齊鳳蓮 侯玲玲 鄒媛媛

沈陽建筑大學(xué) 沈陽 110168

0 引言

機(jī)械電子工程專業(yè)是一個(gè)跨學(xué)科的二級(jí)學(xué)科專業(yè)，對(duì)于該專業(yè)“新工科”建設(shè)背景要求下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，涉及機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，其目的是培養(yǎng)從事機(jī)械電子相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造、控制系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的高級(jí)專門人才。沈陽建筑大學(xué)單片機(jī)系列課程包括微機(jī)原理及接口技術(shù)、嵌入式控制系統(tǒng)、課程設(shè)計(jì)等，該系列課程在機(jī)電學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)體系中，占有十分重要的地位[1-3]。本文作者近年來致力于探索在機(jī)電專業(yè)中該系列課程的教學(xué)改革，從應(yīng)用的角度出發(fā)，理論和實(shí)踐結(jié)合、硬件和軟件的結(jié)合以及機(jī)械與電的結(jié)合，側(cè)重學(xué)生興趣和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。本文主要從理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)兩方面展開，就教學(xué)探索的過程和成效進(jìn)行闡述。

1 理論課教學(xué)探索

1.1 學(xué)時(shí)集中

單片機(jī)系列課程的理論課，主要在講解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理基礎(chǔ)上重點(diǎn)鍛煉學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合，軟件與硬件的配合，尤其鍛煉學(xué)生動(dòng)手編程運(yùn)用控制器的綜合能力。在編程調(diào)試過程，需要教師給予更多指導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生從初期的入門調(diào)試到熟練利用調(diào)試工具進(jìn)行程序調(diào)試。為此，本專業(yè)改革傳統(tǒng)的一周2 次課、一次課2 學(xué)時(shí)的課程安排，將該課程集中周次講授，一周2 次、每次4 學(xué)時(shí)，4 學(xué)時(shí)既可以保證學(xué)生課上的理論知識(shí)點(diǎn)講授，同時(shí)還可以結(jié)合知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行程序調(diào)試，教師當(dāng)堂指導(dǎo)，問題及時(shí)解決；一周2 次的安排既集中又分散，既保證了學(xué)習(xí)的連貫性，又保證學(xué)生有充足的時(shí)間在課后完成作業(yè)。從近兩輪的學(xué)生反饋反映該課程安排比較合理。

1.2 基于項(xiàng)目目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容

單片機(jī)系列課程理論課內(nèi)容需要掌握微型機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部資源定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)的原理和使用方法，以及常用外部接口技術(shù)的應(yīng)用方法，運(yùn)用微機(jī)的指令系統(tǒng)使用現(xiàn)代軟件工具能夠結(jié)合控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、設(shè)計(jì)需求等，搭建以微型機(jī)為核心的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。這些知識(shí)點(diǎn)前后銜接，結(jié)合其特點(diǎn)，每節(jié)課結(jié)合教學(xué)內(nèi)容設(shè)定一個(gè)小的項(xiàng)目目標(biāo)[4]，單片機(jī)基礎(chǔ)這部分內(nèi)容的項(xiàng)目目標(biāo)設(shè)計(jì)示例如圖1 所示，由淺入深，逐層遞進(jìn)。比如，從基礎(chǔ)的跑馬燈開始，這個(gè)小目標(biāo)中，涵蓋了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，教師首先要結(jié)合電路給學(xué)生講解二極管點(diǎn)亮的條件，其次引入程序運(yùn)行過程中時(shí)間的概念，然后再結(jié)合keil 軟件進(jìn)行程序編寫，最后再利用調(diào)試工具進(jìn)行延時(shí)時(shí)間的測(cè)試，改變不同延時(shí)參數(shù)，演示不同的運(yùn)行效果。在一系列講解后，學(xué)生可以隨堂利用keil 軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)及調(diào)試，調(diào)試過程出現(xiàn)問題并解決問題，既是對(duì)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通的過程，目標(biāo)達(dá)成，又會(huì)極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，課后會(huì)對(duì)該項(xiàng)目達(dá)成度進(jìn)一步完善。結(jié)合每堂課設(shè)計(jì)的各個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)，在課程實(shí)施過程中運(yùn)用并不斷完善，項(xiàng)目結(jié)合度較好。

圖1 項(xiàng)目目標(biāo)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)示例

1.3 教學(xué)方法多形式融合

該系列理論課授課過程中采取多形式融合，體現(xiàn)在以下幾方面。

1.3.1 多媒體授課

多媒體授課依然是課堂主要知識(shí)點(diǎn)講解的主要手段。不論是線上還是線下，以多媒體為主要手段，與其他工具融合運(yùn)用才能使課堂教學(xué)更豐富多彩。

1.3.2 短視頻課內(nèi)課外、課上課下結(jié)合

短視頻分課內(nèi)觀看和課外知識(shí)點(diǎn)拓展兩個(gè)方面，由于學(xué)時(shí)有限，有些知識(shí)點(diǎn)學(xué)生可以通過課下觀看短視頻進(jìn)行自學(xué)。課上播放的短視頻多為相關(guān)功能運(yùn)行效果的短視頻，更有助于讓學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解；課下的短視頻有網(wǎng)上的資源，也有教師自行制作完成的。授課教師提前制作好相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講解視頻，一個(gè)個(gè)小的知識(shí)點(diǎn)講解，不建議時(shí)間太長(zhǎng)，但應(yīng)為一個(gè)系列，視頻內(nèi)容既有課堂上的理論講解內(nèi)容，也有課堂外的知識(shí)拓展。

1.3.3 課堂實(shí)時(shí)電路板操作

由于該系列課程改革，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)融入理論課學(xué)時(shí)中，學(xué)生借用實(shí)驗(yàn)板，上課過程直接結(jié)合實(shí)驗(yàn)板資源進(jìn)行相關(guān)講解，更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的消化吸收。實(shí)驗(yàn)板資源比較豐富，基本能夠滿足學(xué)生理論課程知識(shí)點(diǎn)的實(shí)操訓(xùn)練。圖2 為學(xué)生課上利用實(shí)驗(yàn)板所完成的實(shí)驗(yàn)效果。

圖2 實(shí)驗(yàn)板實(shí)驗(yàn)效果

1.3.4 Protues 系統(tǒng)仿真輔助

由于單片機(jī)系列涉及外擴(kuò)資源較多，電路板有些功能不能滿足時(shí)，可利用Protues 進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)，仿真與電路板結(jié)合運(yùn)用，相輔相成，更有助于學(xué)生對(duì)該系列課程的學(xué)習(xí)。

1.3.5 云班課課前課后相輔相成

該系列課程的特點(diǎn)是理論結(jié)合實(shí)踐，每堂課既要考查學(xué)生的理論掌握程度，又要檢驗(yàn)學(xué)生的編程運(yùn)用能力，因此，該系列課程利用云班課的功能，在課前對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)的課堂小測(cè)驗(yàn)，課后完成的項(xiàng)目作業(yè)上傳至云班課，程序及運(yùn)行視頻一目了然。

1.4 課堂安排預(yù)教結(jié)合

根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出該系列課程理論課六步法，按此進(jìn)行課前、課中和課后安排，如圖3所示。

圖3 六步法教學(xué)安排

學(xué)生此前對(duì)教授內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)很少進(jìn)行預(yù)習(xí)，為此，作者結(jié)合講授知識(shí)點(diǎn)及參考教材，提前給學(xué)生發(fā)放適量預(yù)習(xí)題，讓學(xué)生結(jié)合思考題對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)習(xí)；在課堂講授過程中，先根據(jù)預(yù)習(xí)題與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，讓盡可能多的學(xué)生參與，再結(jié)合這些基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展，根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)設(shè)定項(xiàng)目目標(biāo)，課堂中完成項(xiàng)目目標(biāo)基礎(chǔ)功能，課后進(jìn)行項(xiàng)目目標(biāo)的完善，課前、課中、課后安排比較緊湊。根據(jù)學(xué)生反饋的情況，該方法可以比較有效地提高上課質(zhì)量，大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也培養(yǎng)他們的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。

1.5 實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目跟隨考核

本課程根據(jù)教學(xué)大綱的要求，改變“期末一張卷”的做法，同時(shí)改變以理論考核為主，實(shí)踐技能考核為輔的做法，加大實(shí)戰(zhàn)技能考核的比例。探尋能夠鍛煉學(xué)生的書面表達(dá)能力，提高學(xué)生獨(dú)立動(dòng)腦能力及實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)力，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際工程問題的分析能力、解決工程問題的能力的考核方案[5]。本課程制定了成績(jī)?cè)u(píng)定方式。

1.5.1 平時(shí)互動(dòng)考核

1）預(yù)習(xí)互動(dòng)考核。

2）知識(shí)點(diǎn)掌握互動(dòng)考核。該部分考核主要是對(duì)學(xué)生自學(xué)能力和知識(shí)融會(huì)貫通能力的考查。

1.5.2 項(xiàng)目目標(biāo)考核

1）課堂項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn)考核。

2）課后項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)效果考核。這些主要考查學(xué)生課堂的理解掌握能力，該考核促使學(xué)生能集中精力學(xué)習(xí)講授的知識(shí)點(diǎn)，并當(dāng)堂運(yùn)用，且能保證課后順利完成項(xiàng)目目標(biāo)。

1.5.3 基于項(xiàng)目的結(jié)課大作業(yè)考核

課程結(jié)束以綜合項(xiàng)目目標(biāo)為任務(wù)，學(xué)生完成該大作業(yè)的程度即是對(duì)該課程學(xué)習(xí)掌握的綜合考核，重在綜合運(yùn)用的實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，不止編寫程序，要求學(xué)生調(diào)試通過，由于單片機(jī)系列課程的特點(diǎn)，學(xué)生更傾向于該大作業(yè)的實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，學(xué)生調(diào)試的狀態(tài)反映學(xué)生對(duì)該課程的投入，同時(shí)也對(duì)其后續(xù)的學(xué)習(xí)、就業(yè)、考研等產(chǎn)生一定的影響。

1.5.4 期末綜合考試

最后一次考試為期末考試，主要考核系統(tǒng)知識(shí)的應(yīng)用，或方案的選擇與設(shè)計(jì)等，該考核內(nèi)容綜合，主要考查學(xué)生對(duì)單片機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等綜合掌握能力?？荚嚨拿}范圍不受階段知識(shí)限制，可涵蓋本門課程的任何內(nèi)容。

2 實(shí)踐環(huán)節(jié)探索

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入理論學(xué)時(shí)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革前形式

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是該系列課程的重要環(huán)節(jié)，在之前由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不夠充足的情況下，安排學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)教師負(fù)責(zé)講解，學(xué)生4 ～5人一組，組內(nèi)學(xué)生輪流完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.1.2 存在的問題

1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，幾個(gè)人一組，大部分同學(xué)不能實(shí)時(shí)操作，不能及時(shí)跟上教師講解。

2）實(shí)驗(yàn)教師和授課教師在銜接上會(huì)略有偏差。

3）單片機(jī)系列課程需要花時(shí)間調(diào)試，設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室，僅利用實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行調(diào)試是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

2.1.3 探索新形式

首先，考慮到課程特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室批量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)板采購，目前用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的設(shè)備數(shù)量比較充足；其次，在設(shè)備使用上對(duì)學(xué)生采用了借用模式，學(xué)生根據(jù)課程安排在授課及大作業(yè)完成期間，可借用實(shí)驗(yàn)板，隨時(shí)根據(jù)教師安排及自己興趣進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)試，這樣可以最大限度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)設(shè)備的作用，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性及學(xué)習(xí)的效果；最后，在修訂培養(yǎng)方案時(shí)，將該系列課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)融入理論學(xué)時(shí)，授課時(shí)學(xué)生直接根據(jù)教師講解，利用實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行操作和調(diào)試，實(shí)時(shí)性好，且設(shè)備利用高，學(xué)生反饋學(xué)習(xí)效果良好。

2.2 機(jī)與電結(jié)合的課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新

機(jī)械電子專業(yè)涵蓋多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)融合，單片機(jī)系列課程在機(jī)械電子專業(yè)課程能力和素質(zhì)培養(yǎng)體系中，占有十分重要的地位，該系列課程在一定程度上承擔(dān)著機(jī)電結(jié)合的角色。機(jī)電專業(yè)該系列的課程設(shè)計(jì)總學(xué)時(shí)為3 周，在完成單片機(jī)理論課程的基礎(chǔ)上，后續(xù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)旨在鍛煉學(xué)生結(jié)合已掌握的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，進(jìn)行機(jī)電結(jié)合的實(shí)踐設(shè)計(jì)訓(xùn)練。為達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，機(jī)電專業(yè)的課程設(shè)計(jì)做出以下探索。

設(shè)計(jì)題目方面，確定三大類題目，分別為工件自動(dòng)抓取機(jī)械臂、三軸全自動(dòng)移動(dòng)裝置和自動(dòng)循跡避障移動(dòng)車設(shè)計(jì)。從內(nèi)容上，要求學(xué)生完成設(shè)計(jì)題目要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)物裝配。學(xué)生可根據(jù)三維造型進(jìn)行3D 打印，也可以利用慧魚的模塊進(jìn)行拼搭，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生從機(jī)械結(jié)構(gòu)到控制系統(tǒng)調(diào)試全過程的動(dòng)手實(shí)踐。

成績(jī)考核方面，改革傳統(tǒng)的看圖紙說明書答辯的形式，采用比賽并現(xiàn)場(chǎng)答辯，從機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)執(zhí)行的快速性等方面進(jìn)行考查，答辯教師現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)物的運(yùn)行情況提出針對(duì)性問題，共同討論。

這兩方面的探索一是極大提高學(xué)生做設(shè)計(jì)的積極性，提高了課程設(shè)計(jì)的完成質(zhì)量；二是為學(xué)生后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下來一個(gè)比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，學(xué)生從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工程圖紙輸出、實(shí)物制作以及控制系統(tǒng)調(diào)試，各環(huán)節(jié)都得到鍛煉的同時(shí)，也做到了各環(huán)節(jié)的融合運(yùn)用。圖4 為學(xué)生自行利用3D 打印完成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)的機(jī)械臂抓取工件。圖5 為學(xué)生利用慧魚模塊拼搭的機(jī)械機(jī)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)的三軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖4 自動(dòng)抓取機(jī)械臂

圖5 三軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)

在實(shí)施過程中，教師提出設(shè)計(jì)題目，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后完成該項(xiàng)目的整體調(diào)試，整體效果比較理想。

2.3 以賽代練模式探索

課程負(fù)責(zé)人近些年帶隊(duì)參加機(jī)械設(shè)計(jì)大賽、機(jī)器人大賽、嵌入式人工智能大賽等，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，充分發(fā)揮機(jī)電專業(yè)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)參賽項(xiàng)目完成中的機(jī)電結(jié)合。以參賽項(xiàng)目為基礎(chǔ)，通過項(xiàng)目簡(jiǎn)化，同時(shí)形成可用于該課程教學(xué)的虛擬項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與競(jìng)賽相長(zhǎng)，在促進(jìn)該課程學(xué)習(xí)的同時(shí)，提高學(xué)生參賽的積極性。圖6 為作者指導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)械設(shè)計(jì)大賽的作品旋轉(zhuǎn)環(huán)狀立體停車設(shè)備。

圖6 環(huán)狀立體停車設(shè)備

3 結(jié)束語

通過對(duì)單片機(jī)系列課程在理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的探索，從歷年來的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)作品及參賽的效果來看，收效比較明顯，質(zhì)量明顯提升，學(xué)生對(duì)該系列課程的學(xué)習(xí)積極性極大提高，創(chuàng)新能力不斷提升，同時(shí)，對(duì)學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)工作等產(chǎn)生了積極的影響。在后續(xù)的教學(xué)活動(dòng)中，還需結(jié)合機(jī)電專業(yè)繼續(xù)探索對(duì)學(xué)生更行之有效的方法。