熊杰 蘭智高

摘要：以地方普通高校工科專業(yè)改革為導(dǎo)向，分析了地方本科高校試點(diǎn)改革學(xué)院《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，借鑒CDIO工程教育理念中“做中學(xué)”經(jīng)驗(yàn)，提出了“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)改革的新思路，文中以藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板為案例，以任務(wù)式教學(xué)方式對(duì)實(shí)驗(yàn)課程中知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，實(shí)施了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，討論了實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核，并對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)積極性均得到了較大的提高，成績(jī)優(yōu)秀比率也有顯著增加。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī); CDIO;項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);藍(lán)牙技術(shù);籃球計(jì)分板

中圖分類號(hào)： G424 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）34-0141-03

1 引言

為了應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)全球化形勢(shì)下的產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新工程人才的大量需求， 設(shè)在北京交通大學(xué)的聯(lián)合國(guó)教科文組織產(chǎn)學(xué)合作教席提出了工程教育改革的三個(gè)戰(zhàn)略：“做中學(xué)”、產(chǎn)學(xué)合作與國(guó)際化[1]。約翰.杜威（John Dewey ，1859～ 1952）首先提出“做中學(xué)”的學(xué)習(xí)方法，“做中學(xué)”原則更加有利于強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)中的主導(dǎo)地位，建立現(xiàn)代教學(xué)中的新型師生關(guān)系。在地方高校中，傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)度強(qiáng)調(diào)以教師為中心， 在教學(xué)中表現(xiàn)為教師的以灌輸知識(shí)，而學(xué)生則被動(dòng)地接受知識(shí)，這種教育方式大大的削減了學(xué)生掌握知識(shí)的主動(dòng)性和積極性。而基于CDIO工程教育中要求在高校生活與學(xué)習(xí)中強(qiáng)調(diào)學(xué)生成為積極主動(dòng)的參與者， 而教師則是學(xué)生活動(dòng)的協(xié)助者[2]。

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)是黃岡師范學(xué)院電子信息工程專業(yè)和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課程，其主要目的是在理論教學(xué)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和編程能力，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力具有較高的要求。然而，在本校中，傳統(tǒng)單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相互獨(dú)立，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng);（2）實(shí)踐項(xiàng)目缺乏實(shí)用性、具體性;（3）綜合性實(shí)驗(yàn)不多，且需要重新設(shè)計(jì);（4）學(xué)生對(duì)項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)，任務(wù)分解能力掌握不夠。

基于以上提出的幾個(gè)問(wèn)題，對(duì)試點(diǎn)改革專業(yè)電子信息專業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)改革，在單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中融入“做中學(xué)”的教學(xué)理念，其主要思想是把設(shè)計(jì)任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)設(shè)計(jì)為一個(gè)子項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，在教學(xué)過(guò)程中，單片機(jī)I/O口輸入輸出、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷、串口等知識(shí)點(diǎn)融入子項(xiàng)目中，最終在單個(gè)子項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，完成較為系統(tǒng)和復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)。本文將籃球計(jì)分板為研究案例，拓展藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板的設(shè)計(jì)。

2 《單片機(jī)原理及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)實(shí)施策略探析

實(shí)踐動(dòng)手能力是試點(diǎn)改革學(xué)院電子信息工程試點(diǎn)專業(yè)中應(yīng)用性人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。在單片機(jī)原理及應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，增加工程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，按照工程項(xiàng)目來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]。

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)置應(yīng)通過(guò)與時(shí)俱進(jìn)，結(jié)合學(xué)生感興趣技術(shù)，本文以基于藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板為案例，介紹了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)改革的具體內(nèi)容。該系統(tǒng)既包含單片機(jī)I/O口、定時(shí)器、中斷、串口通信等基礎(chǔ)知識(shí)，又能通過(guò)一個(gè)完整的項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生能學(xué)到基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)也能鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，真正實(shí)現(xiàn) “做中學(xué)”戰(zhàn)略思想。藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板結(jié)合電子技術(shù)、串口技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)以及單片機(jī)接口技術(shù)等知識(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教師主要采取引導(dǎo)為主，按照學(xué)生興趣愛(ài)好、知識(shí)掌握程序自愿分組，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng);參考CDIO工程教育模式，以籃球計(jì)分板為設(shè)計(jì)案例，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，任務(wù)分解，理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力以及工程實(shí)踐能力。通過(guò)任務(wù)式、啟發(fā)式、分組式、討論式、研究式等教學(xué)方法， 在任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目下構(gòu)建“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)階實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，體現(xiàn)工程教育的新模式[2]。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系

內(nèi)容體系的基本思想是分解“單片機(jī)原理及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容為若干個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)共分為3種類型分別為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)旨在教授學(xué)生掌握單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，理解基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)原理。進(jìn)階實(shí)驗(yàn)是通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是綜合進(jìn)階實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以實(shí)際項(xiàng)目為背景，完成整個(gè)項(xiàng)目。三個(gè)階段相互關(guān)聯(lián)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)階實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，進(jìn)階實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)階實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用。

單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱分為32學(xué)時(shí)，具體知識(shí)點(diǎn)及學(xué)時(shí)分布見(jiàn)表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)完整的工程課題，通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)階實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)通過(guò)完整的課題設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)階實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)階實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步拓展。

（1） 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生掌握KEIL軟件，單片機(jī)I/O口，定時(shí)器，中斷及串口等操作，通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟悉單片機(jī)編程環(huán)境，掌握單片機(jī)硬件編程方法，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)任務(wù)圖如圖3所示。

（2） 進(jìn)階實(shí)驗(yàn)

進(jìn)階實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合，以籃球計(jì)分板為研究目標(biāo)，結(jié)合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)籃球計(jì)分板功能，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其中單片機(jī)控制數(shù)碼管硬件電路未畫(huà)出。。

通過(guò)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握單片機(jī)I/O口輸入/輸出編程方法，掌握單片機(jī)控制數(shù)碼管的方法，掌握單片機(jī)定時(shí)器使用方法。掌握單片機(jī)通過(guò)串口控制藍(lán)牙模塊HC-06編程方法。

（3） 系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加上位機(jī)軟件，通過(guò)上位機(jī)軟件控制單片機(jī)，從而能夠改變顯示屏數(shù)據(jù)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制目的。

通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與步驟，進(jìn)一步掌握程序調(diào)試的方法，增加團(tuán)隊(duì)合作精神。

學(xué)生除了在上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)階段掌握基礎(chǔ)知識(shí)外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)：

（1）對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)不分組，進(jìn)階實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分組，每組3個(gè)同學(xué)，分組采取自愿原則與互補(bǔ)原則相結(jié)合，綜合考慮學(xué)生特長(zhǎng)，動(dòng)手能力，硬件軟件愛(ài)好遵循“組內(nèi)有別，組間相似”的原則，主要目的是讓每個(gè)小組中既能讓學(xué)生發(fā)揮自己的長(zhǎng)處，也能培養(yǎng)大家團(tuán)結(jié)合作精神，而且在完成任務(wù)過(guò)程中，也能相互學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)自己的不足。這樣的分組模式可以保證了每個(gè)小組成員組成的多樣性，同時(shí)培養(yǎng)他們合作交流的能力，在不斷學(xué)習(xí)中激發(fā)更多有價(jià)值的觀點(diǎn)，豐富學(xué)生的綜合知識(shí)[4]。

（2）實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目的分解

本課程依據(jù)“做中學(xué)”理念，根據(jù)“藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板”設(shè)計(jì)要求，把籃球計(jì)分板中大任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)形成一個(gè)相對(duì)基礎(chǔ)的子項(xiàng)目，如表1所示。子項(xiàng)目的實(shí)踐內(nèi)容遵循與單片機(jī)理論知識(shí)同步，最終完成一個(gè)藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板。

（3）分組答辯

采取畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯方式以組為單位進(jìn)行答辯，答辯學(xué)生應(yīng)從原理，硬件電路，軟件流程圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面進(jìn)行展示。

2.3 實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定

完善科學(xué)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)考核體系，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，同時(shí)也能在一定較大程序上最大限度的發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平[3]。鑒于上述提到的幾點(diǎn)重要性，通過(guò)參照CDIO工程教育模式理念，精心設(shè)計(jì)，形成了較為完整的實(shí)單片機(jī)課程驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系，如表2所示。

單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系分別從學(xué)生提情預(yù)習(xí)情況，過(guò)程操作完成情況，實(shí)驗(yàn)報(bào)告等3個(gè)考察點(diǎn)對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行考核。

2.4 課程改革成效

該課程由同一個(gè)教師在電子信息工程專業(yè)2016級(jí)和2017級(jí)中分別用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與改革實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，明顯可以看出，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣深厚，由于課程采用的是實(shí)驗(yàn)分組，分工協(xié)作，需要每個(gè)同學(xué)都一起學(xué)習(xí)才能完成實(shí)驗(yàn)操作，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。通過(guò)對(duì)改革實(shí)驗(yàn)的精心設(shè)計(jì)，每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)均是后續(xù)進(jìn)階實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，環(huán)環(huán)相扣，表3給出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革前后評(píng)判的對(duì)比。

從表3中可以看出，不管是學(xué)習(xí)興趣與團(tuán)隊(duì)合作，還是基礎(chǔ)知識(shí)與綜合知識(shí)，都比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有較大的提高，成績(jī)優(yōu)秀學(xué)生比例明顯提高。除此之外，學(xué)生熟悉了整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生申報(bào)2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽獲得省級(jí)立項(xiàng)。

3 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為單片機(jī)理論課程教學(xué)的有力補(bǔ)充，其有助于幫助學(xué)生理解單片機(jī)的基本概念和基本結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。文中在傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上融入基于“做中學(xué)”理念，以藍(lán)牙技術(shù)籃球計(jì)分板設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為案例，提出了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“做中學(xué)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)施方案。秉承工程教育專業(yè)認(rèn)證的“成果導(dǎo)向”基本理念，針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)單一，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)模式和評(píng)價(jià)機(jī)制進(jìn)行了探索。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明：基于“做中學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式既能激發(fā)學(xué)生動(dòng)手能力，編程能力，使學(xué)生掌握系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、任務(wù)細(xì)化的能力，同時(shí)也能提高學(xué)生創(chuàng)新能力、學(xué)生綜合分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程改革2年多來(lái)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，實(shí)驗(yàn)技能，以及對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的原理理解都有了更加深入的理解。

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