王新艷,李藝超
高職汽車類專業(yè)單片機(jī)原理課程改革與探索
王新艷1,李藝超2
(1.天津職業(yè)大學(xué) 汽車工程學(xué)院,天津 300410;2.天津市動核心科技有限公司,天津 300240)
單片機(jī)原理是汽車類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,文章通過對該專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在實(shí)際教學(xué)過程中存在一定的問題。結(jié)合汽車專業(yè)的典型應(yīng)用場景,對傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行邏輯重構(gòu),硬件設(shè)計由易到難,實(shí)驗(yàn)貼合汽車應(yīng)用。針對高職學(xué)生的人才培養(yǎng)方案中的課程進(jìn)度安排,考慮到前序課程的影響,對實(shí)際教學(xué)方式進(jìn)行優(yōu)化,以保障教學(xué)內(nèi)容不斷層。調(diào)整理實(shí)課時比例,使課程教學(xué)向?qū)嶒?yàn)教學(xué)傾斜,探索新型教學(xué)模式,合理使用仿真軟件提高線上教學(xué)效果與質(zhì)量,最后采用多元化考核方式進(jìn)行評價。實(shí)踐證明,通過課程教學(xué)改革,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)了工程實(shí)踐能力,拓寬了就業(yè)渠道。
單片機(jī);教學(xué)模式;課程重構(gòu);工程實(shí)踐
單片機(jī)原理課程是工科類專業(yè)必修的一門課程,而汽車專業(yè)因服務(wù)其對象是機(jī)電一體化高度集中的產(chǎn)品,汽車擁有眾多的汽車電子控制單元,冗余策略使得單片機(jī)數(shù)量成倍增加[1-3]。學(xué)習(xí)單片機(jī)原理課程,可以更好地理解汽車的控制策略,進(jìn)而為汽車維修提供思路。對于新能源汽車專業(yè)的學(xué)生,單片機(jī)原理課程的重要性不言而喻,為后續(xù)驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)維修、動力電池技術(shù)、充電系統(tǒng)維修、新能源汽車故障診斷等專業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。因此,高職汽車類專業(yè)開設(shè)單片機(jī)原理課程尤為重要,學(xué)生學(xué)習(xí)效果的好壞也影響著汽車維修的專業(yè)性與維修技能的提升,也為學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)拓寬就業(yè)范圍。因此,對汽車單片機(jī)原理課程進(jìn)行課程內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)方式調(diào)整、考核方式修改,具有重要意義。
單片機(jī)原理是一門理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的課程,是我校汽車檢測與維修技術(shù)、新能源汽車檢測與維修技術(shù)、汽車服務(wù)工程專業(yè)的必修課。本人從事汽車單片機(jī)原理課程授課近6年的時間里,對課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié),主要有以下幾點(diǎn):
1.前序課程不合理,相關(guān)前序課程學(xué)習(xí)效果不理想
傳統(tǒng)的單片機(jī)原理課程主要面向電子、自動化專業(yè)的學(xué)生,其專業(yè)課中電學(xué)的比例較高,學(xué)生電學(xué)基礎(chǔ)較好,對硬件部分設(shè)計較為容易,僅需要在專業(yè)課程中融入編程思維即可。而對于高職汽車類學(xué)生而言,電學(xué)課程較少,一般前序課程僅有電工電子課程,沒有作為編程基礎(chǔ)的C語言課程,以及汽車中常用的傳感器課程作為前序課程,無法完全支撐課程內(nèi)容,電工電子基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)效果就顯得尤為重要。在單片機(jī)原理教學(xué)過程中,發(fā)現(xiàn)較多學(xué)生對基本的電路設(shè)計能力欠缺,無法單獨(dú)完成簡單的硬件設(shè)計,以至于需要在本門課程中,必須進(jìn)行硬件設(shè)計的適當(dāng)學(xué)習(xí)補(bǔ)足后,才能正常進(jìn)行單片機(jī)工程設(shè)計學(xué)習(xí)。可見前序課程的重要性,學(xué)生學(xué)習(xí)效果的好壞,直接影響著單片機(jī)工程實(shí)踐中的硬件設(shè)計能力。
2.理實(shí)課時比例安排不合理
傳統(tǒng)的教學(xué)模式,理論學(xué)時占比遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)課,過多的理論講解使得學(xué)生以為課程難度較大,對課程認(rèn)知產(chǎn)生了一定的誤解,會產(chǎn)生一定的恐懼心理。實(shí)驗(yàn)課程中,入門程序沒有合適的課時練習(xí),之后的程序以教師給定程序、學(xué)生抄寫代碼為主,大多數(shù)學(xué)生無法對錯誤代碼進(jìn)行修改,不能獨(dú)立完成課程發(fā)布的工程任務(wù),遠(yuǎn)達(dá)不到課程目標(biāo),效果大打折扣。
3.混合式教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)期
線上線下的混合式教學(xué)模式為教學(xué)提供了一種全新的模式,受新型教學(xué)模式經(jīng)驗(yàn)欠缺、網(wǎng)絡(luò)狀況等影響,不能全程監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài),無法實(shí)時與學(xué)生互動,學(xué)習(xí)效果可想而知。而在轉(zhuǎn)入線下教學(xué)時,需要進(jìn)行一定的學(xué)時的復(fù)習(xí),對線上教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行鞏固后才能進(jìn)行之后的教學(xué),對整體進(jìn)度有一定的影響,無法達(dá)到預(yù)期。
4.考核方式較為傳統(tǒng)
傳統(tǒng)課程的評價方式以期末試卷考核為主認(rèn)定,這種方式難以全面地考察學(xué)生的知識運(yùn)用能力與解決工程實(shí)際問題的能力[4],大多數(shù)學(xué)生通過考前臨時突擊復(fù)習(xí)也能取得較好的成績,難以從合理、公平的角度去全面衡量學(xué)生的課程掌握情況。
傳統(tǒng)的單片機(jī)教材,主要包括如表1所示的單片機(jī)功能性章節(jié)。開篇介紹單片機(jī)硬件系統(tǒng)后,緊接著是整章節(jié)的C語言程序基礎(chǔ),以補(bǔ)足或簡要復(fù)習(xí)編程語言規(guī)則。然后,根據(jù)單片機(jī)的功能,依次是IO(Input/Output)口、中斷、定時器/計數(shù)器、串行口、拓展技術(shù)等,部分教材會根據(jù)需要進(jìn)行章節(jié)順序調(diào)整等。傳統(tǒng)教材不涉及汽車上的相關(guān)應(yīng)用,章節(jié)內(nèi)容的排序,不適合高職汽車專業(yè)學(xué)生,學(xué)生不能從教材中尋找出單片機(jī)與汽車的關(guān)聯(lián),缺乏代入性。因此,教師在選擇教材時,可以選擇汽車單片機(jī)原理相關(guān)教材,這種教材的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會將汽車與單片機(jī)進(jìn)行結(jié)合,并突出汽車單片機(jī)控制技術(shù),更加便于該專業(yè)學(xué)生的自學(xué)與理解。
在教學(xué)中,需要根據(jù)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ),將其在汽車中的應(yīng)用逐步滲透到章節(jié)中,以較為簡單的入門基礎(chǔ)開始,逐步加大硬件設(shè)計難度與編程運(yùn)用難度。根據(jù)學(xué)生電學(xué)基礎(chǔ),合理進(jìn)行教學(xué)項(xiàng)目與進(jìn)度設(shè)計,項(xiàng)目設(shè)計以其在汽車中的應(yīng)用為主,為后續(xù)課程做好鋪墊。
表1 傳統(tǒng)單片機(jī)主要章節(jié)內(nèi)容
章節(jié)教學(xué)內(nèi)容 1硬件結(jié)構(gòu)與工作原理 2C語言基礎(chǔ)與C51程序設(shè)計 3C51接口技術(shù) 3C51中斷系統(tǒng) 4C51定時/計數(shù)器 5C51串行口技術(shù) 6C51單片機(jī)系統(tǒng)拓展技術(shù)
在教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)過程中,根據(jù)硬件電路設(shè)計方法,由易到難進(jìn)行重構(gòu)。單片機(jī)的入門一般以點(diǎn)亮一個發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)開始,對應(yīng)的硬件設(shè)計也比較簡單,即將限流電阻與發(fā)光二管串聯(lián)后接到單片機(jī)IO口,通過簡單的IO口高低電平控制LED亮滅,使學(xué)生掌握編程入門技巧。點(diǎn)亮單個LED燈、點(diǎn)亮多個LED燈、單個LED燈閃爍、多個LED燈閃爍、花樣LED燈等,現(xiàn)象由易到難,通過對流水燈進(jìn)行各種類型控制,使學(xué)生將C語言編程入門基礎(chǔ)打牢的同時,能對單片機(jī)IO口的控制方法靈活并熟練掌握。
共陰或者共陽數(shù)碼管的內(nèi)部是由LED燈通過不同的正負(fù)極連接方式構(gòu)成的,將控制端連接至IO口,可由LED燈的控制機(jī)理很快過渡到數(shù)碼管的控制方法學(xué)習(xí)中。從靜態(tài)顯示到動態(tài)顯示,為秒表的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
LED燈、數(shù)碼管是常用的顯示器件,進(jìn)一步則由按鍵進(jìn)行控制其如何顯示,實(shí)現(xiàn)對按鍵的控制進(jìn)行過渡,汽車的組合開關(guān)、儀表臺、中控臺中的應(yīng)用場景極多。如圖1所示,將硬件難度逐步加大,使學(xué)生逐漸適應(yīng),以減少課程接受難度。
圖1 硬件難度控制
整個項(xiàng)目進(jìn)度,硬件難度逐漸加大,控制方法逐漸升級,如表2所示,每個功能對應(yīng)汽車上的某些應(yīng)用,使學(xué)生能更好地理解學(xué)習(xí)這門課程的必要性,為傳統(tǒng)汽車和新能源汽車的檢測與維修打下基礎(chǔ)。
矩陣鍵盤信息采集與顯示、電機(jī)控制、傳感器信息采集與處理、通信原理等部分,可以根據(jù)學(xué)生具體掌握情況、學(xué)時等適當(dāng)增減項(xiàng)目數(shù)量,但是必須保障基礎(chǔ)良好,為后續(xù)課程、汽車維修、頂崗實(shí)習(xí)、就業(yè)等保駕護(hù)航。
表2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計
硬件效果在汽車上的應(yīng)用單片機(jī)功能 點(diǎn)亮LED燈汽車駐車燈點(diǎn)亮設(shè)計控制IO口 LED燈閃爍汽車轉(zhuǎn)向燈設(shè)計控制IO口 花樣流水燈汽車報警燈設(shè)計控制IO口 數(shù)碼管靜態(tài)顯示汽車?yán)锍田@示控制IO口 數(shù)碼管動態(tài)顯示車速實(shí)時顯示設(shè)計控制IO口 數(shù)碼管秒表交通燈設(shè)計定時器 按鍵信息采集與顯示汽車組合開關(guān)信息采集中斷
傳統(tǒng)的單片機(jī)課程,很多是以匯編作為編程語言,C語言具有靈活方便、可移植性強(qiáng)等優(yōu)勢,逐步取代了傳統(tǒng)復(fù)雜的匯編語言。對于汽車專業(yè)高職學(xué)生,一般在人才培養(yǎng)方案中沒有開設(shè)C語言基礎(chǔ)相關(guān)課程,學(xué)生沒有編程基礎(chǔ),就需要在課程中進(jìn)行講解。結(jié)合現(xiàn)存教材的特點(diǎn),常規(guī)的教學(xué)方式是安排合理的學(xué)時專門講解C語言編程規(guī)則。但是,在近幾年的教學(xué)過程中,發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)方式并不符合青少年學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。一般的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)房僅能對單片機(jī)程序進(jìn)行編程與驗(yàn)證,并且實(shí)驗(yàn)開始時間比較靠后,基礎(chǔ)C語言教學(xué)在前期進(jìn)行介紹,學(xué)生并不能進(jìn)行實(shí)時練習(xí),空洞的理論不利于學(xué)生掌握C語言。因此,單純章節(jié)的講解C編程語言需要改變引入與學(xué)習(xí)方式。
本人在實(shí)際教學(xué)過程中,并未單獨(dú)將C語言作為一章節(jié)進(jìn)行講解,而是將C語言融入編程中,具體到汽車單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中,用到什么關(guān)鍵字再進(jìn)行實(shí)際效果練習(xí),并在Keil顯示“WARNING”時進(jìn)行糾錯,以加強(qiáng)學(xué)生記憶。比如,在“汽車儀表燈點(diǎn)亮”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,可以在學(xué)生練習(xí)、實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果后,對C語言的關(guān)鍵字、函數(shù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等依次進(jìn)行介紹,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時,利于學(xué)生理解與記憶,做到在練中學(xué),在學(xué)中加深理解。
若在實(shí)際教學(xué)中,無法保證在實(shí)驗(yàn)課中對C代碼進(jìn)行講解與練習(xí),可以在理論教學(xué)中,介紹C語言規(guī)則的同時,實(shí)時演示操作方法與效果,向?qū)W生逐步演示Keil軟件書寫C代碼的過程,強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵字大小寫、書寫特點(diǎn)、代碼的完整性等細(xì)節(jié)注意事項(xiàng)。
隨著線上教學(xué)或者線上線下混合式的新型教學(xué)模式成為常態(tài),也為教學(xué)模式提供了新的思路。但在推行線上教育的過程中,也存在著重視不夠、教師和學(xué)生不適應(yīng)、教學(xué)準(zhǔn)備不充分、教學(xué)資源不充足、網(wǎng)絡(luò)傳輸不流暢以及缺少有效的心理疏導(dǎo)方法等諸多問題,必須認(rèn)真分析解決[5]。對于一個全新的線上教學(xué)模式,需要在線上教學(xué)過程中不斷探索尋找出路。
在線上教學(xué)過程中,使用學(xué)習(xí)通軟件建立課程架構(gòu),建立引入視頻,設(shè)計討論主題,設(shè)置視闖關(guān)環(huán)節(jié)等,通過后臺監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)效果并予以反饋。尤其在闖關(guān)環(huán)節(jié),后臺數(shù)據(jù)活躍度較高。
對于注重能力型的課程,加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)比例是必然的。以天津職業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院新能源汽車檢測與維修專業(yè)為例,課程共72學(xué)時,其中理論24學(xué)時,實(shí)驗(yàn)48學(xué)時,學(xué)期中后期的課程幾乎都在實(shí)驗(yàn)中完成,極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。如果條件允許,理實(shí)一體化是最好的方式,學(xué)生可以隨時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)、糾錯與驗(yàn)證。
對于線上教學(xué)方式而言,Proteus完全可以脫離實(shí)物進(jìn)行硬件仿真,并實(shí)現(xiàn)與Keil軟件之間的聯(lián)調(diào),實(shí)現(xiàn)類似于工程項(xiàng)目的調(diào)試工作。Proteus是專門為單片機(jī)仿真而設(shè)計的,單片機(jī)仿真庫里有51內(nèi)核單片機(jī),這也是學(xué)校會以Atmel公司的AT89C51芯片進(jìn)行授課的原因。除此之外,還有HC11、PIC10/12/16/18/24/30/Ds PIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年增加了Cortex和DSP系列處理器,最近又增加了目前流行的Arduino和嵌入式單片機(jī)STM32系列[6]。在硬件庫里,有探針、電壓表、電流表、萬用表、信號發(fā)生器、示波器等,方便對硬件電路進(jìn)行設(shè)計與調(diào)試,電路參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。在進(jìn)行硬件仿真時,對于高低電平有不同的方塊進(jìn)行顯示,信號電平高低切換時,方塊顏色也會隨之切換,可以根據(jù)實(shí)際顯示效果判斷問題所在,仿真效果更加直觀、生動,減少仿真調(diào)試時間,這是實(shí)際焊接電路板無法超越的。軟件使用Keil軟件,編輯成功后生成HEX文件,即可進(jìn)行軟硬件的聯(lián)調(diào),減少了實(shí)做失誤。對于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室而言,這種方式也減少了實(shí)驗(yàn)耗材經(jīng)費(fèi)開銷,在硬件電路或者芯片燒壞的情況下,也不失為一種教學(xué)解決方法。在學(xué)生編程效果較好的前提下,也可以開展課程設(shè)計環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)從仿真到實(shí)做,實(shí)現(xiàn)真正意義上的工程項(xiàng)目設(shè)計與調(diào)試。
以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向,注重學(xué)生實(shí)際工程解決能力,對單片機(jī)課程的考核方案需要多元化、多層次設(shè)計,線上、線下或者混合制教學(xué)需要對比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。以天津職業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院為例,過程性考核和終結(jié)性考核兩種方式進(jìn)行。過程性考核占60%,占比較大;終結(jié)性考核占40%,為學(xué)生期末卷面成績。其中,過程性考核主要包括,創(chuàng)新能力10%、團(tuán)隊(duì)精神10%、課程參與程度20%、實(shí)驗(yàn)工單成績20%。
在實(shí)驗(yàn)課程中,需要以團(tuán)隊(duì)的方式進(jìn)行模塊化階段性考核,以實(shí)現(xiàn)某個現(xiàn)象為工程目標(biāo),不限制實(shí)現(xiàn)方法,最終根據(jù)團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)給定實(shí)驗(yàn)成績,極大地提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、解決工程能力等。不同的方法實(shí)現(xiàn)同一現(xiàn)象,也使每個學(xué)生逐漸形成自己的編程習(xí)慣。
無論對于軟硬件仿真還是硬件焊接調(diào)試,思政元素需要時刻融入教學(xué),使學(xué)生理解編程與代碼的特點(diǎn)。對于代碼格式,需要學(xué)生提高審美觀念,代碼需要根據(jù)關(guān)鍵字特點(diǎn)進(jìn)行邏輯對齊,方便成組、成對查找錯誤。比如,使用while進(jìn)行循環(huán)時,其內(nèi)置if指令,則while大括號應(yīng)比if大括號靠外側(cè)并分別對齊。若在編譯時出現(xiàn)錯誤,可以很快進(jìn)行定位并發(fā)現(xiàn)錯誤。進(jìn)行硬件焊接時,需要對硬件布局美觀、合理,做到跨線最少,盡量焊接成直線。繪制印制線路板(Printed Circuit Board, PCB)電路圖,則應(yīng)合理布局,盡量避免電磁干擾,接插件放置在靠近外圍,方便插拔等,符合事物發(fā)展的一般規(guī)律。汽車技術(shù)的發(fā)展依賴于電子技術(shù)的升級,國產(chǎn)新能源汽車技術(shù)的崛起,也依賴于電子電路技術(shù)的迅速發(fā)展,逐漸提升學(xué)生的國家自豪感,提升自身的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。鼓勵學(xué)生多參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽,真正地將知識變成科技,培養(yǎng)大國工匠精神。
經(jīng)過幾輪的教學(xué)改革,教學(xué)形式、架構(gòu)、內(nèi)容等不斷優(yōu)化合理,不同的教學(xué)手段提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,并取得了一定的效果,學(xué)生成績較之前有一定的提升。單片機(jī)課程學(xué)習(xí)較好的學(xué)生,也可以在專升本的C語言專業(yè)課考試中有極大的優(yōu)勢,提升了學(xué)生專升本的學(xué)歷深造積極性。學(xué)生進(jìn)入教具設(shè)計企業(yè)、汽車仿真相關(guān)企業(yè)進(jìn)行頂崗實(shí)習(xí),拓寬了就業(yè)渠道。
[1] 柴彬.思政育人在汽車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)檢修課程中的探索[J].汽車實(shí)用技術(shù),2023,48(1):168-172.
[2] 高學(xué)勤.基于“1+X”證書制度的“一平臺、三融合”信息安全技術(shù)應(yīng)用專業(yè)教學(xué)改革研究[J].教育觀察, 2023,12(4):88-91.
[3] 宋利.基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的職業(yè)教育教師培訓(xùn)思路與策略研究[J].教育信息化論壇,2022,131(12):21-23.
[4] 王佳,趙耕云.基于OBE理念的單片機(jī)課程項(xiàng)目化教學(xué)改革探索[J].汽車實(shí)用技術(shù),2022,47(23):211-214.
[5] 孫百鳴,杜麗萍,陳志平.高職院校疫情防控期間線上教學(xué)的思考與實(shí)踐[J].黑龍江教育(高教研究與評估),2021(3):23-26.
[6] 丁莉,何波,丁有軍,等.Proteus仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2019(45):256-257.
Exploration of SCM Principle Course Reform in Automotive Major in Higher Vocational Colleges
WANG Xinyan1, LI Yichao2
( 1.College of Automotive Engineering, Tianjin Vocational University, Tianjin 300410, China; 2.Tianjin Dynamic Core Technology Company Limited, Tianjin 300240, China )
Single-chip microcomputer principle course is a basic course of automobile specialty. Through the analysis of the teaching status of this article, it is found that there are some problems in the actual teaching process.Combined with the typical application scenarios of automobile, the traditional teaching content is reconstructed logically, the hardware design is from easy to difficult, and the experiment is suitable for automobile application.In view of the curriculum schedule arrangement in the talent training program of higher vocational college students, taking into account the influence of the previous course, the actual teaching method is optimized to ensure the continuous level of teaching content.Adjust the proportion of time management hours, make the course teaching inclined to experimental teaching, explore new teaching mode, reasonable use of simulation software to improve the effect and quality of online teaching, and finally adopt diversified assessment methods for evaluation.Practice has proved that the curriculum reform has improved students' learning enthusiasm, cultivated engineering practice ability and broadened employment channels.
Single chip microcomputer;Teaching mode;Course reconstruction;Engineering practice
G642
A
1671-7988(2023)20-155-05
10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.031
王新艷(1987-),女,碩士,講師,研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù),E-mail:337683449@qq.com。
天津職業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革專項(xiàng)課題(JGZX2023010):崗課賽證融通新形態(tài)教材的探索與實(shí)踐。