尚 任

(吉林化工學院 航空工程學院，吉林 吉林 132022)

《單片機原理及應(yīng)用》課程是各大高等院校工科相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，具有理論與實踐緊密結(jié)合的課程特點[1]。即理論指導實踐，理論學習是實踐操作的基礎(chǔ)，而實踐是理論的鞏固和必要補充。我院針對航空電氣類高職專業(yè)學生開設(shè)《單片機原理及應(yīng)用》必修課程，對于《單片機原理及應(yīng)用》課程智慧課堂的實踐探索，為踐行“以學為中心”教學理念、實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型社會主義建設(shè)者和接班人具有重要意義。

近十年來，國內(nèi)各高校已經(jīng)開展了對線上+線下混合式教學的開發(fā)與實踐，尤其是在新冠病毒疫情爆發(fā)之后，線上+線下智慧課堂相關(guān)課題的研究數(shù)量呈井噴式上升。開展線上+線下混合式智慧課堂教學已成為國內(nèi)高校課堂教學的重要教學手段之一?，F(xiàn)有的線上教學改革與實踐主要從課程開發(fā)、師生主體研究、線上平臺技術(shù)分析等層面入手。對于課程的開發(fā)包括提高網(wǎng)絡(luò)教學資源與課程本身的貼合度[2]、探索線上教學模式[3-5]、增強線上教學內(nèi)容合理性[6]、改革考核評價方式[7-8]等；對于師生主體的研究包括建立有效監(jiān)督學生的機制[9]、提高教師綜合素質(zhì)[6]、體現(xiàn)線上教學過程中隊學生的個性化指導[7]等；針對線上平臺技術(shù)層面的問題，充分挖掘線上教學對于單片機相關(guān)課程理論與實踐教學的優(yōu)勢[10-11]，并提出了多種手段降低網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)等硬件原因?qū)虒W帶來的影響。

已有的大多數(shù)單片機相關(guān)課程的線上教學研究存在一些問題。第一，部分線上教學研究不夠深入，研究水平較低，以解決疫情后初次集中線上教學的問題(如線上平臺尚不穩(wěn)定、教師對線上平臺功能了解不夠深入等)為主，屬于探索類研究；第二，線上教學理念指導不突出，更重視線上課程實踐開發(fā)，沒有體現(xiàn)出理論指導實踐的必要性；第三，突出單片機類課程特色的線上教學少，且針對宏觀的線上教學課堂建設(shè)較多，針對具體章節(jié)的線上教學設(shè)計較少；第四，線上教學或線上+線下混合式教學的教學評價方式不夠全面，存在過于依賴線上平臺統(tǒng)計功能的現(xiàn)象，對不同層次學生的評價缺乏針對性。

對此，本文以“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”這一核心章節(jié)的講解為例進行線上+線下混合式智慧課堂的實踐與探索，闡述智慧課堂的設(shè)計思路，在智慧課堂創(chuàng)新的具體實踐中切實發(fā)揮單片機課程理論與實踐緊密結(jié)合的課程特點，充分體現(xiàn)智慧課堂特征高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特征，取得了良好的創(chuàng)新效果與階段性成果。為單片機類課程線上及線下教學的教學改革拓寬思路，具有較強的創(chuàng)新性和借鑒意義。

一、智慧課堂的設(shè)計思路

《單片機原理及應(yīng)用》課程的智慧課堂實踐，在明確教學內(nèi)容的教學目標、重點與難點的基礎(chǔ)上，以課程特點——理論與實踐緊密結(jié)合——為突破口，采用多樣化的教學與評價方法實現(xiàn)知識教學與專業(yè)能力培養(yǎng)目標，踐行“以學為中心”教學理念；并融入課程思政，落實“立德樹人”的根本任務(wù)，達成育人目標。對于《單片機原理及應(yīng)用》智慧課堂的整體設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 《單片機原理及應(yīng)用》智慧課堂的整體設(shè)計思路

二、智慧課堂創(chuàng)新的具體實現(xiàn)

(一) 智慧課堂教學內(nèi)容的選取

“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”是《單片機原理及應(yīng)用》課程的核心章節(jié)，是學生必須要掌握的重要學習內(nèi)容。中斷是AT89S51單片機的重要工作方式，主要用于實時監(jiān)測與控制，要求單片機能及時地響應(yīng)中斷請求源提出的服務(wù)請求，并快速響應(yīng)與及時處理。采用中斷技術(shù)可完全消除查詢方式的等待，大大提高了單片機工作效率和實時性。學生學好單片機的中斷系統(tǒng)，對學習整門課程起到事半功倍的作用；教師針對本章的教學設(shè)計與創(chuàng)新，對本課程的教學改革具有指導意義。

(二) 智慧課堂的教學目標與重、難點的挖掘

《單片機原理及應(yīng)用》課程的教學目標包括知識教學目標、能力培養(yǎng)目標和素質(zhì)培養(yǎng)目標三方面。對于教學內(nèi)容“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”來說，知識培養(yǎng)目標是掌握AT89S51單片機中斷系統(tǒng)的工作方式，并熟練掌握AT89S51單片機中斷源、相關(guān)SFR的設(shè)置方法與C51編程方法；能力培養(yǎng)目標是學會歸納和分析AT89S51中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并且能夠根據(jù)功能要求，獨立完成AT89S51中斷系統(tǒng)的硬件電路設(shè)置與C51軟件編程設(shè)計；素質(zhì)培養(yǎng)目標是學生能夠樹立獨立思考、辯證分析的科學思維，弘揚追求真理、嚴謹治學的求實作風與敢為人先的創(chuàng)新精神。

為有效實現(xiàn)以上教學目標，緊緊圍繞教學內(nèi)容，確立了基于AT89S51單片機中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖2)的理論學習重、難點以及基于AT89S51單片機中斷系統(tǒng)C51編程的實踐學習重、難點。

圖2 AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(三) 智慧課堂教學方法的選擇

根據(jù)《單片機原理及應(yīng)用》理論與實踐緊密結(jié)合的課程特點，緊緊圍繞“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”教學內(nèi)容，分別挖掘適用于理論與實踐的教學方法，以突破理論教學與實踐教學的重點難點，提高學生學習積極性與學習專注力，從而達到課程的知識教學目標、能力培養(yǎng)目標和素質(zhì)培養(yǎng)目標。具體教學方法設(shè)計如下。

1.線上+線下混合式教學法

教師上傳視頻、學習相關(guān)應(yīng)用程序、課件、參考教材等不同形式的線上學習資源，充分發(fā)揮超星學習通強大的軟件功能與實時統(tǒng)計能力，應(yīng)用到傳統(tǒng)課堂教學與評價體系中，鼓勵學生積極參與線上自主學習活動，利用線上+線下混合式教學法進一步提高傳統(tǒng)課堂啟發(fā)式教學的教學效果。

2.行動導向教學法

主要包括任務(wù)驅(qū)動教學法、案例教學法和模擬教學法。老師列舉學習和生活中的實例形象講授理論知識，并利用單片機仿真軟件Proteus和實驗箱演示并布置編程作業(yè)與實訓項目任務(wù)，鞏固課堂學習效果。

3.翻轉(zhuǎn)課堂

將學生分組，引導學生整合課堂已學知識，思考中斷響應(yīng)的條件與響應(yīng)過程，以小組為單位在學習通進行討論，教師根據(jù)學生的討論情況，進行總結(jié)與補充。

4.研討與探究

利用學習通軟件，在課程導入環(huán)節(jié)發(fā)起關(guān)于“單片機的工作方式有哪些？”主題討論。在新課講授環(huán)節(jié)發(fā)起關(guān)于“中斷響應(yīng)的條件與響應(yīng)過程”的分組討論，并講解“兩級中斷嵌套的應(yīng)用”例題，為課堂小結(jié)討論活動做鋪墊。在課程小結(jié)環(huán)節(jié)發(fā)起關(guān)于“學習或生活中哪些場景體現(xiàn)了中斷的工作方式，都是如何體現(xiàn)中斷優(yōu)先級關(guān)系的基本規(guī)則的？”的討論，加深學生對知識點的記憶。利用研討與探究，鍛煉學生的發(fā)散性思維，提高學生的團結(jié)協(xié)作能力，充分調(diào)動學生的學習積極性。

(四) 智慧課堂的教學過程設(shè)計

針對“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”教學內(nèi)容，智慧課堂分為課前準備、課堂教學和課后評價與總結(jié)共三個部分。在課前準備中，教師整理教學素材與教案，并上傳相關(guān)線上學習資源供學生課前預(yù)習。利用學習通查看學生的預(yù)習進度，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為評價學生學習積極性的數(shù)據(jù)來源之一。

在課堂教學中，教學過程主要分為組織課堂、課程導入、新課講授以及課程小結(jié)共四個環(huán)節(jié)。

1.在組織課堂環(huán)節(jié)，教師利用學習通點名，收集平時成績數(shù)據(jù)。

2.在課程導入環(huán)節(jié)，首先在學習通發(fā)起搶答“單片機的組成部分有哪些？”由此引出關(guān)于單片機工作方式的思考，即學習通發(fā)起討論并投屏“單片機的工作方式有哪些？”，投屏顯示學生作答并生成詞云，注重培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維。最后，教師以“網(wǎng)上購物”為例介紹單片機的三種主要工作方式(查詢、中斷和DMA)的工作機制(多媒體課件如圖3所示)，從而引出本節(jié)的學習內(nèi)容，即單片機的工作方式之一——“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”的學習?！熬W(wǎng)上購物”形象講解單片機三種主要工作方式的具體設(shè)計如下：

圖3 單片機的三種主要工作方式簡介

(1)查詢方式的工作機制是CPU時刻關(guān)注著某一狀態(tài)，一旦有變化，就做出相應(yīng)的反應(yīng)。即網(wǎng)上購物從付款開始后，就站在家門口等待，一直等到快遞員把貨物送到，此期間什么事情都不做。顯然，查詢方式的工作效率很低。

(2)中斷方式的工作機制是CPU做其他的事，當發(fā)生情況時，CPU被拉去處理發(fā)生的情況，之后就繼續(xù)原先的工作。即網(wǎng)上購物從付款開始后，正常做其他事情，快遞員會主動給打電話(中斷源發(fā)出中斷信號)，通知取快遞，接到電話后暫停當前的工作去領(lǐng)取貨物，然后回來接著做之前的工作，在日常生活中，大部分人使用的就是中斷方式，AT89S51這個型號的單片機主要也是中斷工作方式。

(3)無論是查詢和中斷，都需要CPU自己完成額外工作，而DMA方式的工作機制是讓小伙伴幫你去網(wǎng)上購買商品和收快遞，整個過程基本上不需要自己參與，可以完全專注于當前工作，DMA徹底解放了CPU，直接用存儲器存取。

3.新課講授環(huán)節(jié)是教學過程的核心環(huán)節(jié)，主要學習“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”的三方面內(nèi)容，分別是AT89S51單片機中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(理論學習)、中斷響應(yīng)機制(理論學習)以及中斷的C51編程方法及應(yīng)用實例(實踐學習)，具體設(shè)計見圖4。

圖4 新課講授環(huán)節(jié)教學過程設(shè)計

(1)在AT89S51單片機中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)小節(jié)學習中，教師介紹單片機中斷系統(tǒng)的作用，簡要講授中斷處理過程。重點介紹AT89S51單片機中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，使學生建立中斷系統(tǒng)的初步認識——縱向講解AT89S51單片機中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括中斷源、相關(guān)SFR的設(shè)置方法等知識點。在講解過程中，注重抽象理論知識的具體化，即用生活或課堂中的例子形象講解中斷優(yōu)先級關(guān)系的基本規(guī)則，并利用學習通發(fā)起隨堂測驗，夯實課堂學習成果。

(2)在中斷響應(yīng)機制小節(jié)學習中，利用學習通將學生分組，翻轉(zhuǎn)課堂，引導學生橫向分析AT89S51單片機中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，分析單片機響應(yīng)中斷請求的條件，描述單片機響應(yīng)中斷的。充分發(fā)揮學生的課堂主體作用，教師起到引導作用，根據(jù)學生的討論情況給予必要的知識補充與梳理。在學生的討論與自主學習過程中，自然引入課程思政，鼓勵學生樹立獨立思考、辯證分析的科學思維，做到“潤物細無聲”。

(3)在中斷的C51編程方法及應(yīng)用實例小節(jié)學習中，首先講授單片機中斷函數(shù)的基本語法，然后以“兩級中斷嵌套的應(yīng)用”為例題，分析題目含義，講授編程方法，并演示Proteus仿真實現(xiàn)。在本小節(jié)實踐教學中，引入創(chuàng)新思維的思政元素，鼓勵學生利用所學知識舉一反三，用多種方式實現(xiàn)功能，不斷寫出更簡單更優(yōu)化的程序，并布置作業(yè)要求學生用至少兩種方法完成例題的編程設(shè)計與調(diào)試，以強化實踐學習效果。

4.在課程小結(jié)環(huán)節(jié)的學習中，以學生為主導，通過學習通發(fā)起討論：“學習或生活中哪些場景體現(xiàn)了中斷的工作方式，都是如何體現(xiàn)中斷優(yōu)先級關(guān)系的基本規(guī)則的？”，投屏顯示學生作答并生成詞云，以學生為主導梳理整節(jié)課的教學內(nèi)容，教師查漏補缺，夯實學生的學習效果。

課堂教學后，還要進行課后評價與總結(jié)工作。根據(jù)課堂學生互動情況，結(jié)合學習通線上學情統(tǒng)計情況，以及學生作業(yè)完成情況，綜合、量化評價學生平時成績，并在線上和線下搜集教學反饋，進行教學反思，不斷優(yōu)化智慧課堂教學。

(五) 智慧課堂的考核評價方式創(chuàng)新

《單片機原理及應(yīng)用》課程采用過程性考核，根據(jù)課堂學生互動情況，結(jié)合學習通線上學情統(tǒng)計情況，以及學生作業(yè)完成情況，綜合、量化地評價課程效果；并采用不同層次的考核標準，擇優(yōu)推薦學生參加吉林省職業(yè)技能大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等，注重培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的水平和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實踐，充分挖掘?qū)W生潛能。對于“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”教學內(nèi)容，根據(jù)課堂學生互動情況，結(jié)合學習通線上學情統(tǒng)計情況，以及學生作業(yè)完成情況，綜合、量化評價學生平時成績。

三、智慧課堂特征的體現(xiàn)

《單片機原理及應(yīng)用》課程“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”教學內(nèi)容的智慧課堂建設(shè)充分體現(xiàn)了智慧課堂的高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度。

(一)在教學目標中，明確知識教學目標、能力培養(yǎng)目標和素質(zhì)培養(yǎng)目標，培養(yǎng)學生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維的同時，發(fā)揮課堂育人功能，使智慧課堂具有高階性；

(二)課堂合理運用信息化的教學手段，開展基于“學習通”的線上+線下混合式教學。由組織課堂、課程導入、新課講授以及課程小結(jié)四個環(huán)節(jié)展開教學，活用“學習通”的簽到、教案、主題討論、分組任務(wù)及投屏等功能，并且為充分體現(xiàn)課程理論與實踐緊密結(jié)合的特點，新課講授環(huán)節(jié)以“AT89S51的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖”為核心，包括理論教學和實踐演示兩部分。理論教學縱向講解SFR知識點，橫向闡明中斷響應(yīng)機制，實踐演示C51例程并仿真演示運行效果，充分體現(xiàn)了智慧課堂的創(chuàng)新性；

(三)課程采用過程性考核，并建立不同層次的考核標準，初級考核目標是學生通過各項過程性考核，高級考核目標是擇優(yōu)推薦學生參加吉林省職業(yè)技能大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等，使智慧課堂具有挑戰(zhàn)度。

四、智慧課堂教學創(chuàng)新效果與成果

通過兩學期線上+線下智慧課堂教學改革的實施，取得了良好的教學效果與豐富的教學成果。

(一) 使課堂更加開放高效

學生更加勇于表達自己的見解，更多地參與到課堂活動中來；師生、生生間溝通交流個性化，提高了教學效率。

(二) 促進了合作探究學習

采取小組討論、合作探究等學習方式，幫助學生形成學習共同體，有利于促進知識的內(nèi)化。

(三) 優(yōu)化了人才培養(yǎng)模式

智慧課堂有利于教師發(fā)揮引導作用，幫助學生個性化學習。推薦了三位學生參加2021年吉林省職業(yè)技能大賽“電子產(chǎn)品設(shè)計與制作”賽項，取得省級三等獎的好成績。

目前，已將智慧課堂教學改革推廣應(yīng)用到其他理論課程中；《單片機原理及應(yīng)用》智慧課堂已成為我院輸送大賽優(yōu)秀學生選手的重要途徑。

五、結(jié) 語

以“AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)”章節(jié)為例，結(jié)合知識點的講解，將《單片機原理及應(yīng)用》課程的智慧課堂建設(shè)在具體實例中展開，在教學目標中注重學生知識、能力與素質(zhì)的培養(yǎng)，根據(jù)教學內(nèi)容合理設(shè)置教學重、難點，以課程特點理論與實踐緊密結(jié)合為突破口，采用多樣化的教學與考核評價方法實現(xiàn)知識教學與專業(yè)能力培養(yǎng)目標，踐行“以學為中心”教學理念，并融入課程思政，落實“立德樹人”的根本任務(wù)，達成育人目標。本智慧課堂的建設(shè)，有效提高了課程的教學質(zhì)量，充分體現(xiàn)了學生的課堂主體作用，對實踐水平要求較高的其他工科類課程的線上教學或線上+線下混合式教學的智慧課堂建設(shè)具有一定的參考價值。