在单片机课程中开展PBL教学法培养应用能力的研究与实践

杜　波

(长春工程学院 电气与信息工程学院，长春 130012)



在单片机课程中开展PBL教学法培养应用能力的研究与实践

杜波

(长春工程学院 电气与信息工程学院，长春 130012)

指出了传统教学观念的弊端，引入PBL教学法，分析了《单片机原理及应用》课程的教学目标和存在问题，以卓越计划试点班为载体，对单片机课程应用PBL教学法，贯穿理论教学、实践教学和考核制度三个环节，强调学习过程，旨在培养学生动手操作能力和工程素质。经过三个学期的PBL教学法的实施，从课程结束后的课程设计环节体现出教学效果明显提升。

PBL；单片机课程；应用能力

一、在单片机课程中开展PBL教学法的目的和意义

PBL(Problem-BasedLearning)教学法是基于问题的学习方法。它是把教学设置在有意义的问题情境中，通过互动讨论及概念辨证等方式进行科学知识的学习。它改变了传统以知识灌输为主的教学方式，特别强调学生主动学习。近年来PBL教学模式逐步开始引入高校教学，研究生中应用较多，本科较少，重点培养动手应用能力和工程素质的更加稀少。

传统的教学观念把知识视为不可更改的定论，把教学看成是知识从外到内的输入。PBL的教学理念认为“问题是学习的起点，也是选择知识的依据”，因此教学过程中应“先问题，后内容”。从以知识传授为中心转向以能力培养为中心；从教师自我思维转向学生群体思维；从追求学习的结果转向注重学习的过程。

《单片机原理及应用》课程以卓越计划试点专业为载体，展开教学改革，引入PBL教学方法，注重过程教学。课堂上对实践性、可操作性较强的案例在课堂上进行讲解和演示，激发学生的学习兴趣；并提出问题，让学生带着问题进行学习、讨论和研究，变被动学习为主动学习；着重动手实践能力的培养，在授课—练习—实验—考核各个环节融入实践内容，下达实践任务，解决实际问题，锻炼学生的实际应用能力，从而达到培养应用型本科人才的目的。

二、在单片机课程中开展PBL教学法的研究内容和目标

以卓越计划试点班为载体，对《单片机原理及应用》课程应用PBL教学法，贯穿理论教学、实践教学和考核制度三个环节。

理论教学以PBL教学方法贯穿整门课程，在第一堂课上给出一个单片机应用案例，提出问题，下达任务，学生带着问题学习整门课程。在后续的课堂教学中逐步渗入案例知识，将问题逐步分解，由教师引导学生进行自主学习和研究，完善案例功能。

实践教学包含课堂练习和实验，还可以适当加入团队设计环节。利用单片机学习板和实验设备，以proteus仿真软件为辅助，锻炼动手应用能力，辅助PBL教学。

建立严谨的考核制度，强调动手操作环节，将学生的每一次练习和过程成果都计入成绩，树立良好的学风，提升整体教学质量。

期望达到以下目标：

(1)应用能力培养：包括硬件设计、软件编程和联合调试；熟悉单片机系统在自动控制、智能仪器等方面的应用，从而达到学生独立完成单片机应用任务的目标。

(2)主动学习培养：通过PBL教学方法，培养学生的主动学习能力，锻炼学生分析问题和解决实际问题的能力。

(3)工程素质培养：要求学生熟悉和掌握单片机绘图和编程方面相关国家标准、规范；培养了学生的创新意识和严谨、协作等方面的工程素质，培养应用型本科人才。

三、在单片机课程中开展PBL教学法的实施过程

(一)结合案例式教学，实施PBL教学法

老师提出设计案例，培养学生的学习兴趣，由老师提出问题，让学生应用课堂知识去分析问题、解决问题，在课堂教学中逐步渗入，由教师指导学生进行自主学习和研究。

1.提出问题，开展PBL教学

在第一章单片机概述讲完后，提出一个设计案例——空调制冷控制系统，给出设计原理图，讲解系统功能，提出设计任务，要求学生课下查找资料对系统的硬件进行完善，对软件进行编写，完善系统功能，记录成绩，激发学生的学习兴趣，增加学习压力。

(1)案例描述

设计空调制冷控制系统，要求该系统能够自动控制制冷压缩机的运行和停止，使环境温度保持在人们设定的温度上(调温范围为10 ℃—30 ℃)。

(2)为了实现上述功能，作如下设计

温度传感器输出信号为模拟信号，进行模/数转换，实现环境温度信号采集；通过按键进行温度设置；利用LED显示器显示温度值；将环境温度与设定温度进行比较，发出信号控制继电器，从而控制压缩机的工作状态。

2.问题分解和问题解决，实施PBL教学

针对设计案例，将系统进行分解为最小系统、程序设计、中断、键盘显示、模数转换、电源和开关量控制几部分，在相关章节的学习中进行相关知识的讲解，结合案例，进行理论分析。组织学生对自己的设计方案进行讨论，对学生设计进行指导和验收。

(1)在硬件结构章节，讲解单片机最小系统的设计，所有的单片机系统设计均以最小系统为基础，要求学生能够根据设计要求独立、合理地完成最小系统设计。

(2)在指令系统和程序设计两个章节，讲解汇编语言指令系统和程序设计方法，并在课上结合案例。在第四章程序设计章节，对案例中“将采集的温度值和预设的温度值进行比较，对制冷压缩机进行控制”部分，指导学生进行软件编写和完善。

(3)在中断系统章节中结合按键，对案例中的两个温度上调和下调键进行讲解，帮助学生掌握中断。指导学生编写程序，并结合学生设计，组织学生进行讨论，了解程序的多种编写方法，以及不同方案的不同设计思路。

(4)在键盘显示器章节，讲解按键和数码显示原理和使用，结合案例讲解动态显示方法应用，结合课上练习。

(5)在模拟量输入输出章节，讲解模数转换原理，结合案例讲解模数转换应用，指导学生编写和完善案例程序，结合学生的设计组织讨论。案例系统设计中温度传感器选用热敏电阻传感器，当温度在中间某一范围时，温度特性曲线为线性关系，指导学生课下查找相关资料，完成对采集数据的标度变换。

(6)对于案例系统中电源和开关量的控制，不在教学大纲范畴之内，要求学生自行查找资料学习，锻炼学生的自学能力。

经过一个学期的课程学习，将一个案例进行完善，使学生熟悉和经历了一个工程实例，了解单片机应用系统的设计过程，为后面的课程设计和毕业设计做了准备，积累专业知识。同时也让学生在学习的过程中，通过发现问题—解决问题—完善细节的过程，强化知识点的理解，将理论知识转换为实际应用，培养了应用能力和工程素质。

(二)结合PBL教学法的课堂练习

结合课堂案例和大纲知识点、重点，挑选章节中可进行操作练习的知识点，在理论知识讲解完毕后，由老师带领学生做一个动手操作性的练习，借助电路板或proteus仿真软件完成。之后老师在刚才练习的基础之上，提出进一步的功能需求，要求同学们运用本节理论知识进行解决，组织学生在课堂上进行讨论和动手操作，老师负责指导、答疑和验收。如果完成情况较好，则再次升级难度，并要求在下次上课时验收，否则由同学们在课下完善，同样要求在下次上课时进行验收。

《单片机原理及应用》课程当中的多分支程序设计、中断和定时器的使用、键盘和显示器、模数转换等章节，均可采用课堂练习的形式，强化知识点的理解。

这样的课堂练习，第一次练习由老师带领，将知识当堂应用并消化理解。功能要求的进一步升级，给学生提出问题，要求学生带着问题，应用本节课程学到的理论知识解决问题，同时难度的加大，锻炼了学生分析问题解决问题的能力。

课堂练习可穿插于课堂案例讲解和练习之中，也可以单独进行。与课堂案例设计相比较，针对知识点的课堂小练习更倾向于知识点的理解和应用，而课堂案例更倾向于实际工程问题的解决，课堂小练习相对比较零散，而课堂案例更加系统化，二者相辅相成。

(三)在课内实验环节强化编程能力和编程技巧

课内实验共有5个实验，实验性质分别为验证性和综合性，但结合《单片机原理及应用》是一门动手实践要求较高的课程，因此要求每位同学必须自己编写实验程序，根据实验要求，拆分问题，编写程序实现实验功能，并且能够详细解释每一条指令在程序中的功能。做到真正理解每一个实验，达到锻炼动手能力，强化知识点的实验目的。

(四)结合PBL教学法的团队设计

根据教学班级的学习积极性和学习效果，可有选择地进行团队设计。结合PBL教学法，给学生分组并布置任务，要求以小组为单位进行团队设计，根据兴趣自选题目，激发学生学习兴趣，推动课程学习，培养学生的团队精神和协作能力，同时最大限度地发挥学生的创新思维。按照设计成果给每组分别赋分，同一小组成员得分一致，成绩纳入平时成绩，培养学生的自主学习和自主设计能力，以及工程实践能力和工程协作精神。

(五)完善平时成绩考核方案，辅助PBL教学法的实施

前面的课堂案例、练习、实验，以及团队设计，如果想真正的、有效的实施，并达到预期效果，必须要配有严格的考核制度，才能保证教学法的真正执行。

建立严谨的平时成绩考核方案，并严格、细致地执行，让学生清楚地看到，他们的每一次认真、努力地练习、实验、设计都会记录为自己的最终成绩，每一分都有据可查，学生的每一分耕耘对应每一分收获。这样才能真正调动学生的学习积极性，加大学生的学习压力，树立良好的学风，提升整体教学质量。

四、在单片机课程中开展PBL教学法的实施效果

从开设卓越试点专业之后，响应学院号召开始针对试点专业进行课程改革，在课堂教学中实行PBL教学法，在理论教学中进行案例式、问题式教学，对所有的案例设计、课堂练习、课内实验严格验收，并对成绩进行记录，纳入最终成绩。

2013/2014学年第一学期对电气1141进行教改，为培养学生的实践动手能力和工程协作精神，在课程的学习过程当中下发了团队设计任务，给学生分组并布置任务，要求以小组为单位进行设计，激发学生学习兴趣和自学能力，推动课程学习，按照设计成果给每组分别赋分，同一小组成员得分一致，此部分成绩占总成绩的10%。

2014/2015学年第一学期对电气1241再次布置团队设计。通过两个学期的执行，两届同学都能够按期按要求完成和上交设计任务，效果良好。学生的学习热情和教学效果得到了提高。团队设计就是PBL教学法的一个方面，只不过是分组进行的，并且问题都是学生自己发现和解决，在一定程度上锻炼了学生的动手能力和工程协作精神。

2014/2015学年第一学期对电气1241班开始尝试引入proteus仿真软件，在课堂练习和实验中引入，使用方便，设计灵活，效果非常好，强化了知识点的理解和应用，此方法值得进一步提倡和应用。

2015/2016学年第一学期对电气1341班进行开发板教学，结合知识点和PBL教学法，进行课堂练习，这种结合实际的教学方式，既锻炼了学生的动手能力，又让学生直观地接触单片机实际的硬件系统，弥补了仿真带来的距离感，特别适合于单班教学。

经过三个学期的PBL教学法的实施，教学效果明显提升，从课程结束后的单片机课程设计环节足以体现。普通电气专业本科的课程设计为期2周，基本做的都是理论设计，只有少数同学做了proteus仿真。卓越试点专业的单片机课程设计为期只有1周，但可以做到所有同学均能在5天时间之内完成课程设计并实现proteus仿真成功，动手应用能力明显优于其他专业学生。

五、结束语

针对《单片机原理及应用》课程，经过为期三年的PBL教学法的研究和实践，对学生应用动手能力的培养效果显著。PBL教学法的应用由原来的讲授式教学转化为学生自主学习，带有兴趣和压力进行学习和研讨，去解决问题，在解决问题的过程中能够强化了知识点的理解和应用，锻炼了实践动手能力，同时对工程案例的完善过程，使学生熟悉了工程设计方法，培养了工程素质。动手能力的强化和工程素质的养成使学生能够在短时间内将课程设计以最优秀的质量完成，教学效果提升显著。

作为任课老师笔者很欣慰，同时也针对这三年的PBL教学法的应用进行总结和分析，在以后的教学中有以下两个方面可再进行改进和尝试：

(1)课堂案例的完善和更新：查找更多的实例，引导和激发学生的学习兴趣；

(2)引入慕课教学：调整教学结构，让学生有更多的时间和机会进行动手实践练习。

[1]杜翔云.PBL：大学课程的改革与创新[J].高等工程教育研究，2009(3):29-35.

[2]俞颖.浅谈PBL教学模式下教师的重要性[J].西北医学教育，2012(1):116-118.

[3]鲁越青.构建地方高校应用型人才培养创新实践平台——以绍兴文理学院的探索实践为例[J].中国大学教学，2009(10):59-60.

[4]陈丽虹.PBL教学模式效果评价及思考[J].中国远程教育:综合版，2013(1):70-73.

[5]刘春城.PBL教学模式在工程训练教学中的探索与实践[J].实验技术与管理.2012(4):158-161.

[6]梁燕.从学生的视角看PBL教学实践的效果和努力方向[J].复旦教育论坛.2009(4):92-96.

[7]李丽萍.PBL教学中教师角色功能定位与思考[J].上海中医药大学学报.2010(1):17-19.

[8]王济华."基于问题的学习"(PBL)模式研究[J].当代教育理论与实践，2010(3):98-100.

[9]许闽广.开展PBL教学过程中的理论和实践问题[J].中国高等医学教育.2012(1):114-115.

[10]黄育妆.PBL教学模式的理论及应用[J].中国高等医学教育.2012(2):11-12.

ResearchandpracticeoftrainingapplicationabilityofPBLteachingmethodinsinglechipmicrocomputercourse

DUBo

(Changchun Institute of Technology，School of Electrical Engineering and Information Technology，Changchun 130011，China)

Thispaperpointsoutthedisadvantagesofthetraditionalteachingconcepts，andcarriesoutPBLteachingmethodinthecurriculumteaching，analyzestheteachinggoalandexistingproblemsof“singlechipmicrocomputerprincipleandapplication”course.ittakestheexperimentalclassofexcellenceprogramasthecarrier，appliesthePBLteachingmethodinthecourseofthesinglechipmicrocomputer，throughoutthethreelinkstheoryteaching，practiceteachingandexaminationsystem，anditemphasizesthelearningprocess，tocultivatestudents’abilityofoperationandengineeringquality.AftertheimplementationofthePBLteachingmethodinthreesemesters，theteachingeffectcanbeimprovedobviouslyinthecoursedesignafterthecourse.

PBL；singlechipmicrocomputercourse；applicationability

10.3969/j.issn.1009-8976.2016.03.035

2016-07-01

吉林省教育科学规划课题“在单片机课程中开展PBL教学法培养应用能力的研究与实践”(项目编号：GH150309)

吉林省教育科学规划课题“应用型本科院校创新型人才培养模式研究与实践”(项目编号：GH150321)

杜波(1976—)，女(汉)，吉林长春，副教授，硕士

主要研究自动化理论。

G642.41

A文章编号：1009-8976(2016)03-0117-04