田會(huì)峰，周 瑜，趙 麗

(江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，江蘇張家港215600)

目前，在我國高等工科院校中，已普遍開設(shè)了“單片機(jī)”及其相關(guān)課程。畢業(yè)生是否具有單片機(jī)開發(fā)能力，已成為許多公司招聘電子、測控、自動(dòng)化和通信等工科專業(yè)學(xué)生的衡量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也成為他們尋找理想工作的必備技能之一[1，2]。

“單片機(jī)”作為實(shí)踐性很強(qiáng)的一門專業(yè)課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已經(jīng)不能適應(yīng)培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的需求。因此，對課程進(jìn)行改革已迫在眉睫。

1 “單片機(jī)”課程教學(xué)存在的問題

1)課程設(shè)置的問題

一般工科院校在開設(shè)“單片機(jī)”課程之前，先安排“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程。以我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)為例，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程為72學(xué)時(shí)，“單片機(jī)”課程為48學(xué)時(shí)。而我校非電類專業(yè)(如機(jī)械電子工程專業(yè))，沒有開設(shè)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程，因此，這些專業(yè)的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程為72學(xué)時(shí)。這些課時(shí)中實(shí)驗(yàn)課時(shí)只占理論課時(shí)的1/2，甚至更少，實(shí)踐學(xué)時(shí)不能滿足學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)的需求[3]。

2)教學(xué)方法的問題

單片機(jī)的傳統(tǒng)教學(xué)方式是課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)分開，課堂教學(xué)以理論為主。實(shí)踐教學(xué)一般采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[4]。

3)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題

目前的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)時(shí)較少。實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般是實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板，而這些都帶有源程序。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)基本不需要自己獨(dú)立編程，只是簡單的用導(dǎo)線把硬件連接起來，然后將源程序下載到單片機(jī)內(nèi)，運(yùn)行調(diào)試后查看結(jié)果即可。

2 基于CDIO理念的敏捷開發(fā)島構(gòu)成

2.1 敏捷開發(fā)教學(xué)理念

筆者針對“單片機(jī)”課時(shí)較少的電類專業(yè)，提出了基于敏捷開發(fā)和CDIO理念相結(jié)合的教學(xué)方法。

敏捷開發(fā)是一種以人為核心，完成迭代和循序漸進(jìn)的開發(fā)方法。在敏捷開發(fā)中，一個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目被切分成多個(gè)子項(xiàng)目，各個(gè)子項(xiàng)目都具備集成和可運(yùn)行的特征。換言之，就是把一個(gè)大項(xiàng)目分為多個(gè)相互聯(lián)系，但也可以獨(dú)立運(yùn)行的小項(xiàng)目后分別完成[5]。

CDIO工程教育培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[6]。

2.2 敏捷開發(fā)島的構(gòu)成

我們將敏捷開發(fā)和CDIO理念相結(jié)合，引入到“單片機(jī)”的教學(xué)中。假設(shè)每個(gè)班級(jí)以40人計(jì)算，劃分成10個(gè)“敏捷開發(fā)島”，每個(gè)“敏捷開發(fā)島”由4人組成，負(fù)責(zé)完成一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目課題。每個(gè)敏捷島的團(tuán)隊(duì)4人分別承擔(dān)項(xiàng)目經(jīng)理、硬件工程師、軟件工程師和技術(shù)支持等職務(wù)。圖1所示的是“敏捷開發(fā)島”的構(gòu)成。

圖1 敏捷開發(fā)島的構(gòu)成

(1)項(xiàng)目經(jīng)理崗位適合于不僅動(dòng)手能力較強(qiáng)，而且組織協(xié)調(diào)能力也好的學(xué)生。主要負(fù)責(zé)整個(gè)團(tuán)隊(duì)的管理、協(xié)調(diào)和正常運(yùn)作。除此之外，還有負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的軟件仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性，這個(gè)軟件仿真主要由Proteus軟件完成。

(2)硬件工程師崗位適合對硬件電路設(shè)計(jì)能力比較強(qiáng)的學(xué)生，要用Protel繪圖軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖，制作PCB電路板，焊接電子元器件，并調(diào)試系統(tǒng)硬件。

(3)軟件工程師崗位適合編程能力較強(qiáng)的學(xué)生，要使用C語言或匯編語言編寫系統(tǒng)程序，并調(diào)試系統(tǒng)軟件，優(yōu)化系統(tǒng)功能。

(4)技術(shù)支持崗位適合整理文檔能力較強(qiáng)的學(xué)生。主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的文檔資料整理，包括系統(tǒng)的方案論證、元器件選型、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試以及系統(tǒng)升級(jí)等。

2.3 技術(shù)文檔

項(xiàng)目的技術(shù)文檔包括:用戶說明書、量產(chǎn)技術(shù)說明、產(chǎn)品升級(jí)說明三個(gè)部分。用戶說明書是指詳細(xì)告訴用戶如何使用該產(chǎn)品。量產(chǎn)說明書是指小批量生產(chǎn)，是給生產(chǎn)人員使用的。產(chǎn)品升級(jí)說明書是指硬件設(shè)計(jì)原理圖和軟件設(shè)計(jì)源程序等。

通過撰寫和整理技術(shù)文檔，使學(xué)生提前熟悉企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程，并能提前發(fā)現(xiàn)自己知識(shí)和能力方面的不足，充分利用在校的學(xué)習(xí)時(shí)間，為今后的工作而儲(chǔ)備知識(shí)和積極實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3 “單片機(jī)”課程敏捷開發(fā)

3.1 項(xiàng)目甄選

“單片機(jī)”作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，將敏捷開發(fā)引入教學(xué)，就要結(jié)合科研項(xiàng)目，把所要講授的各項(xiàng)理論知識(shí)和實(shí)踐技能分解到具有明確應(yīng)用目標(biāo)的任務(wù)中，讓學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)[7]。

因此，“單片機(jī)”課程中適用于CDIO的項(xiàng)目要由教師仔細(xì)設(shè)計(jì)和甄選，項(xiàng)目來源于具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值的企業(yè)項(xiàng)目和教學(xué)科研項(xiàng)目。這些項(xiàng)目與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

3.2 敏捷開發(fā)流程

(1)布置課題—教師布置10個(gè)項(xiàng)目課題，并講解每個(gè)項(xiàng)目所要完成的工作和所需的專業(yè)知識(shí)，以及如何學(xué)習(xí)這些專業(yè)知識(shí)去獨(dú)立完成項(xiàng)目。

(2)學(xué)生分組—學(xué)生根據(jù)自己的專長組建“敏捷開發(fā)島”。

(3)課題分析—教師根據(jù)每個(gè)“敏捷開發(fā)島”選擇的課題情況，對課題進(jìn)行詳細(xì)分析。

(4)系統(tǒng)分解—每個(gè)“敏捷開發(fā)島”由項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)討論項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并將系統(tǒng)分解成若干個(gè)模塊，成員分工完成每個(gè)模塊，并將討論結(jié)果與教師交流。教師根據(jù)討論結(jié)果后提出修改建議。

(5)模塊設(shè)計(jì)—每個(gè)“敏捷開發(fā)島”的成員根據(jù)自己的任務(wù)設(shè)計(jì)子模塊，邊做邊學(xué)。設(shè)計(jì)完成后，交給教師檢查。

(6)知識(shí)講解—教師針對學(xué)生模塊設(shè)計(jì)中遇到的問題進(jìn)行統(tǒng)一講解，并幫助學(xué)生解決設(shè)計(jì)過程中遇到的困難和問題。

(7)驗(yàn)收模塊—教師檢查學(xué)生完成的子模塊。學(xué)生完成任務(wù)時(shí)可以繼續(xù)設(shè)計(jì)其它子模塊;若設(shè)計(jì)不正確或存在缺陷，讓學(xué)生重新設(shè)計(jì)完成任務(wù)。

(8)系統(tǒng)調(diào)試—每個(gè)項(xiàng)目組將各子模塊組合起來調(diào)試，項(xiàng)目經(jīng)理根據(jù)自己完成的軟件仿真結(jié)果與項(xiàng)目實(shí)物調(diào)試結(jié)果對照，是否一致。

(9)課題驗(yàn)收—教師對每個(gè)單片機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行逐一驗(yàn)收，并讓每個(gè)項(xiàng)目組成員回答教師的問題。教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生的答辯情況和項(xiàng)目實(shí)際的成果，給出每個(gè)學(xué)生的課程成績。

(10)課程總結(jié)—學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)知識(shí)和完成項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)和不足之處;教師也根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的整體完成情況，對此次單片機(jī)課程教學(xué)進(jìn)行總結(jié)。

通過敏捷開發(fā)項(xiàng)目對學(xué)生的鍛煉，將傳統(tǒng)以教師為中心改為以學(xué)生為中心的教學(xué)方式。這種方式不但能提高學(xué)生的積極性，還能鍛煉其綜合能力。經(jīng)過幾門課的訓(xùn)練，學(xué)生更加積極地參加校內(nèi)第二課堂的大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃和國家、省級(jí)的學(xué)科競賽，均取得了優(yōu)異的成績。

3.3 敏捷開發(fā)流程與企業(yè)真實(shí)情況對比

為了更好地驗(yàn)證敏捷開發(fā)流程的有效性和實(shí)用性，我們特意咨詢了相關(guān)企業(yè)，了解他們在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的具體流程，通過將兩者進(jìn)行對比來說明敏捷開發(fā)訓(xùn)練的重要性。

表1顯示了兩者的對比情況。

表1 非敏捷開發(fā)與企業(yè)情況對比

表中所示的10個(gè)環(huán)節(jié)中，有7個(gè)一致，2個(gè)基本一致，1個(gè)不一致。但是敏捷開發(fā)的第8個(gè)環(huán)節(jié)的“系統(tǒng)調(diào)試”與企業(yè)情況中第6環(huán)節(jié)的“系統(tǒng)測試”是一致的。敏捷開發(fā)中多了一個(gè)“知識(shí)講解”，而企業(yè)情況中多了一個(gè)“系統(tǒng)整改”。由此可見，基于敏捷開發(fā)的教學(xué)，與企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)是基本一致的，符合實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)流程。這對學(xué)生就業(yè)和實(shí)踐能力提升都有很大的幫助。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于敏捷開發(fā)與CDIO理念相結(jié)合的教學(xué)方法，該方法對教師和學(xué)生都提出了更高的要求。對于教師，要有豐富的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和軟件仿真等，要能及時(shí)解決學(xué)生遇到的問題。對于學(xué)生而言，采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)“單片機(jī)”課程學(xué)習(xí)的方式，不僅增強(qiáng)了學(xué)習(xí)能力，還鍛煉了團(tuán)隊(duì)合作精神和獨(dú)立解決問題的能力，而這些往往是學(xué)生畢業(yè)后最需具備的能力。使“單片機(jī)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)擯棄了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式?？头私虒W(xué)內(nèi)容單一、工程背景不強(qiáng)和綜合訓(xùn)練程度不夠的問題。

用本文提出的方法進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)改革與實(shí)踐，起到了預(yù)期的效果。這對其他實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，比如PLC、DSP或嵌入式系統(tǒng)等都具有較好的參考價(jià)值。

[1]張宏偉，閻有運(yùn)，王新.單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(4):206-208.

[2]陳亮.單片機(jī)課程的教學(xué)改革[J].上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(9):121-123.

[3]唐煒.基于“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的單片機(jī)類課程實(shí)踐教學(xué)改革[J].上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(5):130-132.

[4]張迎輝.任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目教學(xué)法在“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”教學(xué)中的運(yùn)用[J].廣州:教育探索，2013，(6):264-265.

[5]閆帥，許朋翔.基于瀑布模型與敏捷開發(fā)相結(jié)合的項(xiàng)目管理方法探討[J].北京:電子技術(shù)與軟件工程，2013，(18):67.

[6]崔貫勛，王勇，王柯柯，等.基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的研究與實(shí)踐[J].北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管，2013，30(5):111-114.

[7]胡敬朋，王聰.單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)研究及實(shí)踐[J].南京:電氣與電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(5):82-84.