杜　波

(長春工程學院 電氣與信息工程學院，長春 130012)

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在單片機課程中開展PBL教學法培養(yǎng)應用能力的研究與實踐

杜波

(長春工程學院 電氣與信息工程學院，長春 130012)

指出了傳統(tǒng)教學觀念的弊端，引入PBL教學法，分析了《單片機原理及應用》課程的教學目標和存在問題，以卓越計劃試點班為載體，對單片機課程應用PBL教學法，貫穿理論教學、實踐教學和考核制度三個環(huán)節(jié)，強調(diào)學習過程，旨在培養(yǎng)學生動手操作能力和工程素質(zhì)。經(jīng)過三個學期的PBL教學法的實施，從課程結(jié)束后的課程設(shè)計環(huán)節(jié)體現(xiàn)出教學效果明顯提升。

PBL；單片機課程；應用能力

一、在單片機課程中開展PBL教學法的目的和意義

PBL(Problem-BasedLearning)教學法是基于問題的學習方法。它是把教學設(shè)置在有意義的問題情境中，通過互動討論及概念辨證等方式進行科學知識的學習。它改變了傳統(tǒng)以知識灌輸為主的教學方式，特別強調(diào)學生主動學習。近年來PBL教學模式逐步開始引入高校教學，研究生中應用較多，本科較少，重點培養(yǎng)動手應用能力和工程素質(zhì)的更加稀少。

傳統(tǒng)的教學觀念把知識視為不可更改的定論，把教學看成是知識從外到內(nèi)的輸入。PBL的教學理念認為“問題是學習的起點，也是選擇知識的依據(jù)”，因此教學過程中應“先問題，后內(nèi)容”。從以知識傳授為中心轉(zhuǎn)向以能力培養(yǎng)為中心；從教師自我思維轉(zhuǎn)向?qū)W生群體思維；從追求學習的結(jié)果轉(zhuǎn)向注重學習的過程。

《單片機原理及應用》課程以卓越計劃試點專業(yè)為載體，展開教學改革，引入PBL教學方法，注重過程教學。課堂上對實踐性、可操作性較強的案例在課堂上進行講解和演示，激發(fā)學生的學習興趣；并提出問題，讓學生帶著問題進行學習、討論和研究，變被動學習為主動學習；著重動手實踐能力的培養(yǎng)，在授課—練習—實驗—考核各個環(huán)節(jié)融入實踐內(nèi)容，下達實踐任務(wù)，解決實際問題，鍛煉學生的實際應用能力，從而達到培養(yǎng)應用型本科人才的目的。

二、在單片機課程中開展PBL教學法的研究內(nèi)容和目標

以卓越計劃試點班為載體，對《單片機原理及應用》課程應用PBL教學法，貫穿理論教學、實踐教學和考核制度三個環(huán)節(jié)。

理論教學以PBL教學方法貫穿整門課程，在第一堂課上給出一個單片機應用案例，提出問題，下達任務(wù)，學生帶著問題學習整門課程。在后續(xù)的課堂教學中逐步滲入案例知識，將問題逐步分解，由教師引導學生進行自主學習和研究，完善案例功能。

實踐教學包含課堂練習和實驗，還可以適當加入團隊設(shè)計環(huán)節(jié)。利用單片機學習板和實驗設(shè)備，以proteus仿真軟件為輔助，鍛煉動手應用能力，輔助PBL教學。

建立嚴謹?shù)目己酥贫?，強調(diào)動手操作環(huán)節(jié)，將學生的每一次練習和過程成果都計入成績，樹立良好的學風，提升整體教學質(zhì)量。

期望達到以下目標：

(1)應用能力培養(yǎng)：包括硬件設(shè)計、軟件編程和聯(lián)合調(diào)試；熟悉單片機系統(tǒng)在自動控制、智能儀器等方面的應用，從而達到學生獨立完成單片機應用任務(wù)的目標。

(2)主動學習培養(yǎng)：通過PBL教學方法，培養(yǎng)學生的主動學習能力，鍛煉學生分析問題和解決實際問題的能力。

(3)工程素質(zhì)培養(yǎng)：要求學生熟悉和掌握單片機繪圖和編程方面相關(guān)國家標準、規(guī)范；培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和嚴謹、協(xié)作等方面的工程素質(zhì)，培養(yǎng)應用型本科人才。

三、在單片機課程中開展PBL教學法的實施過程

(一)結(jié)合案例式教學，實施PBL教學法

老師提出設(shè)計案例，培養(yǎng)學生的學習興趣，由老師提出問題，讓學生應用課堂知識去分析問題、解決問題，在課堂教學中逐步滲入，由教師指導學生進行自主學習和研究。

1.提出問題，開展PBL教學

在第一章單片機概述講完后，提出一個設(shè)計案例——空調(diào)制冷控制系統(tǒng)，給出設(shè)計原理圖，講解系統(tǒng)功能，提出設(shè)計任務(wù)，要求學生課下查找資料對系統(tǒng)的硬件進行完善，對軟件進行編寫，完善系統(tǒng)功能，記錄成績，激發(fā)學生的學習興趣，增加學習壓力。

(1)案例描述

設(shè)計空調(diào)制冷控制系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)能夠自動控制制冷壓縮機的運行和停止，使環(huán)境溫度保持在人們設(shè)定的溫度上(調(diào)溫范圍為10 ℃—30 ℃)。

(2)為了實現(xiàn)上述功能，作如下設(shè)計

溫度傳感器輸出信號為模擬信號，進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)環(huán)境溫度信號采集；通過按鍵進行溫度設(shè)置；利用LED顯示器顯示溫度值；將環(huán)境溫度與設(shè)定溫度進行比較，發(fā)出信號控制繼電器，從而控制壓縮機的工作狀態(tài)。

2.問題分解和問題解決，實施PBL教學

針對設(shè)計案例，將系統(tǒng)進行分解為最小系統(tǒng)、程序設(shè)計、中斷、鍵盤顯示、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電源和開關(guān)量控制幾部分，在相關(guān)章節(jié)的學習中進行相關(guān)知識的講解，結(jié)合案例，進行理論分析。組織學生對自己的設(shè)計方案進行討論，對學生設(shè)計進行指導和驗收。

(1)在硬件結(jié)構(gòu)章節(jié)，講解單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，所有的單片機系統(tǒng)設(shè)計均以最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，要求學生能夠根據(jù)設(shè)計要求獨立、合理地完成最小系統(tǒng)設(shè)計。

(2)在指令系統(tǒng)和程序設(shè)計兩個章節(jié)，講解匯編語言指令系統(tǒng)和程序設(shè)計方法，并在課上結(jié)合案例。在第四章程序設(shè)計章節(jié)，對案例中“將采集的溫度值和預設(shè)的溫度值進行比較，對制冷壓縮機進行控制”部分，指導學生進行軟件編寫和完善。

(3)在中斷系統(tǒng)章節(jié)中結(jié)合按鍵，對案例中的兩個溫度上調(diào)和下調(diào)鍵進行講解，幫助學生掌握中斷。指導學生編寫程序，并結(jié)合學生設(shè)計，組織學生進行討論，了解程序的多種編寫方法，以及不同方案的不同設(shè)計思路。

(4)在鍵盤顯示器章節(jié)，講解按鍵和數(shù)碼顯示原理和使用，結(jié)合案例講解動態(tài)顯示方法應用，結(jié)合課上練習。

(5)在模擬量輸入輸出章節(jié)，講解模數(shù)轉(zhuǎn)換原理，結(jié)合案例講解模數(shù)轉(zhuǎn)換應用，指導學生編寫和完善案例程序，結(jié)合學生的設(shè)計組織討論。案例系統(tǒng)設(shè)計中溫度傳感器選用熱敏電阻傳感器，當溫度在中間某一范圍時，溫度特性曲線為線性關(guān)系，指導學生課下查找相關(guān)資料，完成對采集數(shù)據(jù)的標度變換。

(6)對于案例系統(tǒng)中電源和開關(guān)量的控制，不在教學大綱范疇之內(nèi)，要求學生自行查找資料學習，鍛煉學生的自學能力。

經(jīng)過一個學期的課程學習，將一個案例進行完善，使學生熟悉和經(jīng)歷了一個工程實例，了解單片機應用系統(tǒng)的設(shè)計過程，為后面的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計做了準備，積累專業(yè)知識。同時也讓學生在學習的過程中，通過發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—完善細節(jié)的過程，強化知識點的理解，將理論知識轉(zhuǎn)換為實際應用，培養(yǎng)了應用能力和工程素質(zhì)。

(二)結(jié)合PBL教學法的課堂練習

結(jié)合課堂案例和大綱知識點、重點，挑選章節(jié)中可進行操作練習的知識點，在理論知識講解完畢后，由老師帶領(lǐng)學生做一個動手操作性的練習，借助電路板或proteus仿真軟件完成。之后老師在剛才練習的基礎(chǔ)之上，提出進一步的功能需求，要求同學們運用本節(jié)理論知識進行解決，組織學生在課堂上進行討論和動手操作，老師負責指導、答疑和驗收。如果完成情況較好，則再次升級難度，并要求在下次上課時驗收，否則由同學們在課下完善，同樣要求在下次上課時進行驗收。

《單片機原理及應用》課程當中的多分支程序設(shè)計、中斷和定時器的使用、鍵盤和顯示器、模數(shù)轉(zhuǎn)換等章節(jié)，均可采用課堂練習的形式，強化知識點的理解。

這樣的課堂練習，第一次練習由老師帶領(lǐng)，將知識當堂應用并消化理解。功能要求的進一步升級，給學生提出問題，要求學生帶著問題，應用本節(jié)課程學到的理論知識解決問題，同時難度的加大，鍛煉了學生分析問題解決問題的能力。

課堂練習可穿插于課堂案例講解和練習之中，也可以單獨進行。與課堂案例設(shè)計相比較，針對知識點的課堂小練習更傾向于知識點的理解和應用，而課堂案例更傾向于實際工程問題的解決，課堂小練習相對比較零散，而課堂案例更加系統(tǒng)化，二者相輔相成。

(三)在課內(nèi)實驗環(huán)節(jié)強化編程能力和編程技巧

課內(nèi)實驗共有5個實驗，實驗性質(zhì)分別為驗證性和綜合性，但結(jié)合《單片機原理及應用》是一門動手實踐要求較高的課程，因此要求每位同學必須自己編寫實驗程序，根據(jù)實驗要求，拆分問題，編寫程序?qū)崿F(xiàn)實驗功能，并且能夠詳細解釋每一條指令在程序中的功能。做到真正理解每一個實驗，達到鍛煉動手能力，強化知識點的實驗目的。

(四)結(jié)合PBL教學法的團隊設(shè)計

根據(jù)教學班級的學習積極性和學習效果，可有選擇地進行團隊設(shè)計。結(jié)合PBL教學法，給學生分組并布置任務(wù)，要求以小組為單位進行團隊設(shè)計，根據(jù)興趣自選題目，激發(fā)學生學習興趣，推動課程學習，培養(yǎng)學生的團隊精神和協(xié)作能力，同時最大限度地發(fā)揮學生的創(chuàng)新思維。按照設(shè)計成果給每組分別賦分，同一小組成員得分一致，成績納入平時成績，培養(yǎng)學生的自主學習和自主設(shè)計能力，以及工程實踐能力和工程協(xié)作精神。

(五)完善平時成績考核方案，輔助PBL教學法的實施

前面的課堂案例、練習、實驗，以及團隊設(shè)計，如果想真正的、有效的實施，并達到預期效果，必須要配有嚴格的考核制度，才能保證教學法的真正執(zhí)行。

建立嚴謹?shù)钠綍r成績考核方案，并嚴格、細致地執(zhí)行，讓學生清楚地看到，他們的每一次認真、努力地練習、實驗、設(shè)計都會記錄為自己的最終成績，每一分都有據(jù)可查，學生的每一分耕耘對應每一分收獲。這樣才能真正調(diào)動學生的學習積極性，加大學生的學習壓力，樹立良好的學風，提升整體教學質(zhì)量。

四、在單片機課程中開展PBL教學法的實施效果

從開設(shè)卓越試點專業(yè)之后，響應學院號召開始針對試點專業(yè)進行課程改革，在課堂教學中實行PBL教學法，在理論教學中進行案例式、問題式教學，對所有的案例設(shè)計、課堂練習、課內(nèi)實驗嚴格驗收，并對成績進行記錄，納入最終成績。

2013/2014學年第一學期對電氣1141進行教改，為培養(yǎng)學生的實踐動手能力和工程協(xié)作精神，在課程的學習過程當中下發(fā)了團隊設(shè)計任務(wù)，給學生分組并布置任務(wù)，要求以小組為單位進行設(shè)計，激發(fā)學生學習興趣和自學能力，推動課程學習，按照設(shè)計成果給每組分別賦分，同一小組成員得分一致，此部分成績占總成績的10%。

2014/2015學年第一學期對電氣1241再次布置團隊設(shè)計。通過兩個學期的執(zhí)行，兩屆同學都能夠按期按要求完成和上交設(shè)計任務(wù)，效果良好。學生的學習熱情和教學效果得到了提高。團隊設(shè)計就是PBL教學法的一個方面，只不過是分組進行的，并且問題都是學生自己發(fā)現(xiàn)和解決，在一定程度上鍛煉了學生的動手能力和工程協(xié)作精神。

2014/2015學年第一學期對電氣1241班開始嘗試引入proteus仿真軟件，在課堂練習和實驗中引入，使用方便，設(shè)計靈活，效果非常好，強化了知識點的理解和應用，此方法值得進一步提倡和應用。

2015/2016學年第一學期對電氣1341班進行開發(fā)板教學，結(jié)合知識點和PBL教學法，進行課堂練習，這種結(jié)合實際的教學方式，既鍛煉了學生的動手能力，又讓學生直觀地接觸單片機實際的硬件系統(tǒng)，彌補了仿真帶來的距離感，特別適合于單班教學。

經(jīng)過三個學期的PBL教學法的實施，教學效果明顯提升，從課程結(jié)束后的單片機課程設(shè)計環(huán)節(jié)足以體現(xiàn)。普通電氣專業(yè)本科的課程設(shè)計為期2周，基本做的都是理論設(shè)計，只有少數(shù)同學做了proteus仿真。卓越試點專業(yè)的單片機課程設(shè)計為期只有1周，但可以做到所有同學均能在5天時間之內(nèi)完成課程設(shè)計并實現(xiàn)proteus仿真成功，動手應用能力明顯優(yōu)于其他專業(yè)學生。

五、結(jié)束語

針對《單片機原理及應用》課程，經(jīng)過為期三年的PBL教學法的研究和實踐，對學生應用動手能力的培養(yǎng)效果顯著。PBL教學法的應用由原來的講授式教學轉(zhuǎn)化為學生自主學習，帶有興趣和壓力進行學習和研討，去解決問題，在解決問題的過程中能夠強化了知識點的理解和應用，鍛煉了實踐動手能力，同時對工程案例的完善過程，使學生熟悉了工程設(shè)計方法，培養(yǎng)了工程素質(zhì)。動手能力的強化和工程素質(zhì)的養(yǎng)成使學生能夠在短時間內(nèi)將課程設(shè)計以最優(yōu)秀的質(zhì)量完成，教學效果提升顯著。

作為任課老師筆者很欣慰，同時也針對這三年的PBL教學法的應用進行總結(jié)和分析，在以后的教學中有以下兩個方面可再進行改進和嘗試：

(1)課堂案例的完善和更新：查找更多的實例，引導和激發(fā)學生的學習興趣；

(2)引入慕課教學：調(diào)整教學結(jié)構(gòu)，讓學生有更多的時間和機會進行動手實踐練習。

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ResearchandpracticeoftrainingapplicationabilityofPBLteachingmethodinsinglechipmicrocomputercourse

DUBo

(Changchun Institute of Technology，School of Electrical Engineering and Information Technology，Changchun 130011，China)

Thispaperpointsoutthedisadvantagesofthetraditionalteachingconcepts，andcarriesoutPBLteachingmethodinthecurriculumteaching，analyzestheteachinggoalandexistingproblemsof“singlechipmicrocomputerprincipleandapplication”course.ittakestheexperimentalclassofexcellenceprogramasthecarrier，appliesthePBLteachingmethodinthecourseofthesinglechipmicrocomputer，throughoutthethreelinkstheoryteaching，practiceteachingandexaminationsystem，anditemphasizesthelearningprocess，tocultivatestudents’abilityofoperationandengineeringquality.AftertheimplementationofthePBLteachingmethodinthreesemesters，theteachingeffectcanbeimprovedobviouslyinthecoursedesignafterthecourse.

PBL；singlechipmicrocomputercourse；applicationability

10.3969/j.issn.1009-8976.2016.03.035

2016-07-01

吉林省教育科學規(guī)劃課題“在單片機課程中開展PBL教學法培養(yǎng)應用能力的研究與實踐”(項目編號：GH150309)

吉林省教育科學規(guī)劃課題“應用型本科院校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式研究與實踐”(項目編號：GH150321)

杜波(1976—)，女(漢)，吉林長春，副教授，碩士

主要研究自動化理論。

G642.41

A文章編號：1009-8976(2016)03-0117-04