王金波?姜華?王學惠?王立新

摘要：“單片機原理及應用”是機械類等專業(yè)必須掌握的一門重要專業(yè)基礎課，其教學效果直接影響單片機系統(tǒng)設計開發(fā)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。針對“單片機原理及應用”課程自身的特點及傳統(tǒng)教學模式存在的弊端，從課程人才培養(yǎng)目標、課程體系、教學內(nèi)容、教學方法和手段等環(huán)節(jié)進行了改革與探索并運用在教學實踐活動中，取得了明顯的效果。

關鍵詞：單片機原理及應用；教學改革；CDIO工程教育理念

作者簡介：王金波（1976-），女，黑龍江依蘭人，黑龍江科技學院機械工程學院，副教授；姜華（1976-），男，滿族，遼寧鳳城人，黑龍江科技學院電信學院，工程師。（黑龍江 哈爾濱 150027）

基金項目：本文系黑龍江科技學院教學研究項目“基于CDIO理念的單片機課程教學模式改革與實踐”的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0077-03

“單片機原理及應用”是機械、計算機及自動化等專業(yè)一門重要專業(yè)基礎課，該課程多基礎、多理論、實踐性較強，在教學過程中必須軟件硬件結(jié)合，強調(diào)培養(yǎng)學生利用已學單片機知識解決實際工程問題的能力。但是傳統(tǒng)的教學模式存在課程內(nèi)容設置不合理、教學方法單一、重理論輕實踐、理論教學與實踐教學脫節(jié)等諸多問題，再加上課程內(nèi)容較抽象，沒有直觀的教學儀器和設備，學生很容易產(chǎn)生厭煩心理、放棄學習，無法達到預期的教學效果，嚴重影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文旨在運用CDIO工程教育理念，采用先進的教學方法和手段，切實改善“單片機原理及應用”課程的教學效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為企業(yè)培養(yǎng)“留得下、用得上、出得去”的單片機系統(tǒng)設計及開發(fā)人才。

一、傳統(tǒng)教學模式存在的主要問題

現(xiàn)階段，在具體的教學過程中，不但學生普遍感到難學，授課教師也存在許多困惑。問題的癥結(jié)主要表現(xiàn)在以下幾點：

1.課程內(nèi)容設置不合理

具體的授課內(nèi)容是以單片機的結(jié)構(gòu)與原理為主線，先介紹單片機的硬件結(jié)構(gòu)，其次是指令、軟件編程，然后是單片機系統(tǒng)擴展和各種外圍器件的應用，最后列舉一至兩個實例。然而，當教師講到單片機抽象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、七種尋址方式以及煩雜的111條指令時，大部分學生就已經(jīng)望而生畏了，漸漸失去了學習的興趣和信心。實際上，此時課程的核心部分，如軟、硬件開發(fā)的技巧學生還沒有開始學，他們甚至對一個單片機系統(tǒng)開發(fā)的全過程都不了解。試想，如此這般的教學效果與課程的教學目標是相背離的，完全抹殺了學生的學習興趣，同時，對于學生的自信心會造成極大地摧殘，同時，為學生以后的學習設下障礙，進而使培養(yǎng)單片機系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)人才終將成為一句空話。

2.學生存在差異，教學方法單一

自1999年我國高校擴招以來，高等教育規(guī)模迅速擴大。然而，擴招使得學生綜合素質(zhì)下降，對專業(yè)知識的理解和掌握存在較大差異；尤其是學生的學習質(zhì)量出現(xiàn)嚴重滑坡，主要表現(xiàn)在：學習氛圍不濃、學習態(tài)度不端正、學習方法不科學。[1]同時，教師在授課過程中無視學生個體之間的差異，對學生施以相同的教學方法，主要以單一的灌輸為主，無法激發(fā)學生的學習興趣，學生的求知欲、主動學習意識嚴重缺乏，課堂教學效果很差。

3.實驗設備不足，理論教學與實踐教學脫節(jié)

課程總學時為48學時，其中理論教學44學時，實驗環(huán)節(jié)設置2個實驗總計4學時，理論教學與實踐環(huán)節(jié)是脫離的。教學采用的實驗設備是實驗箱，但只有六個，且部分箱子已經(jīng)損壞，學生無法進行電路的設計與搭接，只是簡單地連線，所以對于硬件設計無法進行鍛煉；電腦也只有三臺是好使的，學生對軟件編程更是無法涉獵。實際上，兩個實驗就是演示性的實驗，學生只是看下效果，同時，沒有設置課程設計環(huán)節(jié)，僅在下學期的期末設置一周（5天）工程實訓，而且在后續(xù)課程里沒有與“單片機原理及應用”這門課相關的課程。據(jù)不完全統(tǒng)計，機電專業(yè)學生畢業(yè)設計有近一半用到單片機相關知識，同時畢業(yè)生有近30%從事單片機系統(tǒng)設計相關的工作。由此不難看出，這種實踐條件根本就無法培養(yǎng)學生的實踐動手能力，嚴重影響了學生的畢業(yè)與就業(yè)。

4.教師隊伍年輕化

目前，本課程教師大部分是學校到學校的理論型、學術(shù)型青年教師；同時，由于教學任務繁重，教師缺乏機會和渠道接觸實際的工程項目；對于本學科的前沿知識匱乏；獨立承擔及完成單片機開發(fā)的科研項目能力比較弱。因此，在具體教學過程中，教師理論聯(lián)系實際的能力一般，很難調(diào)動學生學習的積極性，學生的理論與實踐脫節(jié)，實際動手能力、分析問題、解決問題的能力較差，極大地影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。[2]

二、CDIO工程教育理念

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是由美國麻省理工學院、瑞典哥德堡查爾姆斯技術(shù)學院、瑞典皇家技術(shù)學院和瑞典林雪平大學等4所工程技術(shù)大學發(fā)起的一項工程教育改革計劃，以產(chǎn)品生命周期上的四個環(huán)節(jié)——構(gòu)思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）代表四個教育和實踐訓練環(huán)節(jié)。換言之，CDIO是產(chǎn)品從研發(fā)到運行的生命周期。[3]CDIO改革的主要目標是以C-D-I-O的產(chǎn)品生命周期為教育背景，以工程實踐為載體，使學生掌握基礎工程技術(shù)知識，培養(yǎng)動手操作能力，使學生在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中引導創(chuàng)新，并理解研究和技術(shù)發(fā)展對社會的重要影響，承擔培養(yǎng)工程科技人才的社會責任。

CDIO工程教育理念是一整套符合工程科技人才成長規(guī)律和特點的教育模式，是全面培養(yǎng)發(fā)展創(chuàng)新型工程科技人才的有效途徑和方法。在“單片機原理及應用”課程教學中運用CDIO工程教育理念，將理論與實踐相結(jié)合、教育與工程實際相結(jié)合、知識與技能相結(jié)合，改進課堂教學、啟發(fā)學生思維、增強學生的思考能力和動手能力，為學生學好后續(xù)專業(yè)課程、更好地完成課程設計、畢業(yè)設計奠定堅實的基礎；同時，可強化黑龍江科技學院的“大德育、大工程、大實踐”的教育理念，[4]彰顯辦學特色；能夠大力培養(yǎng)思想道德素質(zhì)高，基礎理論扎實、知識面寬、實踐能力強，具有創(chuàng)新精神的應用型高級專業(yè)人才，為人才更好更快地服務地方區(qū)域經(jīng)濟，起著重要的指導作用。

三、教學改革的主要環(huán)節(jié)

1.制定課程的人才培養(yǎng)目標

深入從事單片機開發(fā)及應用企業(yè)，了解企業(yè)對人才的需求；走訪同類院校，進一步搜集、整理“單片機原理及應用”教學中好的做法，系統(tǒng)制訂課程的人才培養(yǎng)目標。

2.課程體系的改革

打破原有的課程體系。根據(jù)CDIO工程教育理念，構(gòu)建理論與實踐相結(jié)合、教育與工程實際相結(jié)合、知識與技能相結(jié)合的課程體系。

3.教學內(nèi)容的改革

打破原有以教材內(nèi)容為主的教學內(nèi)容。通過對企業(yè)進行調(diào)研，了解企業(yè)對單片機技術(shù)人才需求狀況，經(jīng)過座談、討論由企業(yè)專家和教師共同確定課程面向的工作崗位，形成若干個教學項目，把每一個教學項目分解為若干個學習性工作任務，最后形成以項目為導向、以任務為驅(qū)動、將知識傳授與能力培養(yǎng)融為一體的教學內(nèi)容。

4.教學模式的改革

本課程將采用“全過程工學結(jié)合”的教學模式，即將傳統(tǒng)教學中的教室移至校內(nèi)實訓室，以實訓室真實的場景、真實的設備為背景，按照教、學、做一體化的教學模式進行仿真教學，使學生在校內(nèi)就可進行單片機產(chǎn)品設計與開發(fā)等能力的訓練，并將職業(yè)道德和情感態(tài)度有機地融合，為學生畢業(yè)與就業(yè)的“零距離”對接奠定基礎。

5.教學方法和手段的改革

在具體教學環(huán)節(jié)中，主要采用“任務驅(qū)動”、“小組合作學習”及“案例分析”等先進教學方法，讓學生“學中做、做中學”，重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐動手能力及團隊合作精神，同時對學生的人文素養(yǎng)、職業(yè)道德和法律知識進行強化。

運用模塊化機器人、單片機實驗箱及開發(fā)板等實訓設備，進行仿真一體化教學，將現(xiàn)代教育技術(shù)，即PPT技術(shù)、Flash技術(shù)及視頻技術(shù)，網(wǎng)絡技術(shù)引進課堂教學，通過大容量的信息和豐富多彩的形象描述與實物展示，將課程中抽象的內(nèi)容形象化、真實化，有效地化解教學中的重點和難點，從而提高教學質(zhì)量及教學效果。

整合、優(yōu)化實驗室現(xiàn)有資源，利用Proteus等仿真軟件建立虛擬實驗室，繼續(xù)加強校內(nèi)實訓基地的建設，為學生在校體驗單片機系統(tǒng)開發(fā)全過程奠定良好的基礎。同時，充分調(diào)動企業(yè)的積極性，建立校企合作機制，采取“校企合作”的方式，建立校外實訓基地，實現(xiàn)“校企雙贏”的目標。

建立單片機學習網(wǎng)站，讓學生課下也能自主地學習和交流。同時，開展學生科研訓練計劃，使學生接受特定的科學研究方法訓練，進而培養(yǎng)學生的工程意識及工程實踐能力。

聘請企業(yè)專家作為兼職教師，定期開設與單片機系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)相關的學術(shù)講座使學生了解、掌握行業(yè)最前沿的科技動態(tài)，從而為培養(yǎng)高質(zhì)量應用型人才奠定堅實基礎。

6.評價與考核方式的改革

為了更好地調(diào)動學生學習的積極性、主動性，全面客觀地考查學生的綜合素養(yǎng)，課程采用過程評價與課程評價相結(jié)合的方式，即根據(jù)學生在學習性工作任務實施過程中的表現(xiàn)、學習成果等進行任務評價，每個教學項目完成后，組織一次項目評價；當所有教學項目完成后進行課程評價。過程評價與課程評價的成績比重為6∶4。[5]

四、教學設計

有效的教學設計有助于學生開展具體學習活動，糾正學生行為以幫助學生有效地完成學習目標?！皢纹瑱C原理及應用”課程教學設計堅持以項目為導向、以任務為驅(qū)動、基于完成任務的工作過程進行設計；以學生職業(yè)能力培養(yǎng)為主線，突出綜合素質(zhì)培養(yǎng)。其中包括：制定教學內(nèi)容、教學目標、教學方法與組織形式以及評價是否達到教學目標的方法。下面通過具體設計一次課來闡述相關環(huán)節(jié)。

教學內(nèi)容——學習項目：模擬汽車轉(zhuǎn)向燈；任務單元：轉(zhuǎn)向燈的閃爍。

教學目標——專業(yè)能力目標：了解單片機I/O口的結(jié)構(gòu)，掌握單片機與發(fā)光二極管接口電路的設計方法；引入延時的概念，掌握延時子程序的作用。方法能力目標：具備自學能力、理解能力與表達能力。社會能力目標：具備團隊協(xié)作能力、計劃組織能力與安全意識。

教學方法與組織形式——教學方法：在校內(nèi)實訓室，運用多媒體及實驗室教學資源，采用“以項目為導向，以任務為驅(qū)動”的教學方法，融教、學、做于一體。組織形式：全程采用“任務驅(qū)動”的形式，讓學生在完成“任務”過程中掌握知識、技能和方法；真正體現(xiàn)教學中學生的主體地位和教師的主導地位；充分發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)他們自主學習能力，鍛煉他們的創(chuàng)造性思維，全面提升他們的綜合素質(zhì)。教學過程：具體教學過程如圖1所示。

情景導入（5分鐘）：播放正在路上行駛汽車轉(zhuǎn)向時的視頻，引入具體學習項目，分成兩個工作性任務，本次課只完成第一個任務——轉(zhuǎn)向燈的閃爍。任務分析（5分鐘）：明確具體任務要求——AT89C51單片機作為主控機，用發(fā)光二極管模擬汽車轉(zhuǎn)向燈，設計發(fā)光二極管與單片機的接口電路，編寫軟件流程圖。小組討論（20分鐘）：學生分小組討論，自行完成相關任務，教師給予必要指導。任務完成后，選派一組來陳述任務具體完成情況。教師點評（15分鐘）：根據(jù)學生陳述情況，采用鼓勵、贊許等語氣進行點評，指出其設計中可取的方面以及存在的不足。同時，對于小組討論時發(fā)現(xiàn)的共性問題進行分析、講解相關知識。任務設計（40分鐘）：其他各組根據(jù)教師講解的相關知識點進一步完善任務，在此基礎上完成硬件電路的焊接，源代碼的編寫、編譯、下載以及演示。最后，教師對學生的學習成果進行評價。任務拓展（1分鐘）：要求學生利用課余時間，完成單片機與繼電器接口電路的設計。回顧總結(jié)（3分鐘）：由學生總結(jié)本次課的重點內(nèi)容，教師加以歸納、補充。任務布置（1分鐘）：布置下次課任務——按鍵模擬轉(zhuǎn)向開關控制轉(zhuǎn)向燈閃爍，同時，布置預習及查找的相關內(nèi)容。

與此同時，教師還采用國際通用的PDCA（戴明環(huán)）循環(huán)管理系統(tǒng)，即Plan（制定計劃）、Do（具體實施）、Check（檢查與分析）及Action（評價與調(diào)整）對整個教學過程進行管理，采取反思性教學，這樣每一輪下來都有不同的收獲，不但逐漸提升了課堂教學質(zhì)量，而且自身的教學水平也得到了顯著提高。具體步驟如圖2所示。

經(jīng)過全體課題組教師的不斷努力，“單片機原理及應用”課程教學改革已經(jīng)取得了初步成效，教學效果得到了顯著提高。通過對黑龍江科技學院2008級和2009級學生進行試驗，結(jié)果證明學生實踐動手能力、主動學習的意識得到了極大增強，由原來的怕學、厭學轉(zhuǎn)變?yōu)橄矚g學這門課程。課程結(jié)束后，一些學生成為本校航模協(xié)會、大學生科技協(xié)會等社團組織優(yōu)秀隊員；部分學生通過導師制參與到教師的科研項目中，在這一過程中，學生的工程意識、實踐能力、創(chuàng)新能力和職業(yè)素養(yǎng)得到了進一步的加強，縮短了與企業(yè)之間的距離，進而得到了用人單位的認可。同時，教師的教學水平也得到了明顯提高，對加強師資隊伍建設起到了積極的作用。今后還將繼續(xù)努力，不斷研究、探索更為先進的教育理念和方法，進一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為企業(yè)培養(yǎng)更優(yōu)秀的單片機系統(tǒng)設計開發(fā)人才。

參考文獻：

[1]陳向奎，李元臣.單片機教學改革的思考與探索[J].洛陽師范學院學報，2012，（5）.

[2]林海鵬，王金波，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與實踐探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2011，（8）.

[3]張淑麗，劉勝輝，等.軟件工程CDIO綜合訓練項目設計與執(zhí)行研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2011，（10）.

[4]趙國剛.三大教育理念與工程人才培養(yǎng)體系[J].高等工程教育研究，2009，（4）.

[5]王金波，姜華.煤礦機電專業(yè)“3+1”人才培養(yǎng)模式探索[J].黑河教育，2010，（4）.

（責任編輯：宋秀麗）