譚筠梅，藍 天，張 晶

(蘭州交通大學(xué) 國家級計算機實驗教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730070)

2013年6月國際工程聯(lián)盟大會經(jīng)過正式表決，全票同意接納中國成為《華盛頓協(xié)議》的預(yù)備成員，標志著我國工程教育(專業(yè))認證進入了實質(zhì)性的實施階段[1]，這對我國的高等教育改革將產(chǎn)生巨大的影響與推動作用。為了適應(yīng)國際工程教育認證的發(fā)展形勢，滿足我國工程教育改革和深入，推進工程認證工作的需要，我國對《工程教育認證標準》不斷進行修訂，目前最新版本是 《工程教育專業(yè)認證標準(2015版)》[2]。全國各類高校都非常重視工程教育認證的工作，因為它不僅是對本科工程類專業(yè)教育水平的一種評估，也可不斷提高工科專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量和工程類專業(yè)的國際競爭力[3]。

蘭州交通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)、通信工程等專業(yè)獲批參加2016年的工程教育專業(yè)認證。在此背景下，學(xué)校修訂了計算機科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的培養(yǎng)計劃。在新的培養(yǎng)計劃中對于工程認證本科教育提出了從人文文化、科學(xué)文化到工程文化等10個方面的要求。如計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在畢業(yè)要求的第4點要求，即學(xué)生應(yīng)能運用現(xiàn)代信息技術(shù)、有關(guān)開發(fā)工具和實驗平臺對計算機應(yīng)用系統(tǒng)進行研究，并能分析(了解)工具使用的局限性，解決計算機及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、集成、測試及實施過程中的實際工程問題。畢業(yè)要求的第8點，即要求學(xué)生具有一定的組織管理能力，能在多學(xué)科背景下的團隊發(fā)揮作用。新的教學(xué)要求對現(xiàn)有的實驗課程的教學(xué)模式提出新的挑戰(zhàn)，改革現(xiàn)有實驗課程尤其是工程實踐類實驗課程的教學(xué)模式迫在眉睫。

1 課程存在的問題及改革方向

單片機技術(shù)是高校計算機類硬件課程體系的重要課程，也是一門較能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和動手實踐的實用性課程。通過調(diào)研，我校開設(shè)單片機技術(shù)課程的專業(yè)有計算機科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程、軌道交通與信號控制等多個專業(yè)，一般該課程的實驗課時都在16或32課時。如表1所示，為16課時下常見的一些單片機實驗項目，可看出這些實驗項目之間缺乏關(guān)聯(lián)性且絕大多數(shù)都是演示性實驗或驗證性實驗。這樣的實驗教學(xué)方式脫離了工程教育的培養(yǎng)要求，導(dǎo)致學(xué)生缺乏現(xiàn)代工程設(shè)計思想和方法，欠缺綜合運用多方面知識解決實際工程的能力。

為了把工程教育認證的畢業(yè)要求逐條地落實到每一門課程的培養(yǎng)教學(xué)大綱中，針對當(dāng)前單片機實驗課程存在的問題，制定了新的單片機課程的培養(yǎng)目標，使得學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)能夠達到畢業(yè)能力指標點的要求。新的培養(yǎng)目標要求通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點、工作原理、接口電路、軟件編程及應(yīng)用系統(tǒng)分析設(shè)計能力；培養(yǎng)學(xué)生熟練運用各種單片機軟硬件實驗平臺開展相關(guān)實驗的能力；以小組為單位，通過協(xié)作完成一個中小型工程應(yīng)用項目系統(tǒng)開發(fā)的能力。

表1 常見的單片機實驗項目

課題組對當(dāng)前的單片機實驗課程體系進行了改革，把單片機技術(shù)的教學(xué)與實際工程項目相結(jié)合，提出新的單片機技術(shù)實驗應(yīng)該是項目引領(lǐng)和層次化的實驗。在這種新的教學(xué)方式下，師生可以共同參與，以教師為引導(dǎo)、以學(xué)生為主體、以完成一個完整工程項目為教學(xué)目標，可充分提高教學(xué)效率、調(diào)動學(xué)生的積極性、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性[4－6]。

2 項目引領(lǐng)式的實驗項目設(shè)計

2.1 實驗設(shè)計思想

為了解決現(xiàn)有單片機實驗課程存在的問題，在教學(xué)中必須要突破傳統(tǒng)的教學(xué)方法，引入工程教育認證的理念。解決復(fù)雜工程問題是國際工程教育發(fā)展的大趨勢，也是合格工程師必須具備的能力[7－8]。為此，在單片機課程的實驗教學(xué)中，采用了工程項目引領(lǐng)的教學(xué)模式，就是以工程項目為依托，讓學(xué)生參與項目的設(shè)計、制作及調(diào)試，使學(xué)生在項目實施體驗中獲得經(jīng)驗和技能，培養(yǎng)出基于系統(tǒng)級的設(shè)計意識和理念，從而達到理論聯(lián)系實際的教學(xué)目標，同時也可培養(yǎng)學(xué)生交流溝通能力及團隊合作精神[9]。

項目的選取和設(shè)置應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)的教學(xué)目標和學(xué)生來變換。項目的設(shè)計要有系統(tǒng)性和實踐性，在項目實現(xiàn)的過程中不僅要利用所學(xué)知識與理論，同時也要讓學(xué)生了解并緊跟行業(yè)相關(guān)需求，注重領(lǐng)域內(nèi)前沿技術(shù)，這樣才能真正體現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)一體化，傳授知識與培養(yǎng)能力一體化[10]。

基于以上原則，實驗項目的設(shè)計必須根據(jù)學(xué)生的興趣愛好，掌握知識和技能的不同程度來設(shè)計。根據(jù)實際情況將實驗項目科學(xué)地劃分為基礎(chǔ)和提高兩個級別，同時合理分配實驗任務(wù)，合理設(shè)計任務(wù)難度，達到既可完成每個教學(xué)知識點的要求，又可讓不同層次水平的學(xué)生根據(jù)自己的實際情況完成相應(yīng)難度的任務(wù)，找到完成任務(wù)的自豪感[11]。

2.2 實驗項目設(shè)計

以 “大項目、小任務(wù)”為宗旨，設(shè)計了多個新的實驗項目，并對每一個大的實驗項目進行了教學(xué)及實驗任務(wù)分解。針對課時少的專業(yè)，設(shè)計了難度相對較小的實驗項目——農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)測系統(tǒng)。按照單片機工程項目設(shè)計的思路，將該項目進行任務(wù)分解，劃分成幾個小的功能模塊，包括最小系統(tǒng)的搭建、系統(tǒng)顯示模塊報警模塊、系統(tǒng)輸入模塊、溫度監(jiān)測模塊和溫度控制模塊，實驗項目分解及課時分配如圖1所示。與表1進行對比，可發(fā)現(xiàn)同樣是教學(xué)內(nèi)容要求的實驗項目，在實驗項目設(shè)計過程中，改變了以往開設(shè)的這些常見的實驗項目都是獨立無關(guān)聯(lián)這一缺點，以單片機最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過知識點的不斷增加逐步實現(xiàn)每一模塊的功能，最終完成該工程項目，使學(xué)生初步掌握了獨立進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和制作的能力。

圖1 農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)測系統(tǒng)實驗項目組成圖

針對一些課時相對較多，在嵌入式、單片機方向具有較高培養(yǎng)目標和要求的專業(yè)，設(shè)計了一些相對具有一定難度的實驗項目。如圖2所示，是其中一個實驗項目“智能家居系統(tǒng)”的實驗任務(wù)分解和課時分配圖。該項目包含單片機最小系統(tǒng)搭建、系統(tǒng)顯示報警模塊、系統(tǒng)輸入模塊、系統(tǒng)通信模塊和家居控制模塊。通過實際的單片機工程項目可以打開學(xué)生的興趣大門，通過把每一個知識點落實到每一次實驗任務(wù)中，使學(xué)生積極主動并循序漸進地掌握知識及應(yīng)用，不斷提高他們的工程實踐能力，達到工程教育認證的培養(yǎng)目標。

圖2 智能家居系統(tǒng)實驗項目組成圖

3 項目引領(lǐng)式的單片機實驗教學(xué)過程

3.1 實驗項目的教學(xué)組織和任務(wù)分配

在工程認證教育的背景下，針對不同專業(yè)，基于工程項目引領(lǐng)的單片機實踐教學(xué)的教學(xué)屬性和教學(xué)組織形式不同，如在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，該課程為必修課，有兩個學(xué)分，課程屬性為實踐類課程，考核方式為考試。此外，面向全校沒有開設(shè)該課程的學(xué)生，也按這種新的教學(xué)方式在每學(xué)期都開設(shè)了開放實驗，學(xué)生被這種新的教學(xué)方式吸引，報名和學(xué)習(xí)熱情高漲。

在教學(xué)過程中，以項目為中心，以提高學(xué)生工程實踐能力為目標，按照項目管理的方式開展教學(xué)，教師相當(dāng)于項目經(jīng)理，學(xué)生是實施項目的主體[10]。把學(xué)生按3～4人分成一組，每組設(shè)有組長，小組成員既有分工又有合作。指導(dǎo)教師對項目進行講解，布置任務(wù)，給出建議實驗計劃。按照工程化的方法開展并完成實驗項目，要求每組學(xué)生給出一份項目計劃書，項目計劃書中列出合理的項目計劃及小組成員職責(zé)分工表，把項目分工完成情況作為評價每位學(xué)生最終考核成績的依據(jù)之一。

在項目實現(xiàn)的過程中，指導(dǎo)教師需要講解項目實現(xiàn)所需的基本原理及技術(shù)難點，教師講解時注重單片機項目的設(shè)計方法及常見問題的解決方法。教師還要重視學(xué)生的動手操作能力，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。根據(jù)實驗項目任務(wù)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下首先對項目進行總體規(guī)劃設(shè)計，分配好硬件資源，設(shè)計好軟件流程。將項目劃分為不同模塊，從搭建單片機最小系統(tǒng)開始實現(xiàn)各個模塊，最后系統(tǒng)集成實現(xiàn)整個項目。

3.2 實驗成績評價與考核

項目式教學(xué)模式不但要求對結(jié)果進行評價，同時也強調(diào)對學(xué)習(xí)過程進行評價，對個人的評價和對小組的評價[12]。為了達到工程教育認證的畢業(yè)要求，體現(xiàn)工程教育認證下課程目標的達成度，針對如前所述的畢業(yè)指標點4和指標點8，對單片機實驗課程進行了指標點分解，制定了多條考核標準及評分依據(jù)，如表2所示，為部分考核指標及評分依據(jù)，對每個學(xué)生的每次實驗項目都從這些角度進行考核并給出成績，學(xué)生的最終成績?yōu)楦鞔螌嶒灣煽兊钠骄郑疫@個成績也能較好地體現(xiàn)出課程目標的達成度。

表2 實驗成績考核和評價標準

4 結(jié)束語

國際工程教育專業(yè)認證為我國IT類人才培養(yǎng)提供了新的思路。以認證的理念和標準作為指導(dǎo)思想，以滿足工程教育認證的新的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方案作為切入點，對單片機課程的實驗教學(xué)進行了改革和實踐，設(shè)計了分層次的基于項目引領(lǐng)的單片機實驗項目，并應(yīng)用到實際教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

[1]光明網(wǎng).中國加入 《華盛頓協(xié)議》工程教育質(zhì)量得到國際認可[EB/OL]. (2013－08－20) [2013－11－20].http://edu.gmw.cn/2013－08/20/content＿ 8657268.html.

[2]中國工程教育認證協(xié)會官網(wǎng).工程教育認證標準[EB/OL]. (2015－05－16)[2015－06－22].http://meea.cmes.org/article.aspx＃id ＝3.

[3]王觀玉.石云輝.工程教育認證下應(yīng)用技術(shù)大學(xué)計算機類人才培養(yǎng)研究[J].黔南民族師范學(xué)院學(xué)報，2015，35(4):97－102.

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[5]邱嵐.項目驅(qū)動法在 《單片機原理與應(yīng)用》課程中的應(yīng)用[J].成功教育，2013，35(10):137－138.

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