基于工程教育認證的單片機PBL教學模式探索與實踐

趙宇洋 李爭 王春梅

摘 要：單片機原理及應用作為電氣控制類本科生的重要專業課程，著重培養學生實踐動手能力。而傳統的教學方式以課堂講授式的理論教學為主，對學生實踐能力培養不足，特別是在工程教育認證背景下，原有教學模式和考核機制已不能滿足培養需求。文章根據儀器類工程教育認證人才培養目標，基于PBL教學方法進行單片機教學新模式的探索，以解決問題為目標，引導學生有效學習，培養學生的工程意識、協作精神以及解決實際問題的能力。

關鍵詞：工程教育；單片機；PBL教學模式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0090-04

Abstract： The principle and application of single chip microcomputer course， which is an important professional course for undergraduates of electrical control， focuses on cultivating students' practical ability. The traditional teaching method is based on the theory teaching in the classroom， and insufficient of the students' practical ability training. The original teaching mode and assessment mechanism can no longer meet the training needs of engineering education certification. An exploration of the new teaching model is proposed in this paper based on PBL teaching mode according to the training objectives of education certification of instrument engineering. The new teaching mode with the goal of solving problems guides students to learn effectively and cultivates their engineering awareness， collaborative spirit and ability to solve practical problems.

Keywords： Engineer Education； single-chip computer； PBL teaching mode

工程教育專業認證是國際通行的保障工程教育質量的基本制度，我國于2016年成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》的正式會員，意味著工程教育逐步規范化、標準化、國際化和可持續發展。因此，我國高等教育培養目標應適應就業市場人才需求，培養國際互認的工程科技人才，課程教學改革應遵從培養學生工程素質為主線，強調應用性和實踐性。

河北科技大學測控技術與儀器專業于2018年1月通過工程教育認證，為了更好地保證工程認證培養目標的達成，培養國際等效的工程技術人才，本文對單片機課程的教學模式改革進行了相關探索和實踐。

單片機原理及應用類課程是工科院校電控相關專業的基礎必修課程之一，講授單片機硬件結構、指令系統，以及編程方法和系統設計技術等，是培養學生創新能力、工程實踐能力、提高就業競爭力的重要技術基礎。因此，作為通過工程教育認證的專業，更需要對單片機課程教學方式進行改革。采用PBL教學模式可以實現以學生為中心，讓學生成為課堂的主動參與者，更符合工程教育認證基于產出導向的OBE（Outcomes-based Education）教學模式的基本原則。

一、傳統單片機教學與工程專業認證標準的差距

工程教育專業認證強調以學生為中心的教育理念，落實在培養目標制定和評估、教育教學資源建設及質量監控機制的全過程中，采用學生學習效果、能力提升作為標準來評價教育質量。工程教育專業認證注重培養解決復雜工程問題的能力。

單片機課程屬于工程技術應用類課程，在數字電子線、微機原理和自動控制原理等先修課程基礎上，培養學生利用51系列單片機進行測控系統開發的能力。對于沒有硬件開發經驗的本科生而言，該課程相對抽象、知識點龐雜而零碎，實踐性較強。總結單片機傳統教學方式，主要存在以下兩點不符合工程教育理念：

1. 傳統教學方法以教師為中心，教師理論講授仍占據著教學工作的主導位置。對于基本原理的講授比例較大，缺少與實際應用的聯系，按照章節內容的難易程度進行側重講解，雖然在過去取得了一定的教學效果，但與當前工程專業認證中強調培養學生的實踐創新能力仍具有一定差距。

2. 教學中的實驗環節仍以驗證性實驗為主，傳統模式的實驗課程中，實驗項目傾向于對理論講述知識的驗證，沒有趣味性的實驗，幾乎沒有創新性的實驗，與工程教育專業認證指導思想相違背，不能充分發揮學生的主觀能動性，不利于培養創新性工程師。實驗環節中最常見的現象就是學生按部就班輸入指令、進行連線操作，在實驗設備上觀察應出現的特定現象，之后完成模板式的實驗記錄，缺乏主動設計和主動思考的機會。

二、PBL教學模式對于工程教育認證背景下單片機教學的啟發

基于問題學習的PBL（Problem Based Learning）教學模式，最早應用于醫學領域的教學，將學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，通過讓學習者合作解決真實性問題，從而掌握隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力與良好的教學效果。

PBL強調以問題解決為中心、多種學習途徑相整合，而不只是純粹的探索和發現，同時強調學習者之間的交流合作，強調外部支持與引導在探索學習中的作用等。PBL實質是由若干個精心設計的問題所組成，圍繞問題為中心，讓學生綜合運用自身所學知識進行調查和研究，以教師在課堂上講授的知識為基礎，自發進行歸納和應用，并借助查找文獻等輔助手段，最終解決問題，與工程教育中培養學生解決復雜工程問題能力十分吻合。

PBL模式的關鍵要素包括：作為導向的問題、團隊合作與自主學習、教師指導、自我評價與小組評價。將PBL教學模式引入單片機課程的教學，能夠有效改變學生只是被動聽講、并且大多采用死記硬背編程程序的學習方式。通過教師在課堂上對基本原理和應用的講授，有效引導，讓學生掌握單片機開發的一般步驟，在問題解決的過程中，靈活運用相關概念和知識，從而進一步培養學生理解問題、分析問題和解決問題的能力。

此外，以問題解決為最終目的的教學方法，能夠激發學生的學習興趣，增加學習動力，使學生從解決問題的過程中獲取運用所學知識解決實際問題的相關經驗，為培養工程技術人員的規范工作習慣及技術自信心也十分有利。

三、符合工程教育認證目標的單片機課程PBL教學模式探索

單片機傳統教學模式要求學生了解單片機基本概念，掌握相關匯編語言原理，能夠實現簡單程序編寫，完成課后習題即可。傳統教學模式采取“教師講、學生聽”的教學方式，教師按照自己的知識經驗和大綱要求來設計教學過程，往往按照課本中知識點的先后順序進行講解，根據內容的難易程度掌握講授速度。并且，傳統教學模式中大多采用班級授課的方式，教師只能根據學生總體掌握情況調整教學步驟，難以全面顧及學生的基礎和進度差異。

本文基于PBL教學模式對河北科技大學測控技術與儀器專業《單片機原理及應用》課程的教學方式、實踐環節及評價方式進行了改革。

（一）課堂教學的改革

我測控專業每屆設置兩個教學班，每班人數30人左右。在課程開始之初，就將兩班學生分別進行分組，每個班級中以3-4人一組為原則組成單片機課程學習實踐小組，在整個教學過程中，學習小組要進行知識點的互相查漏補缺，還要以小組為單位完成課程實驗環節和課程設計環節的所有實踐內容。

本文將PBL教學模式引入單片機教學過程，與傳統模式有機結合，既發揮傳統講授為主模式的可控性，又有效結合PBL模式激發學生主動性。

在理論教學過程中，以教師講授為主進行課程基礎內容的授課，在學生掌握單片機基本原理和硬件結構的過程中，發揮學習小組的能動性，對小組各位成員的掌握情況和知識難點進行總結和反饋，有助于教師有目的性地調整教學節奏和教學重點。

在單片機授課內容中存在某些特殊章節，比如匯編語言指令系統一章，主要講解51系列單片機一百余條匯編指令的格式及用法。以往在教學中，如果教師全部逐條講授，占用大量課堂授課時間；反之，如果布置課下學生自學則難以保證學習效果，為后面章節的匯編語言程序設計帶來問題。在本次教學改革中，對于此類特殊章節，充分發揮了教學主體與學習主體的能動性，在教師講授之余引入學生以小組為單位自學并輪流講授的方式。教師首先啟發性地詳細講授需重點掌握的指令，之后將剩余匯編指令安排課下自學，并將指令按分類分配到各小組中派代表進行課堂講授。采用此種方式，既發揮了學生團隊共同學習的主動性，又將學生從課堂上的被動聽講行為轉化為課下主動理解并在課堂有效輸出。在每組學生完成講授任務后，由教師評估其講解的清晰度和完整性，對于不足之處進行補充，調動了學生在課堂上的參與度，也提高了課堂教學的效率。

通過實踐驗證，采用學生參與講解的班級在后續匯編程序設計中對于指令的掌握和應用情況明顯有所改善。

在課堂教學中，還利用PBL模式進行了教學新嘗試，采用設問、 研討式的教學方式，使學生從被動學習變主動學習，主要是在每節課前，根據課程各部分的知識點提出問題，學生以小組形式查閱資料，并通過課堂提問和討論環節，讓各小組陳述觀點、展示課下完成情況，有助于學生牢固掌握知識點，充分調動主動性和積極性，并且活躍教學氣氛，提高教學效果。

（二）實踐環節的改革

傳統的教學模式，學生是信息的被動接受者，是裝載知識的“容器”，學習的主要任務是記憶并重復前人經驗知識為主的信息。PBL教學模式中，學生是具有自我指導學習理念和能力的、主動的學習者，學習的任務不僅要進行知識意義的建構，還要形成解決問題、與人合作、進行創新等多種能力。

本文針對測控專業工程教育認證需求，著重培養學生解決復雜工程問題的能力和團隊協作解決工程問題的能力，對單片機實驗和課程設計兩大實踐環節進行改革。

1. 實驗環節的探索

傳統的單片機實驗以驗證性為主，并主要以實驗報告質量作為學生評價依據，導致學生參與度不高、實驗報告雷同嚴重，實驗環節與教學環節脫節等現象。

我專業的單片機實驗內容由2個驗證性實驗和2個設計性實驗構成，本文中基于PBL模式進行了實驗環節的改革。驗證性實驗穿插于教學環節的前半段，主要目的是在學生學習單片機之初，能夠通過實驗現象分析其背后的原理，有助于學生掌握單片機的體系結構與運行機理。

經歷幾次驗證性實驗后，比如匯編語言排序實驗、簡單的I/O接口實驗后，學生已基本熟悉實驗系統和工具箱，能夠按照實驗指導書進行程序輸入、硬件連線等操作，并具有動手設計難度較高實驗的能力和意愿。因此在教學環節的中后段安排項目式開發的設計性實驗。通過下發實驗指導書規定實驗目的，以學生小組為單位自主創新設計實驗，在實驗箱基礎上設計完成簡單的測控系統，運行系統并觀察其現象。實驗報告要詳細闡述實驗設計的依據、描述實驗步驟和現象、分析實驗合理性，并最終自我評估實驗指標的完成度。

2. 課程設計環節的改革

隨著課程進度的深入，教師逐步提高學習實踐小組的能動性和協作意識，在理論教學中期即布置課程設計題目，讓學生提前完成設計方案初稿，并在后續學習中有目的、有意識地根據課設題目需求逐步完善設計方案，并在一周的課程設計環節中完成系統調試。

在單片機課程設計中明確提出進行項目實施規劃，在設計之前對項目的要求、進度安排、人員分工等內容進行整體、全面地考慮。課程設計題目是結合教學大綱和單片機課程目標精心設計完成的，既保證每個題目考察知識點的全面，也要保證各個題目難易程度相當。

我專業的課程設計要求學生以項目開發形式完成測控系統的軟、硬設計，實現單片機硬件電路仿真、程序調試，并最終實現以小組為單位的實物結題。課程設計題目數量根據我專業兩班學生人數設置，每個班級中一組一題，既保證了本班內沒有重復題目，消除學生彼此的依賴性，提高題目的獨立完成度，也有助于兩個班級中可以彼此進行討論交流。每個題目都以工程問題為背景，采用新穎有趣的形式全面考察學生對輸入、輸出系統和單片機控制系統的掌握情況和設計能力。

課程設計任務書中明確安排一周中每天需完成的設計進度，教師根據學生進度完成情況進行調整，如果學生整體動手能力較強、進度完成較快，則可以深化課設題目要求、提高最終難度；如果整體進度難以保證，則根據出現的問題及時講解，以確保不同基礎、不同能力的學生在一周的課程設計中都有所收獲，真正做到以學生需求為導向。并通過學生團隊成員互評和系統經濟評價，培養學生以團隊分工協作方式、考慮經濟性因素解決工程問題的能力。

（三）評價方式的優化

學生考試成績不僅是學生最為關心的焦點之一，也是用人單位評價畢業生能力的一個重要指標。在傳統的教學模式下，學生考試成績主要由一張期末試卷評定，忽略了學生學習的過程評價，在工程教育專業認證的背景下，這種考試模式的弊端顯得尤為突出。

本文中的單片機課程改革也對評價方式的優化進行了探索，在教學各環節中及時、客觀對學生表現進行評價，以量化打分的形式，體現了工程教育認證中的過程管理理念，既優化了平時的教學效果，也實現了對學生的綜合客觀評價。

如上文所述，我專業在進行單片機課程教學時，將課程學習實踐小組的形式貫穿整個教學環節，因此，在學生成績評價環節，既包含教師打分也引入團隊成員互評機制。

學生的最終成績由平時成績、實驗成績和期末考試成績構成：期末考試成績滿分100分，總成績占比為60%；平時成績滿分100分，其中教師打分50分、團隊成員互評50分，總成績占比為20%；實驗成績滿分100分，課程實驗共計四個，每個實驗總分25分，實驗表現及實驗效果20分、報告質量5分，總成績占比為20%。

為保證評價體系執行的客觀真實性，任課教師設計了團隊成員互評問卷（學生用），對單片機課程學習實踐小組成員在教學、實驗和課程設計各個環節的表現進行量化打分；在實驗環節和課設環節設計了評分細則（教師用），根據各團隊電路設計仿真、程序結構和編寫規范性、電路合理性、焊點質量及最終功能等情況綜合打分，較為客觀全面地對學生學習全過程進行了多角度評價。

四、結束語

單片機原理及應用課程是一門知識體系完整，與其他課程聯系緊密，且工程實踐性較強的課程。基于 PBL 模式的單片機教學與傳統教學模式相比，是一種使學習者基于解決問題的學習模式。本文指出了傳統課堂講授方式、課程考核的弊端，引出工程教育專業認證背景下的單片機課程教學改革方式。通過兩個教學周期的實踐取得了良好效果，激發學生由傳統課堂上被動“聽”，變成現在主動“學”，活躍了課堂氣氛，培養了學生課下自主學習的習慣，有效提高了學生動手實踐的能力和信心，也為其他類似課程積累了改革教學模式的經驗。

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