“零基础学习单片机”课程MOOC教学设计

杨卫军， 许 哲， 孙 伟

(火箭军工程大学 理学院， 陕西 西安 710025)

“零基础学习单片机”课程MOOC教学设计

杨卫军， 许 哲， 孙 伟

(火箭军工程大学 理学院， 陕西 西安 710025)

本文通过论述“零基础学习单片机”课程MOOC的建立过程，讨论了如何将MOOC教学方式引入到该课程教学实践中，主要包括知识点拆解，碎片化，教学视频的录制，习题和考核的实施等内容，并重点讨论了课程实践环节的实现方式，经使用反响较好。本课程的实现过程也可以对其他实践类课程MOOC化提供借鉴。

单片机；MOOC；实验教学

0 引言

单片机具有入门简单、应用广泛的特点，而且单片机系统设计能极大的锻炼学生的实际动手能力和创新思维，引起学生学习兴趣，是进一步学习和设计嵌入式系统的基础，因此单片机课程在各院校被广泛的开设。但学生在学习课程时，由于课程涉及多学科，知识点较多，从零基础到能进行系统设计，持续时间长，从学生开始课程学习，到能进行系统设计面临较大难度。如何梳理出单片机学习的主线，在学习过程中围绕知识点，使学生自主选择学习内容和学习进度，降低学习实践难度，实现伴随式学习成为单片机教学的研究重点。当前流行的MOOC(Massive Open Online Courses)教学模式，通过网络进行教学，授课视频紧扣知识点，课后习题与在线辅导相结合，已被广泛应用在理论课程教学过程中，取得了较好的教学效果。因此在单片机课程中引入MOOC教学模式，将单片机知识点进行拆解，碎片化，按知识点制作教学课件，录制教学视频，学生可以选择知识点学习，自己定制学习进度，使学习过程针对性强，更加有效。由于单片机课程在学习过程中，既有原理讲授，又有软件编程、硬件设计的实践环节，而MOOC教学模式在实践类课程中应用较少，因此将MOOC教学模式引入“零基础学习单片机”课程，必须进行课程MOOC模式适用性设计，解决实践环节的设计难题。

1 课程知识体系构建

建设MOOC课程必须有明确的教学目标，并围绕教学目标拆解知识点，构建完成具备MOOC特点的课程知识体系。在此基础上可按照体系撰写脚本，编制课件，录制视频，编写习题和考核题目。

1.1 课程教学目标

“零基础学习单片机”课程的教学目标是：通过理论授课和课程实践，使学生了解单片机最小系统的基本组成，外围模块的工作原理、应用方式，掌握程序编制，电路设计方法。学生完成课程学习后，可以根据实际需求，自主设计单片机应用系统，从而培养学生单片机系统设计与制作的基本技能，单片机扩展应用系统开发能力及创新思维。

1.2 课程知识点

根据教学目标要求，需要对课程所包含的知识点进行提炼，对大的知识点进行分解，各个知识点间尽量不重叠，整个知识体系层次化、系列化。学生通过网络可以根据自己的情况选择性学习，可以一次学习一个知识点也可以连续学习多个，教学过程灵活，以满足课程学习需求。

根据课程要求提炼如下知识点：① 单片机最小系统外围电路的元件分类和功能、基本模块电路结构和工作方式；②最小系统硬件电路焊接方法；③单片机程序的基本结构；④软件开发环境的使用；⑤单片机I/O端口的使用；⑥单片机内部寄存器的使用，定时器使用和中断使用；⑦串口通信、单片机时序图的阅读和实现、脉冲的输出与输入；⑧A/D操作、D/A操作、SPI、I2C、PWM；⑨步进电机、直流电机驱动和LCD屏的使用等。

为了更加明确知识点在单片机应用的地位和作用，我们绘制了知识点示意图。单片机基础应用设计知识点示意如图1所示，单片机扩展应用设计知识点示意如图2所示。这些示意图可以使知识点在教学内容中的与单片机的关系一目了然，同时清楚各个知识点间的关系和整体结构。

按知识点的独立性，课程归结起来分为11讲“从零开始制作单片机系统”、“从零开始编写单片机程序”、“单片机IO管脚的应用”、“定时器”、“中断机制”、“串口通信” 、“步进电机”、“直流电机”、“LCD”、“AD”、“单片机系统设计方法”，课程每讲内容包含一个知识点或多个知识点，每个知识点提供课程碎片化后的教学微视频。第一讲“从零开始制作单片机系统”包含的知识点如图3所示。

图1 单片机基础应用设计知识点示意图

图2 单片机扩展应用设计知识点示意图

图3 “从零开始制作单片机系统”知识点

2 课程教学环节设计

2.1 课件和教学视频

课件、视频为知识点提炼展示的主要形式。课件的页数不宜过多，紧扣知识点内容，可以采用过场动画，页面色彩2-3种为宜，可以采用PPT，或其他软件设计，后期制作合成。为了让学生在有限的时间内快速找到视觉关注点，在PPT中添加必要的视觉导航标识，如用箭头、下划线等标出当前所讲内容在PPT中的位置，或用带色彩的椭圆形、长方形等圈出所讲内容等，如图4所示。教师在讲解中要和PPT文字内容高度一致，并在重点内容部分做好停顿、高声、提问等方法，采用动画移动、组合方式显示PPT内容，以引起学生注意，达到教学效果[3]。

如何录制、制作教师讲授课件的视频是MOOC是否引起学生兴趣，降低学习难度，提高学习效率的关键[2]。课程中视频的时长既要确保问题讲解的完整性，又要控制在学生注意力集中的时间范围内，每讲的教学视频时长为5～15分钟为宜。视频中可以插入授课教师视频，也可仅在授课开始和总结时出现教师视频，对于电路运行演示视频插入授课视频和授课内容的合成。具体的录制过程可以找专业公司完成，也可以独立制作完成[7]。

图4 PPT示例

2.2 课程习题与考核设计

每讲内容完成后，通过设置问题进行学习效果测试，所设置的问题围绕课程中的核心知识点展开，用于帮助学生巩固掌握讲授的知识内容。测试题目以无需人工批改的客观试题为主，系统自动判题，即时给出结果。学生通过这样的测试，及时发现问题，反复观看学习。本课程针对各章节内容共提供11套测试题目，每套题目题数不限，一般为5到10个题目。此外还提供1套结课考核题25个，这些测试题目都是基于课程目标要求，按理论基础和实践过程的需要提炼设置[4]。

2.3 教学反馈环节设计

在课程平台上建立讨论区。讨论区的内容是课堂教学的延伸，是MOOC的一个重要特点，教师和学生可以尽情地讨论各种与课程有关的问题，学生之间也可以互相交流。为了深化课程话题，教师可以在其中根据教学进度和教学内容设立题目，可以引申课程内容，引起学生兴趣，使这些讨论题目既能帮助学生复习已学的知识又能锻炼和提高他们的创新思维能力[5]。课程实施过程中设置了3名教师负责答疑讨论区的维护。

3 课程教学实践设计

设计实践环节成为是MOOC制作的一个难点[6]。由于单片机学习特点是必须边学边练，在熟悉原理的情况下，还要动手编写程序和设计电路，因此授课过程必须满足学习要求。为了解决这个问题，采用了3种方法：

(1)从零开始，逐步增大实践难度。在课程初始阶段就伴随实践环节，围绕比较常见的单片机最小系统开始，采用芯片图片方式，让学生看到实物，再围绕芯片逐步添加外围器件，理解最小系统，并讲解焊接方法，使学生结合讲授内容马上可以进行实践，焊接完成一个最小的单片机系统，掌握电路焊接方法。将单片机最小系统的外围电路中的元件如电阻、电容、晶振分别介绍，并与元件实物一一对应，学习元件的功能及在电路中的作用，学习单片机系统的基本组成和电路图的阅读方法。

(2)边学边练，所学所见。在各知识点的讲解过程中，如步进电机讲解时，只在最小系统添加电机驱动电路，把原理讲解和系统电路实践分为两个步骤，可以顺序学习，也可以直接越过原理，直接进行系统实践，学习程序设计、电路设计，在每节完成学习后，均放入完成电路后的演示视频，便于学生对比实践。

(3)引入应用背景系统设计，提高学习兴趣。以具体应用为导向，完成整个课程的学习后，可设计完成一个智能家居系统，如图5所示。智能家居系统包含门禁控制和室温控制两个部分，两部分间通过串口进行连接。

图5 智能家居系统结构图

门禁控制部分包含来人按键、数码管和步进电机电路。单片机根据来人按键动作显示来人编码，并通知室内的室温控制部分，室温控制获得信息后经确认，告知门禁节点驱动步进电机带动大门打开。

室温控制部分除响应门禁节点信息外，还检测室内温度，当室内温度超过设定温度时，单片机通过驱动板驱动直流电机进行转动，带动风扇降温，如图所示。整个课程知识点都围绕这个目标进行设计，深度和广度以此为界。这个系统也涵盖了单片机的所有关键知识点，同时，完成系统的思路和技术可以直接应用到其他方面解决问题。这种设计方法可以解决知识点过多、分散，深度不易控制等问题。

4 结语

通过 “零基础学习单片机” MOOC课程的设计过程，本文总结了实践类课程MOOC化的实现方法，其重点在知识点的选取与提炼，讲授过程中如何穿插实践环节，及实践环节在MOOC这种授课方式如何实现。MOOC教学实践表明，教学效果较好，尤其实践环节的设计能引起学生兴趣，课程实现方法也为其他实践课程提供了借鉴意义。

[1] 蔡冰倩. 面向MOOC的机械原理动态教学系统的设计与开发[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2015.

[2] 应龙,傲永红,姚煊到,王玉龙. MOOC视频资源建设研究与实践[J].北京: 工业和信息化教育,2015,(6)，84～87

[3] 赵玉红,李欣,崔建林,张翠竹等. MOOC环境下基础实验教学中学生创新能力的培养[J]. 北京: 实验技术与管理,2016,(3): 13～15.

[4] 陈越,何钦铭. 数据结构MOOC实践[J].北京: 中国大学教学,2015,(12):46～47.

[5] 张玲霞,闫允一,王辉,孙璐. MOOC时代“电路分析”课程新教学模式探讨[J]. 南京: 电气电子教学学报,2015,(2):19～21.

[6] 施建华,段成芳,胡浩军,谢文科,马浩统. “军用光电技术及应用”MOOC建设的实践与思考[J]. 北京: 计算机工程与科学,2014,(12):246～248.

[7] 卢有亮. 嵌入式操作系统课程MOOC实践[J]. 北京: 实验技术与管理,2014,(4):200～202.

MOOC Design of Zero Based Learning MCU Course

YANG Wei-jun , XU Zhe , SUN Wei

(CollegeofScience,RocketForceEngineeringUniversity,Xi'an710025,China)

This paper discusses how to develop the MOOC teaching method into the Zero Based Learning MCU course. It includes the design of course content, such as the dismantling of knowledge points, the recording of teaching videos, the implementation of exercises and the examination, and the discussion on how to realize the course practice. The realization of this MOOC can also provide reference for other practice courses.

MCU; MOOC; experiment teaching

2016-10-01;

2017-05-18

杨卫军(1974-)，男，博士，高级实验师，主要从事电子技术教学、嵌入式控制系统研究工作，E-mail：yx9849@sina.com

TP13

A

1008-0686(2017)04-0083-04