趙宇洋 李爭 王春梅

摘 要：單片機原理及應(yīng)用作為電氣控制類本科生的重要專業(yè)課程，著重培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力。而傳統(tǒng)的教學(xué)方式以課堂講授式的理論教學(xué)為主，對學(xué)生實踐能力培養(yǎng)不足，特別是在工程教育認證背景下，原有教學(xué)模式和考核機制已不能滿足培養(yǎng)需求。文章根據(jù)儀器類工程教育認證人才培養(yǎng)目標(biāo)，基于PBL教學(xué)方法進行單片機教學(xué)新模式的探索，以解決問題為目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、協(xié)作精神以及解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育；單片機；PBL教學(xué)模式

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0090-04

Abstract： The principle and application of single chip microcomputer course， which is an important professional course for undergraduates of electrical control， focuses on cultivating students' practical ability. The traditional teaching method is based on the theory teaching in the classroom， and insufficient of the students' practical ability training. The original teaching mode and assessment mechanism can no longer meet the training needs of engineering education certification. An exploration of the new teaching model is proposed in this paper based on PBL teaching mode according to the training objectives of education certification of instrument engineering. The new teaching mode with the goal of solving problems guides students to learn effectively and cultivates their engineering awareness， collaborative spirit and ability to solve practical problems.

Keywords： Engineer Education； single-chip computer； PBL teaching mode

工程教育專業(yè)認證是國際通行的保障工程教育質(zhì)量的基本制度，我國于2016年成為國際本科工程學(xué)位互認協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員，意味著工程教育逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、國際化和可持續(xù)發(fā)展。因此，我國高等教育培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)適應(yīng)就業(yè)市場人才需求，培養(yǎng)國際互認的工程科技人才，課程教學(xué)改革應(yīng)遵從培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為主線，強調(diào)應(yīng)用性和實踐性。

河北科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)于2018年1月通過工程教育認證，為了更好地保證工程認證培養(yǎng)目標(biāo)的達成，培養(yǎng)國際等效的工程技術(shù)人才，本文對單片機課程的教學(xué)模式改革進行了相關(guān)探索和實踐。

單片機原理及應(yīng)用類課程是工科院校電控相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程之一，講授單片機硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)，以及編程方法和系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)等，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、工程實踐能力、提高就業(yè)競爭力的重要技術(shù)基礎(chǔ)。因此，作為通過工程教育認證的專業(yè)，更需要對單片機課程教學(xué)方式進行改革。采用PBL教學(xué)模式可以實現(xiàn)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生成為課堂的主動參與者，更符合工程教育認證基于產(chǎn)出導(dǎo)向的OBE（Outcomes-based Education）教學(xué)模式的基本原則。

一、傳統(tǒng)單片機教學(xué)與工程專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)的差距

工程教育專業(yè)認證強調(diào)以學(xué)生為中心的教育理念，落實在培養(yǎng)目標(biāo)制定和評估、教育教學(xué)資源建設(shè)及質(zhì)量監(jiān)控機制的全過程中，采用學(xué)生學(xué)習(xí)效果、能力提升作為標(biāo)準(zhǔn)來評價教育質(zhì)量。工程教育專業(yè)認證注重培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。

單片機課程屬于工程技術(shù)應(yīng)用類課程，在數(shù)字電子線、微機原理和自動控制原理等先修課程基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生利用51系列單片機進行測控系統(tǒng)開發(fā)的能力。對于沒有硬件開發(fā)經(jīng)驗的本科生而言，該課程相對抽象、知識點龐雜而零碎，實踐性較強?？偨Y(jié)單片機傳統(tǒng)教學(xué)方式，主要存在以下兩點不符合工程教育理念：

1. 傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師為中心，教師理論講授仍占據(jù)著教學(xué)工作的主導(dǎo)位置。對于基本原理的講授比例較大，缺少與實際應(yīng)用的聯(lián)系，按照章節(jié)內(nèi)容的難易程度進行側(cè)重講解，雖然在過去取得了一定的教學(xué)效果，但與當(dāng)前工程專業(yè)認證中強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力仍具有一定差距。

2. 教學(xué)中的實驗環(huán)節(jié)仍以驗證性實驗為主，傳統(tǒng)模式的實驗課程中，實驗項目傾向于對理論講述知識的驗證，沒有趣味性的實驗，幾乎沒有創(chuàng)新性的實驗，與工程教育專業(yè)認證指導(dǎo)思想相違背，不能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新性工程師。實驗環(huán)節(jié)中最常見的現(xiàn)象就是學(xué)生按部就班輸入指令、進行連線操作，在實驗設(shè)備上觀察應(yīng)出現(xiàn)的特定現(xiàn)象，之后完成模板式的實驗記錄，缺乏主動設(shè)計和主動思考的機會。

二、PBL教學(xué)模式對于工程教育認證背景下單片機教學(xué)的啟發(fā)

基于問題學(xué)習(xí)的PBL（Problem Based Learning）教學(xué)模式，最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)，將學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情境中，通過讓學(xué)習(xí)者合作解決真實性問題，從而掌握隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能，并形成自主學(xué)習(xí)的能力與良好的教學(xué)效果。

PBL強調(diào)以問題解決為中心、多種學(xué)習(xí)途徑相整合，而不只是純粹的探索和發(fā)現(xiàn)，同時強調(diào)學(xué)習(xí)者之間的交流合作，強調(diào)外部支持與引導(dǎo)在探索學(xué)習(xí)中的作用等。PBL實質(zhì)是由若干個精心設(shè)計的問題所組成，圍繞問題為中心，讓學(xué)生綜合運用自身所學(xué)知識進行調(diào)查和研究，以教師在課堂上講授的知識為基礎(chǔ)，自發(fā)進行歸納和應(yīng)用，并借助查找文獻等輔助手段，最終解決問題，與工程教育中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力十分吻合。

PBL模式的關(guān)鍵要素包括：作為導(dǎo)向的問題、團隊合作與自主學(xué)習(xí)、教師指導(dǎo)、自我評價與小組評價。將PBL教學(xué)模式引入單片機課程的教學(xué)，能夠有效改變學(xué)生只是被動聽講、并且大多采用死記硬背編程程序的學(xué)習(xí)方式。通過教師在課堂上對基本原理和應(yīng)用的講授，有效引導(dǎo)，讓學(xué)生掌握單片機開發(fā)的一般步驟，在問題解決的過程中，靈活運用相關(guān)概念和知識，從而進一步培養(yǎng)學(xué)生理解問題、分析問題和解決問題的能力。

此外，以問題解決為最終目的的教學(xué)方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)動力，使學(xué)生從解決問題的過程中獲取運用所學(xué)知識解決實際問題的相關(guān)經(jīng)驗，為培養(yǎng)工程技術(shù)人員的規(guī)范工作習(xí)慣及技術(shù)自信心也十分有利。

三、符合工程教育認證目標(biāo)的單片機課程PBL教學(xué)模式探索

單片機傳統(tǒng)教學(xué)模式要求學(xué)生了解單片機基本概念，掌握相關(guān)匯編語言原理，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單程序編寫，完成課后習(xí)題即可。傳統(tǒng)教學(xué)模式采取“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)方式，教師按照自己的知識經(jīng)驗和大綱要求來設(shè)計教學(xué)過程，往往按照課本中知識點的先后順序進行講解，根據(jù)內(nèi)容的難易程度掌握講授速度。并且，傳統(tǒng)教學(xué)模式中大多采用班級授課的方式，教師只能根據(jù)學(xué)生總體掌握情況調(diào)整教學(xué)步驟，難以全面顧及學(xué)生的基礎(chǔ)和進度差異。

本文基于PBL教學(xué)模式對河北科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)《單片機原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)方式、實踐環(huán)節(jié)及評價方式進行了改革。

（一）課堂教學(xué)的改革

我測控專業(yè)每屆設(shè)置兩個教學(xué)班，每班人數(shù)30人左右。在課程開始之初，就將兩班學(xué)生分別進行分組，每個班級中以3-4人一組為原則組成單片機課程學(xué)習(xí)實踐小組，在整個教學(xué)過程中，學(xué)習(xí)小組要進行知識點的互相查漏補缺，還要以小組為單位完成課程實驗環(huán)節(jié)和課程設(shè)計環(huán)節(jié)的所有實踐內(nèi)容。

本文將PBL教學(xué)模式引入單片機教學(xué)過程，與傳統(tǒng)模式有機結(jié)合，既發(fā)揮傳統(tǒng)講授為主模式的可控性，又有效結(jié)合PBL模式激發(fā)學(xué)生主動性。

在理論教學(xué)過程中，以教師講授為主進行課程基礎(chǔ)內(nèi)容的授課，在學(xué)生掌握單片機基本原理和硬件結(jié)構(gòu)的過程中，發(fā)揮學(xué)習(xí)小組的能動性，對小組各位成員的掌握情況和知識難點進行總結(jié)和反饋，有助于教師有目的性地調(diào)整教學(xué)節(jié)奏和教學(xué)重點。

在單片機授課內(nèi)容中存在某些特殊章節(jié)，比如匯編語言指令系統(tǒng)一章，主要講解51系列單片機一百余條匯編指令的格式及用法。以往在教學(xué)中，如果教師全部逐條講授，占用大量課堂授課時間；反之，如果布置課下學(xué)生自學(xué)則難以保證學(xué)習(xí)效果，為后面章節(jié)的匯編語言程序設(shè)計帶來問題。在本次教學(xué)改革中，對于此類特殊章節(jié)，充分發(fā)揮了教學(xué)主體與學(xué)習(xí)主體的能動性，在教師講授之余引入學(xué)生以小組為單位自學(xué)并輪流講授的方式。教師首先啟發(fā)性地詳細講授需重點掌握的指令，之后將剩余匯編指令安排課下自學(xué)，并將指令按分類分配到各小組中派代表進行課堂講授。采用此種方式，既發(fā)揮了學(xué)生團隊共同學(xué)習(xí)的主動性，又將學(xué)生從課堂上的被動聽講行為轉(zhuǎn)化為課下主動理解并在課堂有效輸出。在每組學(xué)生完成講授任務(wù)后，由教師評估其講解的清晰度和完整性，對于不足之處進行補充，調(diào)動了學(xué)生在課堂上的參與度，也提高了課堂教學(xué)的效率。

通過實踐驗證，采用學(xué)生參與講解的班級在后續(xù)匯編程序設(shè)計中對于指令的掌握和應(yīng)用情況明顯有所改善。

在課堂教學(xué)中，還利用PBL模式進行了教學(xué)新嘗試，采用設(shè)問、 研討式的教學(xué)方式，使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)變主動學(xué)習(xí)，主要是在每節(jié)課前，根據(jù)課程各部分的知識點提出問題，學(xué)生以小組形式查閱資料，并通過課堂提問和討論環(huán)節(jié)，讓各小組陳述觀點、展示課下完成情況，有助于學(xué)生牢固掌握知識點，充分調(diào)動主動性和積極性，并且活躍教學(xué)氣氛，提高教學(xué)效果。

（二）實踐環(huán)節(jié)的改革

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生是信息的被動接受者，是裝載知識的“容器”，學(xué)習(xí)的主要任務(wù)是記憶并重復(fù)前人經(jīng)驗知識為主的信息。PBL教學(xué)模式中，學(xué)生是具有自我指導(dǎo)學(xué)習(xí)理念和能力的、主動的學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)的任務(wù)不僅要進行知識意義的建構(gòu)，還要形成解決問題、與人合作、進行創(chuàng)新等多種能力。

本文針對測控專業(yè)工程教育認證需求，著重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和團隊協(xié)作解決工程問題的能力，對單片機實驗和課程設(shè)計兩大實踐環(huán)節(jié)進行改革。

1. 實驗環(huán)節(jié)的探索

傳統(tǒng)的單片機實驗以驗證性為主，并主要以實驗報告質(zhì)量作為學(xué)生評價依據(jù)，導(dǎo)致學(xué)生參與度不高、實驗報告雷同嚴重，實驗環(huán)節(jié)與教學(xué)環(huán)節(jié)脫節(jié)等現(xiàn)象。

我專業(yè)的單片機實驗內(nèi)容由2個驗證性實驗和2個設(shè)計性實驗構(gòu)成，本文中基于PBL模式進行了實驗環(huán)節(jié)的改革。驗證性實驗穿插于教學(xué)環(huán)節(jié)的前半段，主要目的是在學(xué)生學(xué)習(xí)單片機之初，能夠通過實驗現(xiàn)象分析其背后的原理，有助于學(xué)生掌握單片機的體系結(jié)構(gòu)與運行機理。

經(jīng)歷幾次驗證性實驗后，比如匯編語言排序?qū)嶒?、簡單的I/O接口實驗后，學(xué)生已基本熟悉實驗系統(tǒng)和工具箱，能夠按照實驗指導(dǎo)書進行程序輸入、硬件連線等操作，并具有動手設(shè)計難度較高實驗的能力和意愿。因此在教學(xué)環(huán)節(jié)的中后段安排項目式開發(fā)的設(shè)計性實驗。通過下發(fā)實驗指導(dǎo)書規(guī)定實驗?zāi)康模詫W(xué)生小組為單位自主創(chuàng)新設(shè)計實驗，在實驗箱基礎(chǔ)上設(shè)計完成簡單的測控系統(tǒng)，運行系統(tǒng)并觀察其現(xiàn)象。實驗報告要詳細闡述實驗設(shè)計的依據(jù)、描述實驗步驟和現(xiàn)象、分析實驗合理性，并最終自我評估實驗指標(biāo)的完成度。

2. 課程設(shè)計環(huán)節(jié)的改革

隨著課程進度的深入，教師逐步提高學(xué)習(xí)實踐小組的能動性和協(xié)作意識，在理論教學(xué)中期即布置課程設(shè)計題目，讓學(xué)生提前完成設(shè)計方案初稿，并在后續(xù)學(xué)習(xí)中有目的、有意識地根據(jù)課設(shè)題目需求逐步完善設(shè)計方案，并在一周的課程設(shè)計環(huán)節(jié)中完成系統(tǒng)調(diào)試。

在單片機課程設(shè)計中明確提出進行項目實施規(guī)劃，在設(shè)計之前對項目的要求、進度安排、人員分工等內(nèi)容進行整體、全面地考慮。課程設(shè)計題目是結(jié)合教學(xué)大綱和單片機課程目標(biāo)精心設(shè)計完成的，既保證每個題目考察知識點的全面，也要保證各個題目難易程度相當(dāng)。

我專業(yè)的課程設(shè)計要求學(xué)生以項目開發(fā)形式完成測控系統(tǒng)的軟、硬設(shè)計，實現(xiàn)單片機硬件電路仿真、程序調(diào)試，并最終實現(xiàn)以小組為單位的實物結(jié)題。課程設(shè)計題目數(shù)量根據(jù)我專業(yè)兩班學(xué)生人數(shù)設(shè)置，每個班級中一組一題，既保證了本班內(nèi)沒有重復(fù)題目，消除學(xué)生彼此的依賴性，提高題目的獨立完成度，也有助于兩個班級中可以彼此進行討論交流。每個題目都以工程問題為背景，采用新穎有趣的形式全面考察學(xué)生對輸入、輸出系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)的掌握情況和設(shè)計能力。

課程設(shè)計任務(wù)書中明確安排一周中每天需完成的設(shè)計進度，教師根據(jù)學(xué)生進度完成情況進行調(diào)整，如果學(xué)生整體動手能力較強、進度完成較快，則可以深化課設(shè)題目要求、提高最終難度；如果整體進度難以保證，則根據(jù)出現(xiàn)的問題及時講解，以確保不同基礎(chǔ)、不同能力的學(xué)生在一周的課程設(shè)計中都有所收獲，真正做到以學(xué)生需求為導(dǎo)向。并通過學(xué)生團隊成員互評和系統(tǒng)經(jīng)濟評價，培養(yǎng)學(xué)生以團隊分工協(xié)作方式、考慮經(jīng)濟性因素解決工程問題的能力。

（三）評價方式的優(yōu)化

學(xué)生考試成績不僅是學(xué)生最為關(guān)心的焦點之一，也是用人單位評價畢業(yè)生能力的一個重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生考試成績主要由一張期末試卷評定，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)的過程評價，在工程教育專業(yè)認證的背景下，這種考試模式的弊端顯得尤為突出。

本文中的單片機課程改革也對評價方式的優(yōu)化進行了探索，在教學(xué)各環(huán)節(jié)中及時、客觀對學(xué)生表現(xiàn)進行評價，以量化打分的形式，體現(xiàn)了工程教育認證中的過程管理理念，既優(yōu)化了平時的教學(xué)效果，也實現(xiàn)了對學(xué)生的綜合客觀評價。

如上文所述，我專業(yè)在進行單片機課程教學(xué)時，將課程學(xué)習(xí)實踐小組的形式貫穿整個教學(xué)環(huán)節(jié)，因此，在學(xué)生成績評價環(huán)節(jié)，既包含教師打分也引入團隊成員互評機制。

學(xué)生的最終成績由平時成績、實驗成績和期末考試成績構(gòu)成：期末考試成績滿分100分，總成績占比為60%；平時成績滿分100分，其中教師打分50分、團隊成員互評50分，總成績占比為20%；實驗成績滿分100分，課程實驗共計四個，每個實驗總分25分，實驗表現(xiàn)及實驗效果20分、報告質(zhì)量5分，總成績占比為20%。

為保證評價體系執(zhí)行的客觀真實性，任課教師設(shè)計了團隊成員互評問卷（學(xué)生用），對單片機課程學(xué)習(xí)實踐小組成員在教學(xué)、實驗和課程設(shè)計各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進行量化打分；在實驗環(huán)節(jié)和課設(shè)環(huán)節(jié)設(shè)計了評分細則（教師用），根據(jù)各團隊電路設(shè)計仿真、程序結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)范性、電路合理性、焊點質(zhì)量及最終功能等情況綜合打分，較為客觀全面地對學(xué)生學(xué)習(xí)全過程進行了多角度評價。

四、結(jié)束語

單片機原理及應(yīng)用課程是一門知識體系完整，與其他課程聯(lián)系緊密，且工程實踐性較強的課程。基于 PBL 模式的單片機教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，是一種使學(xué)習(xí)者基于解決問題的學(xué)習(xí)模式。本文指出了傳統(tǒng)課堂講授方式、課程考核的弊端，引出工程教育專業(yè)認證背景下的單片機課程教學(xué)改革方式。通過兩個教學(xué)周期的實踐取得了良好效果，激發(fā)學(xué)生由傳統(tǒng)課堂上被動“聽”，變成現(xiàn)在主動“學(xué)”，活躍了課堂氣氛，培養(yǎng)了學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，有效提高了學(xué)生動手實踐的能力和信心，也為其他類似課程積累了改革教學(xué)模式的經(jīng)驗。

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