王會峰， 周熙偉， 關(guān)麗敏， 汪貴平， 雷 旭， 武奇生， 王曉艷

(長安大學(xué) a.電子與控制工程學(xué)院;b.電工電子實驗教學(xué)示范中心，陜西西安710064)

0 引言

工程教育體系在國外已相當(dāng)完善，從歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國家來看，都是以大工程為背景來培養(yǎng)適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需要的工程師［1］。通過理論與實踐的結(jié)合、學(xué)校與社會的結(jié)合，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量［2］。在專業(yè)實踐教學(xué)中充分體現(xiàn)學(xué)生跨學(xué)科思維的培養(yǎng)，奠定其跨學(xué)科培養(yǎng)的基本框架，改變其不了解“為什么讓我學(xué)習(xí)”，變成興趣引導(dǎo)下的主動探索式學(xué)習(xí)。它們依托開放型項目的動手實踐教學(xué)，不只教給學(xué)生基本概念和理論，而且要求學(xué)生能把概念與真實世界的挑戰(zhàn)，與項目聯(lián)系起來，用概念和理論解決實際問題，讓學(xué)生通過自己分析、設(shè)計、運(yùn)行系統(tǒng)來建立和發(fā)展實際的技術(shù)知識或?qū)嶋H技能，將實驗室的動手學(xué)習(xí)和各種項目工作實踐經(jīng)驗納入到教育經(jīng)驗當(dāng)中。在以團(tuán)隊為基礎(chǔ)、以項目為導(dǎo)向的動手做中提高問題解決能力。

我國工程教育在過去60年取得了巨大成就，但是由于不像歐美那樣伴隨著技術(shù)革命與大工業(yè)發(fā)展而興起，一開始就缺乏與工程產(chǎn)業(yè)界的密切聯(lián)系，因而也失去了工程化的環(huán)境。受諸多因素的影響，在人才培養(yǎng)計劃上不同程度地存在著重理論輕實踐、缺乏基本的工程訓(xùn)練和工程意識，培養(yǎng)出來的學(xué)生工程實踐能力較弱、社會適應(yīng)性差等問題［3］。

為提高工程教育的教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)我國從制造大國向創(chuàng)新國家的轉(zhuǎn)變，教育部啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”。其指導(dǎo)思想是充分借鑒先進(jìn)國家高等工程教育的成功經(jīng)驗，創(chuàng)建具有中國特色的工程教育模式，通過校企密切合作，以實際工程為背景，以工程技術(shù)為主線，著力提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力，培養(yǎng)大批各種類型工程師。

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃［4］”具有三個特點:①行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程;②學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才;③強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。這些特點無一不和實踐教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新息息相關(guān)，目前國內(nèi)各高校都處在探索研究階段。各高校正在全面實施本科教學(xué)“卓越計劃”的教學(xué)改革工程，許多高校圍繞“質(zhì)量工程”的實施開展討論研究，研究范圍涉及到教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)、專業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、課程教材建設(shè)等方面，但針對專業(yè)實踐教學(xué)體系創(chuàng)新研究較少。

對比國內(nèi)外高等教育的現(xiàn)狀，根據(jù)社會發(fā)展對人才 需 求 的 特 點，結(jié) 合 CDIO［5-6］(Conceive-Design-Implement-Operate)對學(xué)生能力的描述與要求，我校在低年級對自動化專業(yè)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(以下簡稱“卓越計劃”教改班)，設(shè)置了“單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗”實踐課程，該課程相當(dāng)于 CDIO的二級項目［7-8］，本文將圍繞我校該課程的建設(shè)進(jìn)行探索研究。

1 單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗課程的目標(biāo)

工程實踐教學(xué)的一個特點就是動手實踐教學(xué)，依托項目實踐教學(xué)方法不只教給學(xué)生基本概念和理論，通過完成不同層次的實驗、設(shè)計和項目使學(xué)生產(chǎn)生成就感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

“單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗”二級項目具有實踐性強(qiáng)、對應(yīng)用能力要求高、緊貼市場等特點，符合現(xiàn)代培訓(xùn)教育短、平、快的特征。結(jié)合卓越工程師通用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)中對學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的要求，制訂了該項目專業(yè)實踐課程教學(xué)目標(biāo)，見圖1［9］。

圖1 二級項目的教學(xué)目標(biāo)

我校自2010年開展“卓越計劃”以來，以形成較為完整的課程體系［10］。自動化專業(yè)“卓越計劃”教改班的“單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗”二級項目在大學(xué)一年級結(jié)束后集中在夏季學(xué)期暑期的4周內(nèi)進(jìn)行，在這個階段學(xué)生已修的相關(guān)課程是高等數(shù)學(xué)、物理、C語言程序設(shè)計、自動化實踐初步等課程、企業(yè)自動化入門，而在此之后學(xué)生將陸續(xù)學(xué)習(xí)電路、自動控制、電子技術(shù)等課程。學(xué)生在這個時候尚未真正接觸過任何真實的項目，對專業(yè)能做什么理解甚微。

“單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗”二級項目選擇在此時開設(shè)是為了使學(xué)生真正了解如何用專業(yè)知識解決工程實際中的問題，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，起著早期引導(dǎo)學(xué)生從掌握課堂知識到面對真實的項目，從單純的理論教學(xué)到“學(xué)中做”和“做中學(xué)”轉(zhuǎn)換的作用。

通過完成不同層次的實驗、設(shè)計和項目使學(xué)生產(chǎn)生成就感，進(jìn)而在后續(xù)的學(xué)習(xí)中了解實踐和理論之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生主動的分析思考、動手實踐、解決問題能力，通過對實際設(shè)計和工程問題的解決培養(yǎng)學(xué)生基本的工程素質(zhì)和能力。該項目最終目標(biāo)從三個方面考慮:①培養(yǎng)學(xué)生信息獲取能力，使學(xué)生早期明確其學(xué)習(xí)目標(biāo)，增強(qiáng)其主動規(guī)劃未來職業(yè)的意識;② 通過基于單片機(jī)的電子系統(tǒng)項目的設(shè)計、調(diào)試編程、運(yùn)行，使學(xué)生有一定的編程能力，建立自動化系統(tǒng)的概念和框架，認(rèn)識和分析典型控制系統(tǒng)的構(gòu)成和特點，在基于自己的動手和思考中主動培養(yǎng)解決問題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和工程能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ);③通過對該實踐項目的學(xué)習(xí)了解工程師應(yīng)該具有的基本素質(zhì)和應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識及基本技能，學(xué)會資料檢索、閱讀相關(guān)文獻(xiàn)、調(diào)研、分析和整理，進(jìn)行自主學(xué)習(xí);進(jìn)行工程設(shè)計的表達(dá)實踐，體驗解決工程問題的具體方法，進(jìn)行團(tuán)隊合作和交流。

2 單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗課程的內(nèi)容

本課程的主要內(nèi)容是作為一個自動化初級工程師必須掌握的基本知識和基本技能。結(jié)合以上培養(yǎng)目標(biāo)，我們建立了三個層次的工程項目實踐教學(xué)內(nèi)容:①以相關(guān)的電子技術(shù)基礎(chǔ)課程和電子制作知識為基礎(chǔ)和實踐教學(xué)為內(nèi)容的第一層次實訓(xùn)教學(xué);②以單片機(jī)原理和接口技術(shù)基礎(chǔ)以及實踐教學(xué)為內(nèi)容的第二層次實訓(xùn)教學(xué);③以工程背景相關(guān)的綜合檢測控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實踐為第三層次的實訓(xùn)教學(xué)。這三個層次從低到高，有機(jī)關(guān)聯(lián)，能夠使得低年級學(xué)生動起手在實踐中學(xué)習(xí)，在做中學(xué)，在學(xué)中做，使學(xué)生盡早接觸到真實的項目，啟發(fā)學(xué)生的動手能力以及分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。三個層次教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系可以用圖2來表示，學(xué)生在已經(jīng)學(xué)過的課程知識的基礎(chǔ)上首先學(xué)習(xí)第一層次的理論核心基礎(chǔ)內(nèi)容，掌握模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本知識，然后完成相關(guān)的實驗，對電子電路知識入門了解，通過實驗理解最基本的單元電路設(shè)計方法;在第一層次和以后知識的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)第二層次的理論知識，完成第二層次的實驗，掌握單片機(jī)基礎(chǔ)知識和編程方法，提升和鞏固已經(jīng)學(xué)過的知識;最后在第一層次和第二層次以及現(xiàn)有基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上以小團(tuán)隊為單元綜合運(yùn)用所學(xué)知識完成既定目標(biāo)簡易工程項目設(shè)計，學(xué)會對多種知識的綜合運(yùn)用。通過項目設(shè)計如果發(fā)現(xiàn)需要更深化細(xì)化各個層次知識，可以急需了解深入學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，形成良性循環(huán)。同時在實踐中培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和解決實際問題的能力。

圖2 三個層次教學(xué)內(nèi)容之間關(guān)系

三個層次的課時量安排為第一層次占20%;第二層次占30%;第三層次占50%。第一層次的教學(xué)內(nèi)容包括三個部分，即模擬電子基礎(chǔ)的知識，數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識，常用電子元器件基本知識。三部分的理論課時量大約是16學(xué)時，三部分的實驗課時大約也是16學(xué)時;通過第一層次學(xué)習(xí)，學(xué)生對電子設(shè)計基礎(chǔ)有了初步了解，掌握了模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)中的核心部分原理，通過該部分的典型實驗，具備了該部分動手設(shè)計和調(diào)試的能力。第二層次以MCS-51單片機(jī)原理和應(yīng)用技術(shù)為核心內(nèi)容，學(xué)習(xí)51單片機(jī)的基本原理和應(yīng)用技術(shù)。該部分理論課時大概為14個課時，綜合實驗學(xué)時為28個學(xué)時。通過第二層次，學(xué)生在掌握第一層次內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可以深入地了解單片機(jī)和接口技術(shù)的基本原理，再通過使用自制的綜合實驗板做實驗，讓學(xué)生從電路的焊接一直到單片機(jī)典型外圍接口電路的調(diào)試，將軟硬件結(jié)合起來充分掌握單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。第三個層次為以工程項目為核心內(nèi)容以團(tuán)隊為組織結(jié)構(gòu)的綜合實訓(xùn)，學(xué)生自由組隊，3人一組，項目的具體內(nèi)容和設(shè)計任務(wù)書在學(xué)生剛接觸第一層次內(nèi)容前通過隨機(jī)抽取的方法就先布置給學(xué)生，整個項目貫穿實訓(xùn)和綜合實驗的始終，學(xué)生在整個訓(xùn)練周期中團(tuán)隊成員通過分工合作，自己查資料完成項目內(nèi)容，開發(fā)規(guī)程符合IT系統(tǒng)開發(fā)規(guī)程。第三層次為綜合性實踐，純粹的實踐學(xué)時占70個學(xué)時(不含前期的自己查資料設(shè)計方案階段的時間)。通過第三層次的訓(xùn)練，學(xué)生基本上能夠以團(tuán)隊的形式在老師指導(dǎo)下完成一個簡單的電子控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，具備參加學(xué)科競賽和創(chuàng)新實驗的基本能力。同時具有一定的專業(yè)素質(zhì)。在這個層次中學(xué)生接觸到的是一個緊密聯(lián)系現(xiàn)實的真實的應(yīng)用性開發(fā)性綜合設(shè)計，他們所設(shè)計出的產(chǎn)品是能夠解決生活中某些實際問題的小產(chǎn)品，因此通過設(shè)計的過程學(xué)生能夠產(chǎn)生興趣，具有成就感，能夠激發(fā)學(xué)生從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。圖3和圖4為第一層次和第二層次的教學(xué)內(nèi)容。

通過上述三個層次的教學(xué)和實踐實現(xiàn)了學(xué)生在早期和實踐對接的“跨越式”飛躍，使得學(xué)生在基礎(chǔ)知識尚未掌握很多的情況下，就能夠早期動手完成小型電子控制系統(tǒng)項目的構(gòu)思－設(shè)計－運(yùn)行。這樣學(xué)生在二年級就能自己動手設(shè)計簡單的控制和檢測系統(tǒng)，并具有一定的基礎(chǔ)參加各種學(xué)科競賽，而傳統(tǒng)的教學(xué)體制要到三年級下學(xué)期末學(xué)生才能真正深入實踐，學(xué)生深入實踐的時間提前了3個學(xué)期。

3 單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗課程的教學(xué)方法與考核方法

課程教學(xué)方法是為達(dá)到教學(xué)目的，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，由教學(xué)原則指導(dǎo)的運(yùn)用教學(xué)手段而進(jìn)行的，以整套方式組成的師生相互作用的活動［11］，它是教師對課程組織、實施的依據(jù)。以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性［12］?！敖逃哪康牟恢幌抻谥R的傳授，尤其是高等教育，其主要任務(wù)是教育學(xué)生思考”?！督逃筷P(guān)于進(jìn)一步深化本科教育本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》指出:“深化教學(xué)內(nèi)容改革，建立于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相適應(yīng)的課程體系。要堅持知識、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，繼續(xù)深化人才培養(yǎng)模式、課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，實現(xiàn)從注重知識傳授向更加重視能力和素質(zhì)培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變?！?/p>

單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗課程就是讓學(xué)生接觸實際項目，在主動思考、運(yùn)用知識認(rèn)識世界的同時主動探索和學(xué)習(xí)新知識，在反復(fù)實踐中解決學(xué)習(xí)中遇到的問題，初步將學(xué)習(xí)推向深入。為了達(dá)到以上目標(biāo)我們在教學(xué)活動中采取了主動設(shè)計、探索式、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)方法、任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)方法、團(tuán)隊合作分工實踐教學(xué)等教學(xué)方法。

在課程教學(xué)中，每一項實踐內(nèi)容和設(shè)計內(nèi)容都是以小組分組的方法展開工作，從設(shè)計任務(wù)的下達(dá)、資料文獻(xiàn)的檢索查詢、設(shè)計方案的確立以及實際設(shè)計工作的開展都是以小組分工合作的方法進(jìn)行的，在實際設(shè)計中每一組的成員分工負(fù)責(zé)軟件設(shè)計、硬件設(shè)計和調(diào)試，以及算法原理設(shè)計都是以學(xué)生主動思考探索為主線，在思考中學(xué)習(xí)，在探索中前進(jìn)。將傳統(tǒng)教學(xué)方法中的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)，較大程度地培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而激發(fā)學(xué)生興趣是促使學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的前提［13］。使得學(xué)生在遇到問題時學(xué)會了主動思考解決問題的方法，同時培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)會作為團(tuán)隊的一員進(jìn)行合作、討論、溝通等方面的能力。

圖3 第一層次教學(xué)內(nèi)容

圖4 第二層次教學(xué)內(nèi)容

課程考核的宗旨就是實現(xiàn)對學(xué)習(xí)者的知識、技能進(jìn)行綜合評價。真正使學(xué)生做到學(xué)以致用而不是學(xué)以致考［14］?？己梭w系的建立是以考察學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度和技術(shù)應(yīng)用的實踐能力為目的，使學(xué)生從一年級開始端正對專業(yè)的學(xué)習(xí)態(tài)度，激發(fā)對專業(yè)實踐的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)能力和工程職業(yè)素養(yǎng)。使學(xué)生能夠取得一定的實際經(jīng)驗，為升學(xué)就業(yè)創(chuàng)造有利條件［15］。考核評價體系是有效開展教學(xué)活動的可靠保證，因此既要合理公正地評價學(xué)生學(xué)習(xí)過程，又要考慮有較強(qiáng)的可操作性。

單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗課程考核拋棄傳統(tǒng)的卷面考試方式，根據(jù)課程的要求，學(xué)生需要完成的工作有:①電子小制作電路焊接調(diào)試;② 模擬電子技術(shù)基本實驗;③數(shù)字電子技術(shù)基本實驗;④ 單片機(jī)及接口技術(shù)綜合實驗;⑤開放式電子項目的綜合開發(fā)設(shè)計。前4個項目需要提交設(shè)計報告驗收實物;最后1個項目采用現(xiàn)場演示和答辯相結(jié)合的方法對各組的學(xué)生分別進(jìn)行成績考核，加權(quán)后作為該課程的最后考核成績，如表1所示。實踐證明，這種考核方法和傳統(tǒng)的卷面考試相比更能激發(fā)學(xué)生的探索、主動式的學(xué)習(xí)的興趣。有學(xué)生在課程調(diào)查感言中曾這么說:“我挺喜歡這種考核方式的，雖然我自己最后的作品失敗了，可仍感覺學(xué)到了好多東西?！?/p>

表1 單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗二級項目考核評分細(xì)則

4 單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗教學(xué)效果調(diào)查與分析

自我校2010年開展“卓越計劃”以來，“單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗”二級項目首次開設(shè)，我們通過問卷調(diào)查和寫感想的方法對2010級“卓越計劃”首期實驗班級的30名同學(xué)開展教學(xué)效果調(diào)查，調(diào)查問卷一共分為12個選擇題目和8個問答題目，教學(xué)效果感想不受限制隨意發(fā)揮。圖5是幾個典型的調(diào)查問卷題目的統(tǒng)計結(jié)果，由調(diào)查問卷的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，學(xué)生對開設(shè)該課程的認(rèn)可程度是比較高的，教學(xué)效果是比較好的。可以總結(jié)為如下幾條:

(1)教學(xué)組織激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)動力的形成。我校“卓越計劃”試點班級在參加2011年組織的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中獲得陜西賽區(qū)2等獎2項，在2012年“飛思卡爾”智能汽車競賽選隊面試中體現(xiàn)很明顯，校內(nèi)賽15組隊中，“卓越計劃”試點班占了5組。

有學(xué)生這樣感言到:“收獲很多，在知識上，我學(xué)到了好多知識，這些知識是我以前從未接觸過的，以前感覺很神秘，現(xiàn)在已經(jīng)沒那種感覺了;另外，在與同學(xué)交往中也感覺挺較好，大家在一塊學(xué)習(xí)，休息，玩耍，感覺學(xué)習(xí)也是一種快樂;我建議咱們學(xué)院，以后可經(jīng)常舉辦這種課程教學(xué)的活動，我想大家一定都很向往的”。

(2)教學(xué)方法構(gòu)建了學(xué)生以項目為主線的“理論→實踐→理論與實踐相結(jié)合”的不斷提高的學(xué)習(xí)過程。有學(xué)生這樣寫到:“在學(xué)習(xí)的過程中我也發(fā)現(xiàn)自己知識面很缺乏，在今后的學(xué)習(xí)過程中不僅要學(xué)好課本內(nèi)的知識，還要盡量去拓展自己的知識面，這樣在解決問題時才能得心應(yīng)手。其次，要注重快速學(xué)習(xí)。在現(xiàn)代快速發(fā)展的社會，知識的更新時時刻刻都在發(fā)生，在快速中更要注重利用各種資源，獲得各種有價值的信息。再次，在這次的學(xué)習(xí)中激發(fā)了我的學(xué)習(xí)興趣，在發(fā)現(xiàn)自己有許多的東西還不知道，需要自己去學(xué)習(xí)，這就給了我學(xué)習(xí)的動力。還有就是要注重多動手實踐，在動手中更能進(jìn)一步加深對理論的深入理解，而且有時候我們會獲得意外的收獲，同時我們還能通過實踐來進(jìn)一步完善理論。”

(3)學(xué)習(xí)過程有助于學(xué)生工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力的提高。學(xué)生感言:“實踐增強(qiáng)了我的動手能力和才干，更重要的是使我充滿自信，我相信未來我一定能設(shè)計出更好的產(chǎn)品?！?/p>

5 結(jié)語

自我校2010年開展“卓越計劃”以來，“單片機(jī)實訓(xùn)與綜合實驗”課程首次開設(shè)。根據(jù)卓越工程師培養(yǎng)要求，我們將對項目中相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、典型案例和考核方式進(jìn)行不斷探索與改革，從而形成較為完整的課程體系。我們將會以培養(yǎng)適合社會需求的工程人才為目標(biāo)，不斷的探索和踐行“卓越計劃”工程實踐能力培養(yǎng)的每一個環(huán)節(jié)，使教學(xué)效果更為突出，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生從事工程設(shè)計的基本知識、能力和素質(zhì)。

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