藍(lán)若明，蘇 燕

(1.山東師范大學(xué)，山東 濟南 250014；2.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250103)

前言

2017年2月，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，并在此之后又連續(xù)發(fā)布了一系列的相關(guān)文件，以推進(jìn)探索新形勢下的工科建設(shè)，助力高等教育強國建設(shè)。上述通知的發(fā)布給新工科建設(shè)帶來了更廣的機遇和更大的挑戰(zhàn)。新工科建設(shè)的內(nèi)容涵蓋很多方面，其中的一個重要方面是，探索新的教育方式，改革教學(xué)方法，形成以學(xué)習(xí)者為中心的新工科教育模式。

工科專業(yè)人才教育的目標(biāo)是為社會培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才，即注重學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使學(xué)生通過在校學(xué)習(xí)，一踏入社會便能盡快勝任工作崗位。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往只注重書本知識的傳授，而忽略學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)，以致于培養(yǎng)出來的學(xué)生與企業(yè)要求脫節(jié)，出現(xiàn)了“學(xué)生找不到工作，企業(yè)招不到員工”的怪現(xiàn)象。

本文將以單片機原理與應(yīng)用課程教學(xué)為研究對象，探索一種工科專業(yè)課程教學(xué)的新模式。單片機原理與應(yīng)用是大多數(shù)工科專業(yè)學(xué)生必修的一門課程，是工科專業(yè)的一門應(yīng)用性很強的專業(yè)課?；趩纹瑱C的電子產(chǎn)品已經(jīng)在生活中無處不在，低端產(chǎn)品如電視、空調(diào)等的控制器，高端產(chǎn)品如手機、機頂盒、掌上電腦等。單片機課程教學(xué)的終極目標(biāo)是培養(yǎng)能夠勝任電子產(chǎn)品設(shè)計的電子工程師。本文擬將實際的電子產(chǎn)品設(shè)計過程引入到單片機課程教學(xué)中，探索順應(yīng)新工科教育模式的教學(xué)方法，力爭培養(yǎng)出更具職業(yè)競爭力的應(yīng)用型人才。

一、單片機課程教學(xué)的現(xiàn)狀

單片機課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法，以理論教學(xué)為主，以教材為基礎(chǔ)，教師按照章節(jié)講解單片機各部分的知識，配合講解幾個例子，再安排幾個驗證性實驗。學(xué)生被單片機理論生硬的知識搞的暈頭轉(zhuǎn)向，在不知道所以然的情況下，按照老師的要求死板地連連線，驗證一下實驗結(jié)果。學(xué)生往往無興趣，學(xué)習(xí)效果不好。

為彌補上述缺陷，國內(nèi)外普遍采用的改進(jìn)方案是將項目教學(xué)法引入單片機教學(xué)[1]。所謂項目教學(xué)法，是將單片機知識模塊化，給每一個知識模塊設(shè)計一個小項目，結(jié)合項目講解單片機的知識。項目教學(xué)法在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，理論聯(lián)系實際，直觀性方面確實有不少的創(chuàng)新，但是它在克服傳統(tǒng)教學(xué)方法缺點的同時，也帶來了一些弊端。

(一)太突出項目的重要性，而弱化了理論知識的重要性：理論是實踐的基礎(chǔ)，只注重項目的完成而忽略了理論的深入，學(xué)生無法舉一反三。

(二)將單片機知識體系人為分散化：單片機是一個完整的知識體系，針對每個模塊的多個獨立項目沒有對單片機整體資源做一個統(tǒng)籌考慮，造成學(xué)生在將來工作中顧此失彼。

(三) 將單片機知識與其他課程孤立開：一個基于單片機的電子產(chǎn)品肯定是一個以單片機為核心的，但絕不是只具備單片機這一門知識就能完成的，項目教學(xué)往往在設(shè)計上僅僅是為了說明與之相關(guān)的單片機知識點，而忽略了與其他學(xué)科知識的聯(lián)系。

二、將電子產(chǎn)品設(shè)計引入單片機課程教學(xué)中的改革實踐

針對以上問題，本文提出了以產(chǎn)品設(shè)計為線索的單片機教學(xué)改革方案，將單片機課程各部分內(nèi)容有機統(tǒng)一起來，將單片機內(nèi)容與其它相關(guān)課程內(nèi)容有機統(tǒng)一起來，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生對單片機的感性認(rèn)識，培養(yǎng)他們在單片機設(shè)計方面的動手能力、解決問題的能力。

圖1 電子產(chǎn)品模型

圖2 電子產(chǎn)品實例

(一)構(gòu)建新的單片機課程教學(xué)體系

為解決當(dāng)前單片機課程教學(xué)存在的問題，我們將電子產(chǎn)品設(shè)計過程引入單片機課程教學(xué)，重新構(gòu)建單片機課程教學(xué)體系，具體實施方案如下：

1.構(gòu)建用于單片機課程教學(xué)的電子產(chǎn)品模型

構(gòu)建一個具有實際應(yīng)用意義的電子產(chǎn)品模型，該電子產(chǎn)品將涵蓋單片機課程體系的大部分內(nèi)容，并具有一定的趣味性，通過向?qū)W生演示該產(chǎn)品能夠讓學(xué)生眼前一亮，激發(fā)他們對單片機這門課的學(xué)習(xí)欲望。電子產(chǎn)品模型將按照圖1所示構(gòu)建，我們可以看出，一款單片機的體系由上到下分解，一款電子產(chǎn)品的體系由下到上分解，二者在中間達(dá)到統(tǒng)一。單片機的理論知識分成內(nèi)核和外圍設(shè)備，它們分別與電子產(chǎn)品的軟件和硬件對應(yīng)，軟件需要在單片機的內(nèi)核中運行，硬件是通過單片機的外圍設(shè)備控制單片機外部電路來實現(xiàn)。

在電子產(chǎn)品模型的具體設(shè)計中，主要遵循了如下幾點原則：

(1)整個系統(tǒng)是由一個功能完備的大系統(tǒng)構(gòu)成，這個大系統(tǒng)可以構(gòu)成一個完整的電子產(chǎn)品。完整的電子產(chǎn)品將在第一堂課時給學(xué)生進(jìn)行演示，讓學(xué)生快速建立對電子產(chǎn)品的直觀認(rèn)識。

(2)大系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)是一個相對獨立的單元。子系統(tǒng)在每一章教學(xué)中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計演示，子系統(tǒng)包含不同的實現(xiàn)方式。

(3)子系統(tǒng)可以自由組合。分成兩個方面：一方面是多章節(jié)子系統(tǒng)之間的組合，用于章節(jié)間的融合學(xué)習(xí)和聯(lián)合設(shè)計；另一方面是全系統(tǒng)的組合，當(dāng)整個單片機的課程結(jié)束時，將所有子系統(tǒng)整合形成一個完整的大系統(tǒng)，即一個功能完備的電子產(chǎn)品。

2.重建單片機課程教學(xué)體系

課程改革首先必須進(jìn)行課程內(nèi)容的改革，現(xiàn)用教學(xué)體系的內(nèi)容排列不能滿足課程改革的需要。我們將打破原有的單片機教學(xué)體系，以產(chǎn)品設(shè)計為線索，調(diào)整單片機課程教學(xué)次序和教學(xué)內(nèi)容，形成既注重理論又注重實際應(yīng)用的新的單片機教學(xué)體系。

課程體系框架構(gòu)思如下：第一章是總體介紹電子產(chǎn)品模型，并對電子產(chǎn)品按功能進(jìn)行模塊劃分；后續(xù)章節(jié)以電子產(chǎn)品各功能模塊為向?qū)д归_，包括模塊功能介紹、與模塊相關(guān)的單片機理論知識、基于理論的方案比較與設(shè)計；最后一章為系統(tǒng)設(shè)計部分，涉及如何將模塊整合成一個完整的電子產(chǎn)品。

課程體系的基本原則必須是強化理論，以理論指導(dǎo)設(shè)計，以設(shè)計促進(jìn)理論學(xué)習(xí)。

3.改進(jìn)教學(xué)手段

在理論講解時，通過多媒體技術(shù)圖文并茂地講解單片機的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和工作原理。

在產(chǎn)品設(shè)計上，除了給學(xué)生展示產(chǎn)品實物外，將proteus、multisim等仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)。在電子產(chǎn)品模型設(shè)計上，我們力求模型的各個組成部分能夠最大化地涵蓋整個單片機的課程內(nèi)容，但是總難免有所欠缺。因此，除了使用實際的電子產(chǎn)品模型外，我們還輔助使用仿真技術(shù)，多種手段比對各個方案，選擇最優(yōu)，一步一步地在課程上引領(lǐng)學(xué)生完成整個產(chǎn)品設(shè)計過程。

(二)單片機課程教學(xué)改革實施方案

1.單片機感性認(rèn)識的建立

傳統(tǒng)的單片機教學(xué)模式走的是理論教學(xué)的路子，很多學(xué)生從來沒見過真正的單片機什么樣子，也不知道單片機能用來干什么，因為無知所以便認(rèn)為無用，因此缺乏學(xué)習(xí)興趣。新的教學(xué)改革要注重應(yīng)用教學(xué)，在課程開始時，向?qū)W生演示產(chǎn)品模型，讓學(xué)生對單片機建立起直觀地感性認(rèn)識，這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)好奇心，培養(yǎng)學(xué)好單片機這門課的動力。

圖2是筆者和項目組成員共同設(shè)計的一款電子產(chǎn)品實例，采用底板+單元子板的方式，將每個子系統(tǒng)電路設(shè)計成子板形式，通過底板連接在一起。子系統(tǒng)由最小系統(tǒng)模塊、簡單按鍵與顯示模塊、鍵盤模塊、復(fù)雜顯示模塊、A/D模塊和D/A模塊組成。各子系統(tǒng)模塊既各自獨立，又可以自由組合，形成一個完成的電子產(chǎn)品，比如電子鐘產(chǎn)品、溫度采集系統(tǒng)等。

2.基于產(chǎn)品設(shè)計的教學(xué)方法

依據(jù)新的單片機課程體系，以產(chǎn)品設(shè)計為線索，讓學(xué)生直觀地看到理論對實際設(shè)計的指導(dǎo)意義，看到理論的重要性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論的熱情。具體來說，整個教學(xué)過程分成三個層次展開。

(1)以圖2的各個模塊為基礎(chǔ)，深入講解單片機各部分理論知識，利用這部分理論知識指導(dǎo)講解各個模塊的硬件設(shè)計原理和軟件設(shè)計方法。在設(shè)計過程中，還要涉及與其他課程知識的融合。例如，在“簡單按鍵與顯示模塊”上包含兩種發(fā)光二極管與單片機連接的典型電路方式，即“拉電流”和“灌電流”方式。這兩種方式的設(shè)計，需要的理論支撐是單片機并行IO的內(nèi)部電路原理，這涉及數(shù)字電路課程的相關(guān)知識，不同方式的軟件實現(xiàn)方法也不同。

(2)將部分模塊進(jìn)行組合，講解各部分理論知識之間的聯(lián)系，講解如何利用兩個或三個模塊組成一個相對簡單的電子產(chǎn)品。在簡單電子產(chǎn)品的設(shè)計中，讓學(xué)生理解各理論知識點之間的關(guān)系。例如，將“AD模塊”與“復(fù)雜顯示模塊”組合在一起，可以形成一個溫度采集與顯示系統(tǒng)(溫度儀)。這一簡單系統(tǒng)，需要的理論支撐包括AD轉(zhuǎn)換原理、系統(tǒng)擴展、中斷等理論知識，在軟件設(shè)計上涉及了數(shù)字信號的濾波方法和數(shù)碼管的譯碼方法等，是一個相對簡單的綜合應(yīng)用。

(3)在單片機課程所涉及的所有章節(jié)講解完畢后，將所有模塊組合在一起，設(shè)計幾個相對復(fù)雜的電子產(chǎn)品，進(jìn)一步強化學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計的理念，讓學(xué)生掌握電子產(chǎn)品系統(tǒng)級設(shè)計的方法。例如，將所有模塊組合在一起，可以構(gòu)成一個功能完備的“具有溫度顯示的電子鐘系統(tǒng)”，這個相對復(fù)雜的電子產(chǎn)品幾乎涉及了單片機課程中的所有理論知識，也需要使用到各種軟件方法，其硬件和軟件的設(shè)計與“電路分析”“模擬電”“數(shù)字電路”和“C語言”等課程均聯(lián)系密切。

三、基于電子產(chǎn)品設(shè)計的單片機課程教學(xué)改革的成效

將電子產(chǎn)品設(shè)計過程引入單片機教學(xué)，正是為了適應(yīng)當(dāng)前社會對于實用電子人才的需求，力求使學(xué)生在掌握扎實理論基礎(chǔ)上，真正掌握單片機開發(fā)的一般步驟，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。概括起來，整個教學(xué)過程即“教中學(xué)、學(xué)中做、做中學(xué)”，真正實現(xiàn)“教學(xué)做”的一體化教學(xué)模式[2]。

通過這一新的教學(xué)方式，培養(yǎng)了學(xué)生的如下能力：

(一)一個電子產(chǎn)品的各個功能模塊是有機統(tǒng)一的，通過設(shè)計，提升學(xué)生的統(tǒng)籌設(shè)計水平。一個電子產(chǎn)品功能的實現(xiàn)有多個方案，要比較各個方案的優(yōu)缺點，選擇性價比最高的，讓學(xué)生學(xué)會選擇最優(yōu)的方案。

(二)一個電子產(chǎn)品絕不是單片機一門課程能實現(xiàn)的，展示設(shè)計中用到的其他課程知識，讓學(xué)生認(rèn)識到全面發(fā)展的重要性。另外，在產(chǎn)品設(shè)計基礎(chǔ)上，給學(xué)生布置實驗任務(wù)，讓學(xué)生根據(jù)實驗要求，設(shè)計實驗方法，編寫程序，創(chuàng)造性的完成現(xiàn)有實驗體系內(nèi)容，而不是被動去驗證實驗結(jié)果。

結(jié)語

本文提出的單片機課程教學(xué)方法，克服了當(dāng)前單片機課程教學(xué)與實際需求脫節(jié)的問題，緊跟社會對工科學(xué)生的需求導(dǎo)向，對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生變被動學(xué)為主動學(xué)有著積極的意義。本文研究雖然以單片機課程教學(xué)展開研究，但對于其他工科課程教學(xué)如何跟上社會需求也具有借鑒意義。