàng)新、理論實踐優(yōu)化、實驗平臺研發(fā)及項目式框架引入是十分必要的。以明確的項目需求為導向，配合PBL模式的問題引入，基于工程化理念和項目式實驗可激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)造力。模擬項目的拆解和組建團隊還可讓學生體會項目的具體分解和實施，提升溝通能力，明晰行業(yè)熱點及需求，激發(fā)學生興趣并以此建立學生的研究方向和特長。基于本文的改革策略，經過長期的實踐與質量監(jiān)控，應用PBL模式的項目式單片機教學已收到部分實效，但這也僅是“新工科”方向的基礎性改革，隨著項目式實踐教學的深入還將進一步提高單片機應用面的深度和廣度。