謝勇勤， 王懷平， 胡開明， 馬善農(nóng)， 艾群磊

(1.東華理工大學(xué) 江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3.北京杰創(chuàng)永恒科技有限公司，北京 102200)

隨著智能互聯(lián)數(shù)字化時(shí)代的到來，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”正在影響和改變學(xué)校傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式，慕課、雨課堂、云平臺(tái)虛擬實(shí)驗(yàn)室等新的教學(xué)形式猶如雨后春筍般出現(xiàn)，課程的教學(xué)資源通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)共享，打破了學(xué)校傳統(tǒng)課程教學(xué)與管理的時(shí)間和空間壁壘，滿足了人才培養(yǎng)的開放性和個(gè)性化需求[1, 2]。

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程是電子信息類專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，是專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心單元。課程以單片機(jī)的硬件組成、工作原理以及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法等為主要教學(xué)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)技能、提高利用單片機(jī)技術(shù)解決實(shí)際工程問題的能力為教學(xué)目的[3]。課程總學(xué)時(shí)為56學(xué)時(shí)，其中理論40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。該課程具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要，它是有效達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo)和夯實(shí)課程教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

作為制造業(yè)大國，為了提高工程技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量與國際競爭力，我國實(shí)施了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”、工程教育專業(yè)認(rèn)證等一系列高等工程教育戰(zhàn)略，并且在工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式改革、校企合作協(xié)同育人、工科教師隊(duì)伍建設(shè)和工程教育面向世界等方面取得了優(yōu)秀成果[4，5]。工程教育專業(yè)認(rèn)證工作促進(jìn)了教育界與企業(yè)界的深度融合，它提出了“學(xué)生中心、OBE和持續(xù)改進(jìn)”工程教育的三個(gè)核心理念，其中OBE指的是成果導(dǎo)向教育(也稱作基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式)，它采用反向的教學(xué)設(shè)計(jì)原則，從需求著手，由需求決定培養(yǎng)目標(biāo)，由培養(yǎng)目標(biāo)決定畢業(yè)要求，最后由畢業(yè)要求來決定課程體系。

為了契合工程教育專業(yè)認(rèn)證對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的要求，根據(jù)行業(yè)對單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)人才的需求情況。本研究立足于工程教育專業(yè)認(rèn)證下單片機(jī)課程建設(shè)與改革，引入OBE工程教育理念，在充分把握市場需求的基礎(chǔ)上，探索構(gòu)建以學(xué)生為主體、以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向、校企合作、產(chǎn)學(xué)結(jié)合、虛實(shí)一體的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革途徑。

1 “杰創(chuàng)云+口袋機(jī)”虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)是單片機(jī)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則是實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)之根本條件。傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是在規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)，學(xué)生在教師指導(dǎo)下被動(dòng)地完成指定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；受實(shí)驗(yàn)條件限制，難以滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工程聯(lián)系不夠緊密，不利培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力；考核評價(jià)方案簡單，難以形成真實(shí)有效的教學(xué)反饋。因此，傳統(tǒng)教學(xué)模式的效果一般，達(dá)不到工程教育專業(yè)認(rèn)證課程目標(biāo)要求?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+教育”給傳統(tǒng)教育教學(xué)帶來挑戰(zhàn)的同時(shí)，也帶來了發(fā)展機(jī)遇，為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持。本研究通過校企合作，利用“杰創(chuàng)云”構(gòu)建了單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室由校園網(wǎng)(或者因特網(wǎng))、遠(yuǎn)程云端服務(wù)器、交換機(jī)、PC終端組成，如圖1所示?！敖軇?chuàng)云”單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備數(shù)據(jù)采集與共享，還能夠?qū)崿F(xiàn)PC終端(客戶端)對實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先在IE瀏覽器客戶端完成硬件電路設(shè)計(jì)，然后加載編譯好的應(yīng)用程序代碼，最后啟動(dòng)運(yùn)行就可以觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛實(shí)結(jié)合“杰創(chuàng)云”單片機(jī)實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，可以隨時(shí)隨地開展單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳數(shù)據(jù)庫后，教師可以隨時(shí)隨地檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，做到及時(shí)反饋與指導(dǎo)。

圖1 “杰創(chuàng)云”虛實(shí)結(jié)合單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室組成框圖

單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室是近年來為滿足單片機(jī)實(shí)驗(yàn)個(gè)性化教學(xué)的產(chǎn)物，所謂口袋實(shí)驗(yàn)室是指不受時(shí)間和空間限制，實(shí)驗(yàn)功能豐富的小型開發(fā)板，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和二次開發(fā)[6-8]?！敖軇?chuàng)”STC系列單片機(jī)口袋機(jī)具有尺寸小、方便攜帶、功能全、擴(kuò)展板卡豐富等特點(diǎn)，其整機(jī)外觀和核心板組成。該口袋機(jī)主要由核心板和擴(kuò)展板組成，核心板為IAP15W4K單片機(jī)最小系統(tǒng)，方便二次開發(fā)，擴(kuò)展板主要包括撥碼開關(guān)模塊、繼電器模塊、紅外測距傳感器、溫度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交通燈模塊、LCD1602液晶模塊等，完全滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要[9]。

“杰創(chuàng)云”虛實(shí)結(jié)合單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室和“杰創(chuàng)”STC單片機(jī)口袋機(jī)構(gòu)成了新的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。這完全滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證課程建設(shè)的需求，可以滿足隨時(shí)隨地開展單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的個(gè)性化學(xué)習(xí)期望，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式總結(jié)起來有以下四個(gè)特點(diǎn)。第一，“杰創(chuàng)云”虛實(shí)結(jié)合單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，打破了原有傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)空限制，可以隨時(shí)隨地開展單片機(jī)實(shí)驗(yàn)；第二，采用市場占有率高的單片機(jī)芯片，使用統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)教程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合更為緊密；第三，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為本、因材施教，實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)更為方便有效，有利于形成良好教學(xué)互動(dòng)和實(shí)時(shí)反饋；第四，促進(jìn)了校企合作和產(chǎn)學(xué)結(jié)合，密切了教育界和企業(yè)界的關(guān)系。

2 整合優(yōu)化教學(xué)資源，構(gòu)建層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系

根據(jù)單片機(jī)課程教學(xué)大綱對知識(shí)、能力和素質(zhì)的教學(xué)要求，本研究整合原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化并構(gòu)建了具有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，如圖2所示。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師給出硬件原理圖和主要程序流程圖，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上完成硬件電路連接，在Keil集成開發(fā)環(huán)境完成應(yīng)用程序編輯、編譯，最后下載運(yùn)行，并通過反復(fù)調(diào)試完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是要求學(xué)生掌握單片機(jī)I/O口、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器中斷、外部中斷以及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換等基本應(yīng)用，為綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。綜合實(shí)驗(yàn)以簡單數(shù)字系統(tǒng)為主，給出功能要求及性能指標(biāo)，利用口袋機(jī)(或?qū)嶒?yàn)箱)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主要來自國家級/省級大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽選題、教師科研課題以及自選創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性和挑戰(zhàn)性，要求學(xué)生系統(tǒng)地完成方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序編寫，通過調(diào)試最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用綜合素質(zhì)。層次化教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了因材施教的教育理念，既滿足了普通學(xué)生的課程教學(xué)需要，又為基礎(chǔ)好、能力強(qiáng)的學(xué)生提供了更加深厚的工程實(shí)踐土壤[10]。

3 量化考核指標(biāo)，制訂更加完善的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)方案

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中對學(xué)生所具備的相關(guān)知識(shí)、能力和素質(zhì)做到真實(shí)準(zhǔn)確的量化考評，可以準(zhǔn)確評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果，形成有效教學(xué)反饋[11]。傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)考核方法是：課前檢查預(yù)習(xí)報(bào)告，課中驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果，課后批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于時(shí)間緊、任務(wù)重，教師只能對學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行粗略評價(jià)[12]。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通過“互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)庫”來管理學(xué)生單片機(jī)實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等都可以利用IE瀏覽器客戶端上傳至實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，教師可以合理設(shè)置量化考核標(biāo)準(zhǔn)，隨時(shí)隨地考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況。修訂完善的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)方案如表1所示。該評價(jià)方案根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)層次采用不同考核量化指標(biāo)，其目的主要是系統(tǒng)考查學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用基本知識(shí)、基本原理掌握情況，應(yīng)用程序編寫能力，解決實(shí)際工程問題能力以及撰寫報(bào)告、整理技術(shù)文檔能力等?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)考核學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能，實(shí)驗(yàn)過程占比大；綜合實(shí)驗(yàn)考核學(xué)生解決簡單實(shí)際工程問題能力；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考核學(xué)生創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，以及系統(tǒng)科學(xué)地撰寫技術(shù)文檔的能力等；另外增加了學(xué)科競賽獲獎(jiǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、論文發(fā)表以及專利申請等作為附加評價(jià)項(xiàng)。新的考核評價(jià)方案更加符合工程教育改革要求，也更能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍，有效提高了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時(shí)代背景下，本研究引入OBE工程教育理念，利用“校企合作、產(chǎn)學(xué)結(jié)合”教育機(jī)制，構(gòu)建了“杰創(chuàng)云+口袋機(jī)” 虛實(shí)結(jié)合單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，整合優(yōu)化教學(xué)資源，建立了層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，完善了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)方案。教學(xué)實(shí)踐證明，新的教學(xué)模式打破了傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空壁壘，滿足了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的個(gè)性化需求，體現(xiàn)了因材施教，提高了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，課程的建設(shè)與改革成效顯著。