賈豫東+張曉青

摘要：本文針對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)，采用模塊化教學(xué)思想，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，將一些本專業(yè)經(jīng)典設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分解，按照從基礎(chǔ)到創(chuàng)新4個(gè)實(shí)驗(yàn)層次，先易后難，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，形成進(jìn)階式的學(xué)習(xí)模式。由于設(shè)計(jì)內(nèi)容更貼近學(xué)生專業(yè)，可以更好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);模塊化;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）20-0212-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，主要是針對(duì)課程的理論做出科學(xué)驗(yàn)證，讓學(xué)生加深對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。但從目前專業(yè)課程教學(xué)情況來(lái)看，根據(jù)現(xiàn)有條件，讓學(xué)生自己動(dòng)手構(gòu)思和設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)比較少。這在不同程度上影響到學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，尤其是在硬件動(dòng)手能力方面。目前單片機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)槠渲匾?，是工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，在各個(gè)工科專業(yè)的實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中普遍被學(xué)生采用[1-3]。因此研究其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，幫助學(xué)生有效的掌握單片機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)，具有重要的意義。下面從教學(xué)內(nèi)容課程設(shè)置的角度深入分析模塊化教學(xué)在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思路。

一、傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的不足及改進(jìn)

目前在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，廣泛采用的是實(shí)驗(yàn)箱操作模式。試驗(yàn)箱教學(xué)是一種優(yōu)秀的教學(xué)學(xué)習(xí)模式，可以讓學(xué)習(xí)者在較短時(shí)間內(nèi)了解系統(tǒng)的基本開(kāi)發(fā)過(guò)程。但其集成性強(qiáng)、開(kāi)放性不足的特點(diǎn)，也會(huì)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生“黑盒子效應(yīng)”，對(duì)內(nèi)部模塊的工作過(guò)程不求甚解，認(rèn)識(shí)不深入。在實(shí)踐過(guò)程中教師按操作步驟逐步進(jìn)行，留給學(xué)生分析思考的余地很少，學(xué)生基本上都將操作程序化，當(dāng)作一種任務(wù)來(lái)完成，即測(cè)量、記錄所需的數(shù)據(jù)并形成報(bào)告就算完成設(shè)計(jì)。從某種意義上講，學(xué)生將“單片機(jī)設(shè)計(jì)”當(dāng)成了傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)課”來(lái)實(shí)施，實(shí)驗(yàn)只是對(duì)前人知識(shí)的驗(yàn)證、重復(fù)和再現(xiàn)，對(duì)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，以及加深原理理解有一定的作用，但對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力方面是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[1]。

模塊課程最早見(jiàn)于20世紀(jì)50～70年代的職業(yè)技術(shù)教育課程，即將內(nèi)在邏輯聯(lián)系緊密、學(xué)習(xí)方式要求和教學(xué)目標(biāo)相近的教學(xué)內(nèi)容整合在一起，構(gòu)成小型化的模塊課程。實(shí)施模塊教學(xué)的首要工作是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的改革，而教學(xué)內(nèi)容的確立最終應(yīng)歸結(jié)于課程體系的建立。因此，實(shí)施模塊教學(xué)的重點(diǎn)是建立模塊課程體系。模塊課程體系就是打破原有學(xué)科課程體系，以實(shí)用能力和必備素質(zhì)為培養(yǎng)目標(biāo)，采用模塊教材形式，改進(jìn)原有學(xué)科內(nèi)容的編排方式，綜合原有相關(guān)學(xué)科內(nèi)容，而形成的各個(gè)全新課程的集合。模塊化教學(xué)多見(jiàn)于大學(xué)課程，是按照程序模塊化的構(gòu)想和原則來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的一整套教學(xué)體系，采用模塊化思想，構(gòu)建一個(gè)單片機(jī)模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)，學(xué)生可以采用提供的模塊，根據(jù)要求，自己動(dòng)手獨(dú)立完成一個(gè)完整的單片機(jī)設(shè)計(jì)題目。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生可以擺脫試驗(yàn)箱固有模式對(duì)設(shè)計(jì)思想的束縛，采用類似搭積木的方式構(gòu)建硬件連接，從而把更多的精力放在創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)上來(lái);采用模塊化方式構(gòu)建硬件架構(gòu)，圍繞單片機(jī)核心，學(xué)生可以在后期的專業(yè)設(shè)計(jì)中，采用擴(kuò)展模塊的方式，自主選擇各種功能模塊，并添加進(jìn)自己的電路中，大大豐富了應(yīng)用層面的內(nèi)容，加強(qiáng)了其他專業(yè)課和單片機(jī)課之間的聯(lián)系，無(wú)論對(duì)單片機(jī)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，還是相關(guān)專業(yè)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，都起到了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用;模塊化式的硬件平臺(tái)構(gòu)建模式中所有的功能模塊是可以被替換和增加的，可以很方便在不舍棄其他功能模塊的基礎(chǔ)上，將新芯片融合到已有的設(shè)計(jì)中去，不僅能夠加快對(duì)新芯片的消化過(guò)程，而且不再另外增加硬件成本。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

CDIO是基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)的新型教學(xué)模式，它以工程項(xiàng)目從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)技能;注重知識(shí)與多種能力的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力、終生學(xué)習(xí)能力、交流能力和大系統(tǒng)掌控能力[4]。

根據(jù)CDIO工程教育理念，將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期——構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作緊密結(jié)合起來(lái)，實(shí)驗(yàn)課程體系可分解為4個(gè)層次：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[5。

在此設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，總體設(shè)計(jì)思路是以完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容為主線，在4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分配中，先易后難，先基礎(chǔ)后綜合，通過(guò)該系統(tǒng)完整功能的實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容貫穿起來(lái)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容成為一個(gè)整體，形成進(jìn)階式的學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。具體的實(shí)施時(shí)，先將該系統(tǒng)進(jìn)行模塊分解，然后將分解后的模塊按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)程，貫穿到整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)模塊是相關(guān)的，前一次實(shí)驗(yàn)是后一次實(shí)驗(yàn)實(shí)施基礎(chǔ)[6]。教師在設(shè)計(jì)課程時(shí)，也必須考慮到如下問(wèn)題：教學(xué)過(guò)程中所有成分都要能體現(xiàn)在課程內(nèi)容中;所選的內(nèi)容和題目要遵循教學(xué)論的基本原理;內(nèi)容的設(shè)置要考慮到教學(xué)目的、設(shè)計(jì)的可行性，教學(xué)任務(wù)、內(nèi)容的統(tǒng)一，以及教學(xué)的組織形式;在選擇課程內(nèi)容設(shè)置時(shí)充分考慮到每一步的教學(xué)手段與方法的不足之處;在體現(xiàn)教學(xué)方法多樣化的時(shí)候，不可貪多求繁;課程內(nèi)容的設(shè)置要有發(fā)展的眼光，具體的設(shè)計(jì)方法和題目要隨著技術(shù)的發(fā)展而變，隨著教學(xué)對(duì)象的變化而變化。

以激光器驅(qū)動(dòng)源的設(shè)計(jì)為例，該設(shè)計(jì)是本專業(yè)學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中經(jīng)常要用到的基本設(shè)計(jì)。按照設(shè)計(jì)進(jìn)程，將內(nèi)容拆解，第一次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是基本編譯環(huán)境構(gòu)建和IO口的編程控制，可以用IO口控制LED實(shí)現(xiàn)指示燈亮滅，以便于后續(xù)作狀態(tài)顯示;第二次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行外圍擴(kuò)展接口的調(diào)試，如AD和DA，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制做準(zhǔn)備;第三次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中斷系統(tǒng)的調(diào)試，采用按鍵通斷觸發(fā)控制外部中斷，以便于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;第四次實(shí)驗(yàn)在壓控恒流源的基礎(chǔ)上，通過(guò)按鍵加減改變DA輸出，控制恒流源電流大小。前兩次課內(nèi)容屬于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，只有少量的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，后兩次課就開(kāi)始增加了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比重。最后兩次課屬于綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容和在此基礎(chǔ)上的專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，可以利用AD采樣實(shí)現(xiàn)恒流源電流采樣，并通過(guò)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的閉環(huán)控制，對(duì)于進(jìn)度較快的同學(xué)，可以引入負(fù)反饋控制算法的改進(jìn)探討。這樣，學(xué)生每一次實(shí)驗(yàn)都必須是在前一次實(shí)驗(yàn)完成的情況下進(jìn)行，并且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以很好的結(jié)合專業(yè)方向的應(yīng)用，對(duì)學(xué)生更有吸引力。進(jìn)階式的連續(xù)設(shè)計(jì)也使得學(xué)生在不知不覺(jué)中從難道易，逐步掌握了單片相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)導(dǎo)致每一次實(shí)驗(yàn)課都是下一次實(shí)驗(yàn)課的延續(xù)，如果沒(méi)有上次實(shí)驗(yàn)課的實(shí)現(xiàn)，下次的實(shí)驗(yàn)課也無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，這樣也就迫使學(xué)生克服危難情緒，勇于去面對(duì)實(shí)踐中碰到的問(wèn)題，這樣在每次成功后的成就感也會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)自主學(xué)習(xí)。

類似這樣的設(shè)計(jì)例子有很多，基本都可以按照同樣的思路進(jìn)行模塊化分解，同時(shí)所選的設(shè)計(jì)內(nèi)容可以靈活結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)。

三、實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施

實(shí)驗(yàn)課實(shí)施環(huán)節(jié)是課程內(nèi)容達(dá)到預(yù)期效果的保證?！白鲋袑W(xué)”是CDIO的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，教師通過(guò)提出設(shè)計(jì)要求，讓學(xué)生根據(jù)要求，查找相應(yīng)地資料，跟同學(xué)交流探討。所有的實(shí)驗(yàn)軟硬件平臺(tái)的構(gòu)建和調(diào)試都是由學(xué)生主動(dòng)來(lái)完成，教師只是設(shè)計(jì)一些問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自己從互聯(lián)網(wǎng)查找資料，積極思考，學(xué)生獨(dú)立分析項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的每個(gè)步驟，獨(dú)立解決項(xiàng)目過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以個(gè)人為單位進(jìn)行，可以避免部分學(xué)生“搭順風(fēng)車”的思想。以前試驗(yàn)箱教學(xué)方法由于條件限制，需要將學(xué)生以小組形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)組基本統(tǒng)一一個(gè)成績(jī)，這樣甚至?xí)霈F(xiàn)一個(gè)做、其他人看的局面，無(wú)法保證整體的學(xué)習(xí)效果。而采用模塊化教學(xué)，每個(gè)學(xué)生都將領(lǐng)到一套實(shí)驗(yàn)課中需要用到的器件，不僅能鍛煉學(xué)生的獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，同時(shí)在實(shí)踐過(guò)程中，也會(huì)驅(qū)使學(xué)生主動(dòng)去跟其他同學(xué)溝通、學(xué)習(xí)，解決自己碰到的問(wèn)題。

四、結(jié)論

單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容對(duì)于整個(gè)“單片機(jī)”課程而言，是非常重要的一個(gè)部分，在教學(xué)過(guò)程中合理的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，可以有效的提高教學(xué)效果。采用模塊化教學(xué)模式，將專業(yè)設(shè)計(jì)中一些經(jīng)典的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行分解，按照先易后難，先基礎(chǔ)后綜合的方式，合理分配基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)四個(gè)層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比重，形成進(jìn)階式學(xué)習(xí)進(jìn)度控制。同時(shí)由于設(shè)計(jì)內(nèi)容更貼近學(xué)生的專業(yè)，可以更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并為后續(xù)專業(yè)課設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。這樣的教學(xué)改革與實(shí)踐筆者已經(jīng)實(shí)施了三年，可以明顯看到，學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容后，在后期的課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中能夠主動(dòng)將本課程內(nèi)容與各自的具體研究課題相結(jié)合，熟練應(yīng)用本課程學(xué)到的實(shí)驗(yàn)技能，提高了實(shí)踐應(yīng)用能力。

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