田會峰， 劉永良， 趙　麗

(江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 江蘇 張家港 215600)

0　引言

如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)效率，加強學(xué)生的實踐能力成為當(dāng)前高校需要解決的問題之一。學(xué)習(xí)金字塔理論主要研究被動學(xué)習(xí)與主動學(xué)習(xí)之間的學(xué)習(xí)效果差異。

近年來， “翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)正在興起，它創(chuàng)造了一種混合使用技術(shù)和親自動手活動的教學(xué)環(huán)境。在翻轉(zhuǎn)課堂中，典型的課題講解時間由實驗和課內(nèi)討論等活動所代替，而課堂講解內(nèi)容則以視頻等其他媒介形式由學(xué)生在課外活動時間完成。其作為一種國際化創(chuàng)新型教學(xué)模式，有著傳統(tǒng)教學(xué)所無法比擬的獨特優(yōu)勢[1-2]。

在我國高校工科專業(yè)中，已普遍開設(shè)了單片機及其相關(guān)課程。因此，將學(xué)習(xí)金字塔理論與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于實踐性很強的單片機課堂教學(xué)中，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和提高學(xué)習(xí)效果。

1　單片機課程教學(xué)存在的問題

現(xiàn)在我國大多數(shù)高校的單片機課程教學(xué)內(nèi)容較為單一，工程背景不強、綜合訓(xùn)練程度不夠，造成學(xué)生對單片機技術(shù)理解不透徹、實踐動手能力普遍較弱[3]。具體來講，單片機教學(xué)主要存在以下三個方面的問題。

1.1　學(xué)時設(shè)置的問題

一般工科院校設(shè)置的單片機課程分為兩大類，一類是電類專業(yè)，另一類是非電類專業(yè)。電類專業(yè)一般在學(xué)單片機之前，都會先學(xué)“微機原理與接口技術(shù)”這門課，該課程學(xué)時較多。以我校電氣工程及其自動化專業(yè)為例，“微機原理與接口技術(shù)”為72學(xué)時，“單片機原理及應(yīng)用”為48學(xué)時，相對說來后者少了一些；而我校非電類專業(yè)，比如機械電子工程專業(yè)，沒有開設(shè)“微機原理與接口技術(shù)”課程，因此，這些專業(yè)的“單片機原理及應(yīng)用”為72學(xué)時。這些課時中實驗課時只占理論課時的1/2，甚至更少。

單片機是電類專業(yè)核心課程，理論學(xué)時的不足，決定了該課程不能按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，而實踐學(xué)時少也不能滿足學(xué)生實踐能力的鍛煉。

1.2　教學(xué)方法的問題

單片機的傳統(tǒng)教學(xué)方式是按照知識結(jié)構(gòu)體系，將課程理論教學(xué)與實踐教學(xué)分開，課堂教學(xué)以理論為主，實踐教學(xué)一般采用單片機實驗箱進(jìn)行驗證性實驗[4]。

教學(xué)方式也是教師講授為主，學(xué)生靜侯聽講，再安排一定學(xué)時的實驗。由于單片機課程具有很強的實踐性，學(xué)生如果不親手實踐，僅僅是做幾個課內(nèi)實驗，很難真正學(xué)好這門課程。

1.3　實驗設(shè)計的問題

目前的單片機實驗，一般都是課內(nèi)實驗，學(xué)時較少。實驗設(shè)備一般是帶有源程序的實驗箱或開發(fā)板，學(xué)生做實驗時不需要自己獨立編程，只是簡單地用導(dǎo)線把硬件連接起來，然后將源程序下載到單片機內(nèi)，運行調(diào)試，查看結(jié)果。這些操作使學(xué)生無法深刻理解和掌握單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及使用C語言編程實現(xiàn)系統(tǒng)要求[5]。

因此，針對單片機總課時少，實踐學(xué)時所占比小等問題，我們在學(xué)習(xí)金字塔理論的基礎(chǔ)上，提出了翻轉(zhuǎn)課堂與CDIO理念相結(jié)合的單片機教學(xué)方法。

2　學(xué)習(xí)金字塔理論與翻轉(zhuǎn)課堂模型

2.1　學(xué)習(xí)金字塔理論

學(xué)習(xí)金字塔理論是美國學(xué)者艾德加˙戴爾在1946年提出的，該理論用金字塔模型和具體數(shù)字直觀地展示了采用不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)者在兩周以后還能記住學(xué)習(xí)內(nèi)容的比例[6-7]。

學(xué)習(xí)金字塔自頂向底共有七層組成，每層是一類學(xué)習(xí)方式，其組成結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)效果對比示于表1。

表1　學(xué)習(xí)金字塔理論不同方式的學(xué)習(xí)效果

在金字塔的最頂端的學(xué)習(xí)方式是“聽講”，這是我們最常用的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)效果也是最差的，兩周后學(xué)習(xí)內(nèi)容的平均保存率僅有5%。這是一種被動學(xué)習(xí)類型，學(xué)習(xí)的參與度是最低的。第一層到第四層都是被動學(xué)習(xí)，學(xué)生的參與度都很低，學(xué)習(xí)的保存率都沒有高于30%。第五層學(xué)習(xí)方式是“討論”，這種學(xué)習(xí)方式，學(xué)生積極參與，能把學(xué)習(xí)的內(nèi)容更深入的理解，由被動學(xué)習(xí)變?yōu)榱酥鲃訉W(xué)習(xí)，因此學(xué)習(xí)效果比較好，能到達(dá)50%。第六層學(xué)習(xí)方式是“實踐”，也就是“做中學(xué)”或“實際演練”，這正是在國內(nèi)外廣泛流行的CDIO理念學(xué)習(xí)方式，其學(xué)習(xí)保存率可達(dá)75%。最后一層即底端是“應(yīng)用”，這種學(xué)習(xí)方式是“教授給他人”或“馬上使用”，是讓學(xué)生把所學(xué)內(nèi)容立即應(yīng)用，或是讓學(xué)習(xí)者能夠把所學(xué)知識傳授給他人。要想把所學(xué)知識應(yīng)用或傳授給他人，必須要求學(xué)習(xí)者對所學(xué)內(nèi)容有更加深入地理解和掌握，因此這種學(xué)習(xí)方式是最好的，其學(xué)習(xí)保存率高達(dá)90%。

2.2　設(shè)計自主學(xué)習(xí)任務(wù)

單片機內(nèi)容主要包括：單片機內(nèi)核、匯編語言編程、存儲器、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、I/O接口、串行口、A/D和D/A等。此外，還需要讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)Keil uVision集成開發(fā)環(huán)境和C51語言編程。

教師要根據(jù)單片機課程教學(xué)內(nèi)容制定學(xué)生自主學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在課外時間觀看教學(xué)視頻或教學(xué)課件進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時教師還需要制作微視頻和提出設(shè)計項目，讓學(xué)生以團(tuán)隊形式自主學(xué)習(xí)，這樣既可以相互幫助解決遇到的學(xué)習(xí)問題，又可以鍛煉學(xué)生相互協(xié)作的團(tuán)隊精神。

2.3　翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

翻轉(zhuǎn)課堂是運用現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)知識傳授與知識內(nèi)化的顛倒式教學(xué)模式，是一種師生互動、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的有力手段，真正體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育理念[8-10]。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式能夠讓學(xué)生充分利用課外時間，以此彌補課堂時間的不足。

CDIO理念是由美國麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)經(jīng)歷4年的探索最后創(chuàng)立的工程教育理念[11]，它強調(diào)在加強基礎(chǔ)教育的同時，加強實踐環(huán)節(jié)，以項目實踐教學(xué)完成了CDIO模式的整個過程[12-13]。圖1所示的正是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型。

圖1　翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)模型

在學(xué)習(xí)金字塔理論的基礎(chǔ)上，采用翻轉(zhuǎn)課程與CDIO理念相結(jié)合的方式組織教學(xué)，教師與學(xué)生角色互換，教師不再是知識的唯一傳授者，學(xué)生之間也可以相互學(xué)習(xí)，這對師生都提出了更高的要求[14]。

2.4　翻轉(zhuǎn)課堂具體實施

在翻轉(zhuǎn)課堂具體實施的過程中，將課程內(nèi)容分為知識重難點的討論、知識應(yīng)用的討論以及知識深化的討論。

(1)知識重難點的討論主要是針對課程的重點和難點開展的課堂討論。比如單片機課程中關(guān)于存儲器、定時器/計數(shù)器、中斷等知識點開展討論，加強學(xué)生對這些知識的深入理解。其他相關(guān)知識點，由教師引導(dǎo)學(xué)生在課余時間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，針對學(xué)習(xí)中不理解的知識，教師在課堂上集中講解。這種針對具體知識點的講解和討論能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

(2)知識應(yīng)用的討論是指以項目驅(qū)動形式開展知識點應(yīng)用的討論，針對像單片機這種實踐性很強的課程，真正實現(xiàn)“理論+實踐”的教學(xué)模式。學(xué)生將課外時間做項目遇到的實際問題在課前提交給教師，教師總結(jié)分類后，選擇共性的或有代表性的問題在課堂上與學(xué)生討論，其他的個性化問題，教師在課后單獨輔導(dǎo)。

(3)知識深化的討論一般放在課程結(jié)束前由教師組織一次關(guān)于課程的全面綜合討論以及今后如何繼續(xù)學(xué)習(xí)的輔導(dǎo)。比如，單片機課程結(jié)束后，如何進(jìn)一步學(xué)習(xí)32位高端單片機以及32位單片機的應(yīng)用進(jìn)行一次討論。

課堂討論主要注意課前收集問題，并對其進(jìn)行分類和提取典型問題；其次是組織討論要以具體問題為中心，教師引導(dǎo)每組學(xué)生積極參與，記錄學(xué)生討論情況，作為考核指標(biāo)之一；最后是課堂討論的總結(jié)，對課程知識難點與重點以及知識應(yīng)用遇到的問題及時總結(jié)。

在每次課堂討論中，教師記錄每個學(xué)生對知識點的掌握情況。課程是以項目團(tuán)隊的形式組織討論，教師重點關(guān)注每個團(tuán)隊中每次討論不積極或?qū)χR點掌握不深入的學(xué)生，單獨對其進(jìn)行輔導(dǎo)。

2.5　轉(zhuǎn)變課程考核模式

目前單片機課程的考核方式大多采用閉卷考試，學(xué)生死記硬背硬件內(nèi)容和軟件指令，考完后很快就會忘掉，但開發(fā)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的能力卻沒有得到任何提高[15]。這種考核的弊端卻在于僅僅以一次考試就決定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，不能充分考查出學(xué)生的能力，顯然不是最優(yōu)的考查方式。

為了克服這種傳統(tǒng)的考核方式，我們在實際教學(xué)過程中，將單片機整體內(nèi)容分解成若干個設(shè)計項目，每個項目要考核3-4個知識點，也就是讓學(xué)生完成3-4個任務(wù)。在對項目檢查時，記錄每個學(xué)生的成績。結(jié)合平時的小項目以及最終的綜合項目成績，這樣在整個課程結(jié)束時，大約有8-10個項目的成績，從而形成最終的課程成績。這種綜合型考核方式，能有效避免學(xué)生因特殊原因?qū)е鲁煽儾环蠈嶋H的偶然性。

單片機課程的實踐性很強，而且在實際工業(yè)和生活中應(yīng)用非常廣泛，很容易設(shè)計出各種不同的綜合項目選題。表2所示為學(xué)生部分綜合項目選題。

在單片機課程的教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔理論，融合多種學(xué)習(xí)方式，構(gòu)建階梯式學(xué)習(xí)模式。將課程內(nèi)容分為三大部分：第一部分是需要理解和記憶的基礎(chǔ)知識，如單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、匯編指令等；第二部分是單片機各功能模塊的應(yīng)用，如存儲器應(yīng)用、I/O接口應(yīng)用、定時器/計數(shù)器應(yīng)用、中斷系統(tǒng)應(yīng)用、串行口應(yīng)用、A/D和D/A等。第三部分是各功能模塊的綜合應(yīng)用。

針對第一部分，主要采取閱讀相關(guān)內(nèi)容、觀看微視頻；第二部分的學(xué)習(xí)采用討論和做中學(xué)的方法。每塊內(nèi)容都設(shè)計幾個項目，讓學(xué)生以學(xué)習(xí)小組的形式組成“敏捷島”，每個“敏捷島”由3-4個學(xué)生組成，分為項目負(fù)責(zé)人、硬件工程師、軟件工程師和技術(shù)支持等。大家在完成項目過程中，相互討論項目技術(shù)路線，技術(shù)難點等。第三部分的學(xué)習(xí)是讓學(xué)生做一個綜合的應(yīng)用系統(tǒng)，充分利用學(xué)習(xí)金字塔理論中最后的學(xué)習(xí)方式——“應(yīng)用”。在學(xué)習(xí)完單片機基礎(chǔ)知識以及各個功能模塊的應(yīng)用之后，讓學(xué)生以團(tuán)隊形式完成一個綜合的應(yīng)用系統(tǒng)，才能使學(xué)生真正掌握單片機的應(yīng)用。

表2　部分綜合項目選題

3　教學(xué)效果

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實施，激發(fā)了學(xué)生對單片機學(xué)習(xí)的興趣。以前大部分學(xué)生學(xué)習(xí)該課程都是為了拿到課程的學(xué)分，現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)生都真正體驗到了自己獨立完成一個有實際應(yīng)用價值的單片機系統(tǒng)的樂趣，從而使得學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。另一方面，由于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高了，參加相關(guān)的競賽活動的學(xué)生數(shù)每年都在增加，諸如：全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、“恩智浦杯”全國大學(xué)生智能汽車競賽、“賽佰特杯”全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計大賽、“TI杯”全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽、“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽等，每年在省級、華東賽區(qū)和全國總決賽均有獲獎，取得了優(yōu)異的成績。

4　結(jié)語

翻轉(zhuǎn)課堂作為一種新穎的教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)順序以及師生角色，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，真正讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，注重學(xué)生的個性發(fā)展。學(xué)習(xí)金字塔理論強調(diào)了做中學(xué)和立即應(yīng)用，這與CDIO理念是融會貫通的，都是讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)理論知識。將翻轉(zhuǎn)課堂與CDIO理念相結(jié)合能充分發(fā)揮彼此的優(yōu)勢。

教師在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中主要起到“解惑”作用，同時教師也可以將自己的項目經(jīng)驗傳授給學(xué)生，以提高學(xué)生解決問題的能力。這對于像單片機這類實踐性很強的課程來說，尤其顯得重要。因此，翻轉(zhuǎn)課堂與CDIO相結(jié)合的教學(xué)模式，具有較強的應(yīng)用價值和推廣意義。

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