◆張煥梅 郭蕓俊 葉瑤 田靜

1 引言

近年來，應(yīng)用轉(zhuǎn)型成為地方高校的趨勢和潮流，應(yīng)用型改革的重點(diǎn)是“以能力為導(dǎo)向，以應(yīng)用為目標(biāo)”[1]。因此，在培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)更注重其學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、就業(yè)能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]，體現(xiàn)在課程方面，不僅需要培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)，更為重要的是需要培養(yǎng)學(xué)生的按需學(xué)習(xí)能力和知識(shí)應(yīng)用能力，從而最終實(shí)現(xiàn)就業(yè)時(shí)跟企業(yè)工作的無縫對(duì)接[3-4]。

目前，隨著單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀表，智能家居等工作生活的各個(gè)領(lǐng)域[5-6]，社會(huì)對(duì)從事單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)人才的需求量也與日俱增[7]。因此，結(jié)合太原工業(yè)學(xué)院向應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)型的需求，單片機(jī)課程也在不斷改革中適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀及特點(diǎn)

單片機(jī)是太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生掌握單片機(jī)有關(guān)軟硬件及接口技術(shù)等相關(guān)概念，能根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)出應(yīng)用系統(tǒng)[8]。該課程在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)及就業(yè)時(shí)起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)以單片機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)為主線，重視知識(shí)的完整性，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)完課程后，雖應(yīng)付考試沒問題，但并不知道所學(xué)知識(shí)有什么用。等到真正工作時(shí)，因需將知識(shí)重新有機(jī)組合以形成應(yīng)用能力，就會(huì)出現(xiàn)無從下手的局面[9]。而大部分企業(yè)均要求學(xué)生畢業(yè)工作時(shí)就有一定的動(dòng)手能力及工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，這也是目前社會(huì)對(duì)大學(xué)畢業(yè)生不太認(rèn)可的主要原因，這些因素促使高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型并加快課程改革的步伐。

一直以來，筆者都比較關(guān)注單片機(jī)的教學(xué)改革，近年來的很多學(xué)者也在分析單片機(jī)課程特點(diǎn)、教學(xué)現(xiàn)狀等基礎(chǔ)上，提出各種教改方法及手段，例如：優(yōu)化教學(xué)手段，采用Proteus 和Keil 等構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境[10-11]；采用“項(xiàng)*計(jì)算器是指利用程序查詢方式、并行I/O 連接實(shí)現(xiàn)輸入輸出目驅(qū)動(dòng)法”“問題導(dǎo)向”“案例教學(xué)法”等教學(xué)模式[12-14]；改革考核方式等[15]。太原工業(yè)學(xué)院師資力量薄弱，實(shí)驗(yàn)設(shè)施落后且采用大班合堂授課，但在真正實(shí)施時(shí)可行性較差，教學(xué)效果也并不太好。因此，結(jié)合學(xué)院實(shí)際情況，本文提出一種在單片機(jī)教學(xué)中行之有效的教改方法，即在整個(gè)課程講授中以一個(gè)大案例為主線貫穿始終的案例教學(xué)法[16-17]。

表1 案例教學(xué)法的教學(xué)內(nèi)容及能力培養(yǎng)

3 案例教學(xué)法的實(shí)施

案例教學(xué)法是以具體工程設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以案例為主線，根據(jù)案例要求，圍繞案例中任務(wù)，組織引導(dǎo)學(xué)生一步步尋求解決問題的方法。學(xué)生在通過解決案例具體問題的過程中，學(xué)習(xí)和理解課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，并了解如何分析、設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[18-19]，從而達(dá)到應(yīng)用為本、以用促學(xué)的教學(xué)目的。

教學(xué)案例的設(shè)計(jì)案例的設(shè)計(jì)是案例教學(xué)法的關(guān)鍵，其合理與否將直接影響教學(xué)效果。設(shè)計(jì)案例時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的梳理，在梳理過程中不過度追求單片機(jī)本身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)以知識(shí)的理解和應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，盡可能把知識(shí)點(diǎn)通過一個(gè)設(shè)計(jì)主線貫穿融合到一起。案例還需要選材普通、簡單實(shí)用、難度適中，使得每個(gè)學(xué)生都容易上手。對(duì)不能在案例中體現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)，通過趣味性小個(gè)例作為補(bǔ)充，以達(dá)成學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性及促進(jìn)自學(xué)能力的培養(yǎng)[20]。

本文從MCS-51 單片機(jī)的應(yīng)用入手，選擇貼近學(xué)生生活的計(jì)算器作為設(shè)計(jì)案例，該案例幾乎涉及片內(nèi)所有功能部件及各種擴(kuò)展。通過該案例，可以系統(tǒng)地將MCS-51 單片機(jī)的片內(nèi)功能部件相關(guān)知識(shí)利用起來。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生也可自行設(shè)計(jì)其他應(yīng)用系統(tǒng)，培養(yǎng)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用能力及自主探究能力。

整合教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)順序案例教學(xué)法的核心是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的重新整合。傳統(tǒng)單片機(jī)課程的講授，一般按章節(jié)編排順序進(jìn)行，包括單片機(jī)系統(tǒng)基本概念、硬件組成結(jié)構(gòu)、匯編指令系統(tǒng)、內(nèi)部功能器件（中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通信）、單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展及相關(guān)外圍器件的應(yīng)用等。而案例教學(xué)法以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力為主線，按案例重構(gòu)課程內(nèi)容，用案例組織教學(xué)，將單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需基本知識(shí)和能力穿插在案例完成的過程中講解[21-22]。本文提出的“基于MCS-51 單片機(jī)的計(jì)算器”案例，具體內(nèi)容及能力要求如表1 所示。

計(jì)算器是指使用中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通信等單片機(jī)內(nèi)部設(shè)備實(shí)現(xiàn)輸入輸出。經(jīng)優(yōu)化、重構(gòu)后的課程體系，知識(shí)點(diǎn)從相對(duì)孤立提升到有機(jī)統(tǒng)一。從應(yīng)用角度將知識(shí)點(diǎn)組織起來，由細(xì)節(jié)到整體對(duì)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)做出細(xì)致的講解；從產(chǎn)品角度將知識(shí)的用途與工程設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來，由需求表達(dá)功能，由功能選擇技術(shù)，環(huán)環(huán)緊扣，逐層遞進(jìn)。案例具有一定的擴(kuò)展性，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及積極性。

突出教學(xué)難點(diǎn)，保證教學(xué)效果在指令系統(tǒng)部分，為了避免學(xué)生因?qū)W習(xí)枯燥而產(chǎn)生畏難情緒，降低學(xué)習(xí)興趣，在將計(jì)算器案例拆解成按鍵掃描、表達(dá)式計(jì)算和數(shù)碼管顯示等程序片段外，還引入一些經(jīng)典的、具有趣味性的數(shù)學(xué)問題，用于學(xué)生編程能力的訓(xùn)練。如通過解決“喝汽水”問題，學(xué)習(xí)訓(xùn)練分支程序與循環(huán)程序設(shè)計(jì)。問題如下：

1 瓶汽水的定價(jià)為1.40 元，喝1 瓶汽水（瓶不帶走）1 元；為節(jié)約資源，規(guī)定3 個(gè)空瓶可換回1 瓶汽水，或20 個(gè)空瓶可換回7 瓶汽水；為方便顧客，可先借后還，如借1 瓶汽水還3 個(gè)空瓶，或借7 瓶汽水還20 個(gè)空瓶。要求通過編程求解：m 元最多可喝幾瓶汽水？m 個(gè)學(xué)生每人喝1 瓶汽水，至少需多少元？

此外，通過解決“三角形網(wǎng)格”問題，學(xué)習(xí)訓(xùn)練循環(huán)與遞歸程序設(shè)計(jì)。問題如下：

把一個(gè)正三角形的三邊n 等分，分別與各邊平行連接各分點(diǎn)，得“n-三角網(wǎng)格”，如當(dāng)n=4 時(shí)，4-三角網(wǎng)格如圖1 所示。要求通過編程求解：對(duì)指定正整數(shù)n，求n-三角網(wǎng)格中不同三角形（大小不同或方位不同）的個(gè)數(shù)；所有這些三角形的面積之和（設(shè)網(wǎng)格中最小的單位三角形的面積為1）。

圖1 4-三角網(wǎng)格

這樣，通過經(jīng)典數(shù)學(xué)問題，訓(xùn)練了學(xué)生分析具體問題的思維習(xí)慣，從已知因素和求解內(nèi)容兩個(gè)方向入手，完成從現(xiàn)實(shí)問題到計(jì)算機(jī)模型的轉(zhuǎn)換，從而鍛煉學(xué)生的知識(shí)分析、應(yīng)用能力，使其掌握單片機(jī)基本程序設(shè)計(jì)的思路、方法及過程。

案例教學(xué)法的局限性及解決措施由于案例教學(xué)法是通過有限的案例組織來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，盡管案例是精心設(shè)計(jì)的，仍然不可能涵蓋所有知識(shí)點(diǎn)。因此，在整個(gè)教學(xué)過程中還要在內(nèi)容上做一些適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。如在本例中，案例僅涉及開關(guān)量的輸入和數(shù)字量的輸出，而實(shí)際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，很多場合均涉及模擬量的輸入、輸出。因此，應(yīng)補(bǔ)充介紹單片機(jī)前向通道（A/D 轉(zhuǎn)換、傳感器輸入）及后向通道（D/A 轉(zhuǎn)換）等內(nèi)容。

4 結(jié)語

本文結(jié)合單片機(jī)課程的應(yīng)用性特點(diǎn)，通過“基于MCS-51 單片機(jī)的計(jì)算器”的案例化教改方法，經(jīng)趣味導(dǎo)入，體現(xiàn)了以“學(xué)生為中心”的教育理念，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)思考、分析、自主學(xué)習(xí)及解決實(shí)際問題的能力，提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)及實(shí)踐動(dòng)手能力。經(jīng)過兩年的探索及實(shí)踐，該方法取得較好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，學(xué)生就業(yè)后也得到用人單位的好評(píng)。該方法為應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)和單片機(jī)課程教學(xué)改革提供了有益的思路和方法?！?/p>