熊杰 蘭智高

摘要：以地方普通高校工科專業(yè)改革為導向，分析了地方本科高校試點改革學院《單片機原理及應用》課程的實驗教學中存在的問題，借鑒CDIO工程教育理念中“做中學”經(jīng)驗，提出了“做中學”戰(zhàn)略下的單片機原理及應用實驗改革的新思路，文中以藍牙技術籃球計分板為案例，以任務式教學方式對實驗課程中知識點進行設計，設計了實驗內(nèi)容體系，實施了實驗教學過程，討論了實驗成績考核，并對傳統(tǒng)實驗教學與改革實驗教學成效進行了對比。實踐表明，經(jīng)過實驗教學改革后，學生的動手實踐能力和學習積極性均得到了較大的提高，成績優(yōu)秀比率也有顯著增加。

關鍵詞：單片機; CDIO;項目驅(qū)動;藍牙技術;籃球計分板

中圖分類號： G424 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）34-0141-03

1 引言

為了應對經(jīng)濟全球化形勢下的產(chǎn)業(yè)發(fā)展對創(chuàng)新工程人才的大量需求， 設在北京交通大學的聯(lián)合國教科文組織產(chǎn)學合作教席提出了工程教育改革的三個戰(zhàn)略：“做中學”、產(chǎn)學合作與國際化[1]。約翰.杜威（John Dewey ，1859～ 1952）首先提出“做中學”的學習方法，“做中學”原則更加有利于強調(diào)學生在教學中的主導地位，建立現(xiàn)代教學中的新型師生關系。在地方高校中，傳統(tǒng)的單片機實驗過度強調(diào)以教師為中心， 在教學中表現(xiàn)為教師的以灌輸知識，而學生則被動地接受知識，這種教育方式大大的削減了學生掌握知識的主動性和積極性。而基于CDIO工程教育中要求在高校生活與學習中強調(diào)學生成為積極主動的參與者， 而教師則是學生活動的協(xié)助者[2]。

單片機原理及應用課程實驗是黃岡師范學院電子信息工程專業(yè)和電子科學與技術專業(yè)的基礎性實驗課程，其主要目的是在理論教學基礎上，培養(yǎng)學生實踐能力和編程能力，同時對系統(tǒng)設計能力具有較高的要求。然而，在本校中，傳統(tǒng)單片機原理與應用實驗課程在實驗教學過程中存在以下幾個問題：（1）實驗項目相互獨立，關聯(lián)性不強;（2）實踐項目缺乏實用性、具體性;（3）綜合性實驗不多，且需要重新設計;（4）學生對項目整體設計，任務分解能力掌握不夠。

基于以上提出的幾個問題，對試點改革專業(yè)電子信息專業(yè)進行試點改革，在單片機原理與應用實驗項目中融入“做中學”的教學理念，其主要思想是把設計任務分解成多個子任務，每個子任務設計為一個子項目。經(jīng)過精心設計，在教學過程中，單片機I/O口輸入輸出、定時/計數(shù)器、中斷、串口等知識點融入子項目中，最終在單個子項目的基礎上，完成較為系統(tǒng)和復雜的設計任務。本文將籃球計分板為研究案例，拓展藍牙技術，實現(xiàn)藍牙技術籃球計分板的設計。

2 《單片機原理及應用》實驗實施策略探析

實踐動手能力是試點改革學院電子信息工程試點專業(yè)中應用性人才培養(yǎng)的關鍵。在單片機原理及應用的實驗教學中，要對實驗內(nèi)容進行優(yōu)化，增加工程相關的實驗項目，按照工程項目來開展實驗教學[3]。

單片機實驗設置應通過與時俱進，結合學生感興趣技術，本文以基于藍牙技術籃球計分板為案例，介紹了單片機實驗改革的具體內(nèi)容。該系統(tǒng)既包含單片機I/O口、定時器、中斷、串口通信等基礎知識，又能通過一個完整的項目進行學習，學生能學到基礎知識，同時也能鍛煉學生團隊合作精神，整體系統(tǒng)設計思路，真正實現(xiàn) “做中學”戰(zhàn)略思想。藍牙技術籃球計分板結構框圖如圖1所示。

藍牙技術籃球計分板結合電子技術、串口技術、藍牙技術以及單片機接口技術等知識，整個實驗過程中，實驗教師主要采取引導為主，按照學生興趣愛好、知識掌握程序自愿分組，以項目為驅(qū)動;參考CDIO工程教育模式，以籃球計分板為設計案例，經(jīng)過系統(tǒng)設計，任務分解，理論與實踐相結合，提高學生在系統(tǒng)設計的能力以及工程實踐能力。通過任務式、啟發(fā)式、分組式、討論式、研究式等教學方法， 在任務驅(qū)動項目下構建“基礎實驗、進階實驗、系統(tǒng)綜合實驗”的層次化實驗教學體系，體現(xiàn)工程教育的新模式[2]。

2.1 實驗內(nèi)容體系

內(nèi)容體系的基本思想是分解“單片機原理及應用”實驗課程的教學內(nèi)容為若干個重要知識點，實驗共分為3種類型分別為基礎實驗，進階實驗，系統(tǒng)綜合實驗，如圖2所示?；A實驗旨在教授學生掌握單片機基礎實驗內(nèi)容，理解基礎知識點原理。進階實驗是通過基礎實驗進行實驗應用，系統(tǒng)綜合設計實驗是綜合進階實驗內(nèi)容，以實際項目為背景，完成整個項目。三個階段相互關聯(lián)，基礎實驗是進階實驗的基礎，進階實驗是基礎實驗的應用。系統(tǒng)綜合實驗是基礎實驗和進階實驗的實際應用。

單片機原理及應用實驗教學大綱分為32學時，具體知識點及學時分布見表1。

2.2 實驗實施過程

本實驗是一個完整的工程課題，通過基礎實驗、進階實驗、系統(tǒng)綜合實驗三個環(huán)節(jié)，同時通過完整的課題設計，基礎實驗是進階實驗的基礎，系統(tǒng)綜合實驗是基礎實驗和進階實驗的進一步拓展。

（1） 基礎實驗

基礎實驗可讓學生掌握KEIL軟件，單片機I/O口，定時器，中斷及串口等操作，通過基礎實驗讓學生熟悉單片機編程環(huán)境，掌握單片機硬件編程方法，基礎實驗任務圖如圖3所示。

（2） 進階實驗

進階實驗是基礎實驗基礎上進行綜合，以籃球計分板為研究目標，結合基礎實驗知識，實現(xiàn)籃球計分板功能，其結構框圖如圖3所示，其中單片機控制數(shù)碼管硬件電路未畫出。。

通過進階實驗，讓學生進一步掌握單片機I/O口輸入/輸出編程方法，掌握單片機控制數(shù)碼管的方法，掌握單片機定時器使用方法。掌握單片機通過串口控制藍牙模塊HC-06編程方法。

（3） 系統(tǒng)綜合實驗

在進階實驗基礎上增加上位機軟件，通過上位機軟件控制單片機，從而能夠改變顯示屏數(shù)據(jù)，達到遠程控制目的。

通過綜合實驗，讓學生了解整體系統(tǒng)設計方法與步驟，進一步掌握程序調(diào)試的方法，增加團隊合作精神。

學生除了在上述三個實驗階段掌握基礎知識外，在實驗教學中，應在以下幾個方面加強對學生的引導：

（1）對學生進行分組

基礎實驗不分組，進階實驗和系統(tǒng)綜合設計實驗進行分組，每組3個同學，分組采取自愿原則與互補原則相結合，綜合考慮學生特長，動手能力，硬件軟件愛好遵循“組內(nèi)有別，組間相似”的原則，主要目的是讓每個小組中既能讓學生發(fā)揮自己的長處，也能培養(yǎng)大家團結合作精神，而且在完成任務過程中，也能相互學習，彌補自己的不足。這樣的分組模式可以保證了每個小組成員組成的多樣性，同時培養(yǎng)他們合作交流的能力，在不斷學習中激發(fā)更多有價值的觀點，豐富學生的綜合知識[4]。

（2）實驗子項目的分解

本課程依據(jù)“做中學”理念，根據(jù)“藍牙技術籃球計分板”設計要求，把籃球計分板中大任務分解為多個子任務，每個子任務形成一個相對基礎的子項目，如表1所示。子項目的實踐內(nèi)容遵循與單片機理論知識同步，最終完成一個藍牙技術籃球計分板。

（3）分組答辯

采取畢業(yè)設計答辯方式以組為單位進行答辯，答辯學生應從原理，硬件電路，軟件流程圖，實驗結果等方面進行展示。

2.3 實驗成績評定

完善科學的單片機課程實驗考核體系，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對學生的實驗能力進行客觀的評價，同時也能在一定較大程序上最大限度的發(fā)揮學生在實驗學習的積極性，進一步提高學生實驗水平[3]。鑒于上述提到的幾點重要性，通過參照CDIO工程教育模式理念，精心設計，形成了較為完整的實單片機課程驗成績評價體系，如表2所示。

單片機課程實驗成績評價體系分別從學生提情預習情況，過程操作完成情況，實驗報告等3個考察點對每個實驗項目進行考核。

2.4 課程改革成效

該課程由同一個教師在電子信息工程專業(yè)2016級和2017級中分別用傳統(tǒng)實驗與改革實驗進行教學，明顯可以看出，學生學習興趣深厚，由于課程采用的是實驗分組，分工協(xié)作，需要每個同學都一起學習才能完成實驗操作，鍛煉學生的團隊合作精神。通過對改革實驗的精心設計，每個基礎實驗均是后續(xù)進階實驗和系統(tǒng)綜合實驗的基礎，環(huán)環(huán)相扣，表3給出了實驗教學改革前后評判的對比。

從表3中可以看出，不管是學習興趣與團隊合作，還是基礎知識與綜合知識，都比傳統(tǒng)實驗教學模式有較大的提高，成績優(yōu)秀學生比例明顯提高。除此之外，學生熟悉了整個項目的設計過程，在此基礎上，帶領學生申報2019年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽獲得省級立項。

3 結語

單片機實驗教學作為單片機理論課程教學的有力補充，其有助于幫助學生理解單片機的基本概念和基本結構，培養(yǎng)學生實踐動手能力。文中在傳統(tǒng)單片機實驗基礎上融入基于“做中學”理念，以藍牙技術籃球計分板設計實驗項目為案例，提出了單片機實驗項目“做中學”的實驗內(nèi)容以及實施方案。秉承工程教育專業(yè)認證的“成果導向”基本理念，針對傳統(tǒng)單片機實驗單一，關聯(lián)性不強等缺點，對課程的教學內(nèi)容，教學模式和評價機制進行了探索。通過教學實踐證明：基于“做中學”實驗教學模式既能激發(fā)學生動手能力，編程能力，使學生掌握系統(tǒng)整體設計、任務細化的能力，同時也能提高學生創(chuàng)新能力、學生綜合分析問題、解決實際問題的能力。單片機原理及應用實驗課程改革2年多來，學生實驗興趣，實驗技能，以及對單片機實驗的原理理解都有了更加深入的理解。

參考文獻：

[1] 查建中.面向經(jīng)濟全球化的工程教育改革戰(zhàn)略——產(chǎn)學合作與國際化[J].高等工程教育研究，2008（1）：21-28.

[2] 劉忠富，李厚杰，肖瑛，等.基于供給側(cè)改革的單片機創(chuàng)新實驗教學案例設計[C]//遼寧省高等教育學會2016年學術年會暨第七屆中青年學者論壇論文集.沈陽，2016：441-445.

[3] 呂常智，王瑜萌，范迪，等.工程教育專業(yè)認證背景下數(shù)字電子技術實驗項目設計——以BCD←→BIN變換實驗為例[J].工業(yè)和信息化教育，2019（9）：71-74.

[4] 陳世海，王軍，代偉，等.工程實踐導向電子綜合設計實驗教學改革探索[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（43）：64-66.

[5] 蔡美玲，張錦，竇亞玲，等.工程教育理念下《程序設計基礎》實驗教學改革探索[J].計算機工程與科學，2018，40（S1）：21-26.

[6] 徐志佳，舒澤芳，羅金剛.基于工程教育理念的電子技術實踐教學改革[J].林區(qū)教學，2018（12）：31-32.

【通聯(lián)編輯：唐一東】