李秀瀅， 段曉毅， 趙 成， 李雪梅

(北京電子科技學(xué)院 電子信息工程系， 北京 100070)

單片機(jī)課程屬于工程技術(shù)類課程，目前各高校采取的還是理論課加實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)組織形式，這種組織形式在一定程度上割裂了工程技術(shù)類課程的實(shí)踐性。各高校都在積極探討怎樣彌補(bǔ)這一缺陷，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力[1-2]。在教學(xué)實(shí)踐的探索中，提出了構(gòu)建以實(shí)踐為主導(dǎo)的“立體化”教學(xué)模式的改革思路，致力于打破課程教學(xué)上時(shí)間與空間的壁壘，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐能力貫通式培養(yǎng)。

1 立體化教學(xué)模式的教學(xué)理念

1.1 立體化教學(xué)模式的提出

“立體化”教學(xué)模式實(shí)際上是課程組以實(shí)踐能力培養(yǎng)為主線、全方位改革課程的一個(gè)形象性詮釋。所謂“立體化”就是利用有效的手段建立課程各教育環(huán)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系，打通學(xué)生學(xué)習(xí)中的壁壘，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐能力培養(yǎng)的一體化教學(xué)[3]。

建立“立體化”教學(xué)模式的目的是讓學(xué)生通過(guò)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)，建立起系統(tǒng)化、模塊化的工程概念，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)工程師基本素質(zhì)。圖1是“立體化教學(xué)模式”的一個(gè)形象示意。

圖1 立體化教學(xué)模式示意圖

1.2 立體化教學(xué)模式的改革思路

構(gòu)建實(shí)踐能力培養(yǎng)的“立體化”教學(xué)模式從宏觀上說(shuō)，就是要在課程教學(xué)上實(shí)現(xiàn)4個(gè)融合，即專業(yè)內(nèi)容與特色內(nèi)容融合、實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)融合、軟件仿真與硬件實(shí)驗(yàn)融合、課內(nèi)教學(xué)與課外教學(xué)融合。

(1) 專業(yè)與特色相結(jié)合。當(dāng)前各大院校都在傾力打造自己的專業(yè)特色，而單片機(jī)課程作為電子類專業(yè)的必修課，它通常是服務(wù)于特定專業(yè)方向和專業(yè)特色的。所以應(yīng)挖掘單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)特色知識(shí)體系的內(nèi)在聯(lián)系，增加特色內(nèi)容，做好課程間內(nèi)容的銜接與貫通。

(2) 理論與實(shí)踐相融合。單片機(jī)是一門(mén)技術(shù)性和工程性很強(qiáng)的課程，割裂理論與實(shí)踐之間的有機(jī)聯(lián)系，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)情緒。所以要實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，打通理論與實(shí)踐的嚴(yán)格界限，實(shí)現(xiàn)一體化教學(xué)。

(3) 仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合?，F(xiàn)代電子仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。在單片機(jī)教學(xué)中引入仿真，建立軟件仿真與硬件電路實(shí)驗(yàn)相融合的教學(xué)方式，可以快速提升學(xué)生單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力[4]。

(4) 課內(nèi)與課外相融合。在各高校不斷壓縮課內(nèi)學(xué)時(shí)的教育背景下，單片機(jī)教學(xué)完全依靠課內(nèi)學(xué)時(shí)是無(wú)法滿足學(xué)生工程實(shí)踐能力全面提升的需求的。因此需要研究新教學(xué)方法和手段，引導(dǎo)和激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行課外的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式教學(xué)，打通學(xué)生課內(nèi)外學(xué)習(xí)的壁壘。

2 立體化教學(xué)模式的具體實(shí)施

2.1 把握課程在專業(yè)特色培養(yǎng)體系中的定位

隨著我國(guó)高等教育改革的不斷深化，面向特色建設(shè)專業(yè)已成為共識(shí)，因此立足于專業(yè)特色建立單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)改革的重要舉措。我校的電子信息工程專業(yè)是教育部的特色專業(yè)，特色立足點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的密碼工程實(shí)踐能力。教學(xué)團(tuán)隊(duì)從專業(yè)特色的培養(yǎng)方向出發(fā)，構(gòu)建了特色課程群[5]，課程群的組成如圖2所示。“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程是特色課程群的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它服務(wù)于“信息安全設(shè)備原理與實(shí)踐”和“信息安全設(shè)備測(cè)評(píng)”這2門(mén)頂層的特色課。

圖2 課程群組成

信息安全設(shè)備實(shí)際上是一類典型的嵌入式系統(tǒng)，它與單片機(jī)系統(tǒng)密不可分。團(tuán)隊(duì)教師在分析信息安全設(shè)備技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重新規(guī)劃了單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容，確定課程培養(yǎng)定位:兼顧基礎(chǔ)、立足實(shí)踐、突出特色。為給后續(xù)特色課程打基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了“基于嵌入式處理器的密碼算法實(shí)現(xiàn)”和“密碼機(jī)的設(shè)計(jì)”相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，如在“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)舉例”章節(jié)的教學(xué)中，將“基于ATMega16單片機(jī)簡(jiǎn)易密碼機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”作為教學(xué)案例。

2.2 建立理論與實(shí)踐相融合的教學(xué)手段

單片機(jī)課程知識(shí)點(diǎn)多、技術(shù)性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，按照傳統(tǒng)方式來(lái)授課，學(xué)生入門(mén)難度大，很多學(xué)生在聽(tīng)2次課后就產(chǎn)生了厭學(xué)情緒，直接影響了學(xué)習(xí)效果。教育家陶行知老先生曾提出“教學(xué)做合一”的教學(xué)思想，他特別強(qiáng)調(diào)要親自在“做”的過(guò)程中獲得知識(shí)。這種“教學(xué)做合一”的觀點(diǎn)非常適合應(yīng)用于高校技術(shù)類課程的教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，也就是教師在“做”中教、學(xué)生在“做”中學(xué)，避免教學(xué)和實(shí)踐兩張皮現(xiàn)象[6]。

實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的融合其實(shí)很難，當(dāng)前廣泛存在的理論課堂加實(shí)踐課堂的教學(xué)形式，在時(shí)間和空間上就將“學(xué)”和“做”分離了。仿真技術(shù)的發(fā)展給單片機(jī)的教學(xué)帶來(lái)了巨大的活力，可以讓學(xué)生帶著個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)課堂，利用Proteus仿真軟件和Iiccavr軟件，搭建單片機(jī)學(xué)習(xí)的軟實(shí)踐環(huán)境，邊學(xué)邊做。

為了遵循實(shí)踐能力的認(rèn)知規(guī)律，調(diào)整授課內(nèi)容和授課順序，實(shí)行了“實(shí)踐—理論—再實(shí)踐”的教學(xué)過(guò)程，即:先讓學(xué)生跟著做，然后再剖析現(xiàn)象背后的原理，最后提出新任務(wù)讓學(xué)生分組在課堂上完成。例如在“ATMega16單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器”一節(jié)的課堂教學(xué)中，教師首先帶著學(xué)生在計(jì)算機(jī)上完成一個(gè)利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED閃爍的小系統(tǒng)，之后再講解ATMega16定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理，最后給出一個(gè)“利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出不同頻率聲音”的任務(wù)讓學(xué)生分組完成。

2.3 形成仿真平臺(tái)與硬件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

絕大多數(shù)高校在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中采用特定單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板或?qū)嶒?yàn)箱，這些硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多數(shù)是集成好的，且不便隨身實(shí)驗(yàn)。Proteus仿真平臺(tái)只需要安裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)上就可以直接帶入課堂，極大地提高了實(shí)踐學(xué)習(xí)的實(shí)效性；同時(shí)通過(guò)仿真電路的搭建，一定程度上可以提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力。但仿真只是一個(gè)手段，它不能取代單片機(jī)學(xué)習(xí)中的真實(shí)硬件平臺(tái)[7-8]，因此團(tuán)隊(duì)教師重新安排教學(xué)流程和內(nèi)容，將仿真平臺(tái)和硬件平臺(tái)都充分利用起來(lái)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促進(jìn)學(xué)生快速、高效地掌握單片機(jī)技術(shù)。

理論課堂上主要采用仿真平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)課堂中主要采用硬件平臺(tái)。為了讓學(xué)生能將兩者有機(jī)地結(jié)合、切實(shí)提高單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能力，在項(xiàng)目型大實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生進(jìn)行必要的仿真后，再搭建真正的硬件電路來(lái)完成項(xiàng)目。

2.4 實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外教學(xué)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制

完全依靠課內(nèi)教學(xué)學(xué)時(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要將教學(xué)延伸到課外，建立有效的教學(xué)機(jī)制，督促學(xué)生利用課外時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。當(dāng)前信息化技術(shù)手段日新月異，新穎的教學(xué)手段和教學(xué)方法層出不窮，從單片機(jī)課程學(xué)習(xí)的特點(diǎn)出發(fā)，采取了半翻轉(zhuǎn)課堂和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了理論課堂和實(shí)驗(yàn)課堂共同向課外延伸的目標(biāo)[9-10]。

為了實(shí)現(xiàn)理論課堂向課外延伸的教學(xué)目標(biāo)，在理論環(huán)節(jié)采取了半翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)形式。教學(xué)中借助計(jì)算機(jī)進(jìn)課堂、Proteus仿真平臺(tái)以及分組討論學(xué)習(xí)等手段，指導(dǎo)學(xué)生完成一系列單元性實(shí)踐項(xiàng)目。課前，先將相似的實(shí)踐任務(wù)布置下去，學(xué)生可借助微課視頻分組完成部分實(shí)踐任務(wù)；課上，教師帶著學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目方案分析，并分步驟解決問(wèn)題；課后，學(xué)生調(diào)試完善該實(shí)踐任務(wù)，并作為作業(yè)提交。這種教學(xué)形式稱為“半翻轉(zhuǎn)”，因?yàn)榻虒W(xué)過(guò)程中教師要進(jìn)行必要的講解，將課堂進(jìn)程按項(xiàng)目實(shí)踐的規(guī)律分成3個(gè)階段:搭建仿真電路、繪制程序流程圖和編寫(xiě)C程序，每個(gè)階段中，教師先進(jìn)行必要的分析提示，然后各組學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成階段任務(wù)，最后展示和點(diǎn)評(píng)2組左右學(xué)生的階段成果。

半翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)形式主要應(yīng)用在單片機(jī)功能模塊的學(xué)習(xí)上，擬定的實(shí)踐項(xiàng)目如表1所示[11]。

表1 半翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課堂向課外延伸的教學(xué)目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采取了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法。最后安排的實(shí)驗(yàn)為項(xiàng)目型大實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自擬一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)，以小組為單位協(xié)作完成。為了讓學(xué)生樹(shù)立創(chuàng)新理念、培養(yǎng)綜合解決問(wèn)題的能力，對(duì)項(xiàng)目型大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)做了必要的規(guī)定[12]:

(1) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求。系統(tǒng)須涵蓋單片機(jī)的數(shù)字I/O單元、定時(shí)/計(jì)數(shù)器單元和串口通信單元的應(yīng)用；系統(tǒng)最終要在硬件電路上調(diào)試成功，硬件電路要有自己焊接搭建的部分，不能全部依賴開(kāi)發(fā)板。

(2) 自擬題目要求。在第6教學(xué)周時(shí)，提交自擬系統(tǒng)的可行性設(shè)計(jì)報(bào)告，教師審核。

(3) 實(shí)驗(yàn)考核要求。該實(shí)驗(yàn)占總成績(jī)的35%，在最后一次實(shí)驗(yàn)課堂上進(jìn)行成果驗(yàn)收，其中包括實(shí)物展示和PPT答辯。

3 立體化教學(xué)模式的實(shí)施效果分析

教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)成績(jī)統(tǒng)計(jì)和問(wèn)卷調(diào)查，詳細(xì)分析了2輪立體化教學(xué)模式的實(shí)施效果，期待在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升教學(xué)水平[13]。

3.1 對(duì)學(xué)生成績(jī)的分析

研究選取了電子信息工程專業(yè)2014級(jí)、2015級(jí)2個(gè)班次的“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的期末總評(píng)成績(jī)和項(xiàng)目型大實(shí)驗(yàn)成績(jī)(占總評(píng)成績(jī)35%)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2學(xué)生成績(jī)的統(tǒng)計(jì)分析%

成績(jī)等級(jí)/分2014級(jí)學(xué)生成績(jī)總評(píng)成績(jī)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)成績(jī)2015級(jí)學(xué)生成績(jī)總評(píng)成績(jī)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)成績(jī)90以上1117203580—894262394870—793116321660—691218060以下4411

從表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在實(shí)行立體化教學(xué)模式后，2輪教學(xué)都取得了較好的效果，學(xué)生的整體成績(jī)較好。

調(diào)查分析表明，學(xué)生投入項(xiàng)目型實(shí)驗(yàn)的積極性很高，完成的作品質(zhì)量較好，動(dòng)手實(shí)踐能力提升明顯。與此同時(shí)，學(xué)生自信心增強(qiáng)，參加2016年北京市電子設(shè)計(jì)大賽和2017年全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽的人數(shù)同比增多，且2016年取得了前所未有的好成績(jī)。

3.2 對(duì)調(diào)查問(wèn)卷的分析

立體化教學(xué)模式是對(duì)課程的全面改革，對(duì)于這種新型的教學(xué)模式，學(xué)生的適應(yīng)性怎樣？對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的感受如何？通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行了具體的了解。調(diào)查結(jié)果如表3 所示。

表32015學(xué)生的單片機(jī)課程調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)%

以上調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，采取以實(shí)踐為主導(dǎo)的立體化教學(xué)模式，切實(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，學(xué)生認(rèn)可度高。教學(xué)模式中的幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)大部分學(xué)生都能積極參與，并給予肯定的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

以實(shí)踐為主導(dǎo)的立體化教學(xué)模式在單片機(jī)課程中的應(yīng)用，為課程教學(xué)帶來(lái)了新的活力，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯提高，動(dòng)手實(shí)踐的自信心明顯增強(qiáng)。通過(guò)后續(xù)專業(yè)課教師的反饋以及學(xué)生參與各項(xiàng)科技活動(dòng)情況來(lái)看，學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力得到了全面的提升。

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