基于工程教育认证的单片机PBL教学模式探索与实践

赵宇洋 李争 王春梅

摘 要：单片机原理及应用作为电气控制类本科生的重要专业课程，着重培养学生实践动手能力。而传统的教学方式以课堂讲授式的理论教学为主，对学生实践能力培养不足，特别是在工程教育认证背景下，原有教学模式和考核机制已不能满足培养需求。文章根据仪器类工程教育认证人才培养目标，基于PBL教学方法进行单片机教学新模式的探索，以解决问题为目标，引导学生有效学习，培养学生的工程意识、协作精神以及解决实际问题的能力。

关键词：工程教育；单片机；PBL教学模式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）02-0090-04

Abstract： The principle and application of single chip microcomputer course， which is an important professional course for undergraduates of electrical control， focuses on cultivating students' practical ability. The traditional teaching method is based on the theory teaching in the classroom， and insufficient of the students' practical ability training. The original teaching mode and assessment mechanism can no longer meet the training needs of engineering education certification. An exploration of the new teaching model is proposed in this paper based on PBL teaching mode according to the training objectives of education certification of instrument engineering. The new teaching mode with the goal of solving problems guides students to learn effectively and cultivates their engineering awareness， collaborative spirit and ability to solve practical problems.

Keywords： Engineer Education； single-chip computer； PBL teaching mode

工程教育专业认证是国际通行的保障工程教育质量的基本制度，我国于2016年成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，意味着工程教育逐步规范化、标准化、国际化和可持续发展。因此，我国高等教育培养目标应适应就业市场人才需求，培养国际互认的工程科技人才，课程教学改革应遵从培养学生工程素质为主线，强调应用性和实践性。

河北科技大学测控技术与仪器专业于2018年1月通过工程教育认证，为了更好地保证工程认证培养目标的达成，培养国际等效的工程技术人才，本文对单片机课程的教学模式改革进行了相关探索和实践。

单片机原理及应用类课程是工科院校电控相关专业的基础必修课程之一，讲授单片机硬件结构、指令系统，以及编程方法和系统设计技术等，是培养学生创新能力、工程实践能力、提高就业竞争力的重要技术基础。因此，作为通过工程教育认证的专业，更需要对单片机课程教学方式进行改革。采用PBL教学模式可以实现以学生为中心，让学生成为课堂的主动参与者，更符合工程教育认证基于产出导向的OBE（Outcomes-based Education）教学模式的基本原则。

一、传统单片机教学与工程专业认证标准的差距

工程教育专业认证强调以学生为中心的教育理念，落实在培养目标制定和评估、教育教学资源建设及质量监控机制的全过程中，采用学生学习效果、能力提升作为标准来评价教育质量。工程教育专业认证注重培养解决复杂工程问题的能力。

单片机课程属于工程技术应用类课程，在数字电子线、微機原理和自动控制原理等先修课程基础上，培养学生利用51系列单片机进行测控系统开发的能力。对于没有硬件开发经验的本科生而言，该课程相对抽象、知识点庞杂而零碎，实践性较强。总结单片机传统教学方式，主要存在以下两点不符合工程教育理念：

1. 传统教学方法以教师为中心，教师理论讲授仍占据着教学工作的主导位置。对于基本原理的讲授比例较大，缺少与实际应用的联系，按照章节内容的难易程度进行侧重讲解，虽然在过去取得了一定的教学效果，但与当前工程专业认证中强调培养学生的实践创新能力仍具有一定差距。

2. 教学中的实验环节仍以验证性实验为主，传统模式的实验课程中，实验项目倾向于对理论讲述知识的验证，没有趣味性的实验，几乎没有创新性的实验，与工程教育专业认证指导思想相违背，不能充分发挥学生的主观能动性，不利于培养创新性工程师。实验环节中最常见的现象就是学生按部就班输入指令、进行连线操作，在实验设备上观察应出现的特定现象，之后完成模板式的实验记录，缺乏主动设计和主动思考的机会。

二、PBL教学模式对于工程教育认证背景下单片机教学的启发

基于问题学习的PBL（Problem Based Learning）教学模式，最早应用于医学领域的教学，将学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，通过让学习者合作解决真实性问题，从而掌握隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并形成自主学习的能力与良好的教学效果。

PBL强调以问题解决为中心、多种学习途径相整合，而不只是纯粹的探索和发现，同时强调学习者之间的交流合作，强调外部支持与引导在探索学习中的作用等。PBL实质是由若干个精心设计的问题所组成，围绕问题为中心，让学生综合运用自身所学知识进行调查和研究，以教师在课堂上讲授的知识为基础，自发进行归纳和应用，并借助查找文献等辅助手段，最终解决问题，与工程教育中培养学生解决复杂工程问题能力十分吻合。

PBL模式的关键要素包括：作为导向的问题、团队合作与自主学习、教师指导、自我评价与小组评价。将PBL教学模式引入单片机课程的教学，能够有效改变学生只是被动听讲、并且大多采用死记硬背编程程序的学习方式。通过教师在课堂上对基本原理和应用的讲授，有效引导，让学生掌握单片机开发的一般步骤，在问题解决的过程中，灵活运用相关概念和知识，从而进一步培养学生理解问题、分析问题和解决问题的能力。

此外，以问题解决为最终目的的教学方法，能够激发学生的学习兴趣，增加学习动力，使学生从解决问题的过程中获取运用所学知识解决实际问题的相关经验，为培养工程技术人员的规范工作习惯及技术自信心也十分有利。

三、符合工程教育认证目标的单片机课程PBL教学模式探索

单片机传统教学模式要求学生了解单片机基本概念，掌握相关汇编语言原理，能够实现简单程序编写，完成课后习题即可。传统教学模式采取“教师讲、学生听”的教学方式，教师按照自己的知识经验和大纲要求来设计教学过程，往往按照课本中知识点的先后顺序进行讲解，根据内容的难易程度掌握讲授速度。并且，传统教学模式中大多采用班级授课的方式，教师只能根据学生总体掌握情况调整教学步骤，难以全面顾及学生的基础和进度差异。

本文基于PBL教学模式对河北科技大学测控技术与仪器专业《单片机原理及应用》课程的教学方式、实践环节及评价方式进行了改革。

（一）课堂教学的改革

我测控专业每届设置两个教学班，每班人数30人左右。在课程开始之初，就将两班学生分别进行分组，每个班级中以3-4人一组为原则组成单片机课程学习实践小组，在整个教学过程中，学习小组要进行知识点的互相查漏补缺，还要以小组为单位完成课程实验环节和课程设计环节的所有实践内容。

本文将PBL教学模式引入单片机教学过程，与传统模式有机结合，既发挥传统讲授为主模式的可控性，又有效结合PBL模式激发学生主动性。

在理论教学过程中，以教师讲授为主进行课程基础内容的授课，在学生掌握单片机基本原理和硬件结构的过程中，发挥学习小组的能动性，对小组各位成员的掌握情况和知识难点进行总结和反馈，有助于教师有目的性地调整教学节奏和教学重点。

在单片机授课内容中存在某些特殊章节，比如汇编语言指令系统一章，主要讲解51系列单片机一百余条汇编指令的格式及用法。以往在教学中，如果教师全部逐条讲授，占用大量课堂授课时间；反之，如果布置课下学生自学则难以保证学习效果，为后面章节的汇编语言程序设计带来问题。在本次教学改革中，对于此类特殊章节，充分发挥了教学主体与学习主体的能动性，在教师讲授之余引入学生以小组为单位自学并轮流讲授的方式。教师首先启发性地详细讲授需重点掌握的指令，之后将剩余汇编指令安排课下自学，并将指令按分类分配到各小组中派代表进行课堂讲授。采用此种方式，既发挥了学生团队共同学习的主动性，又将学生从课堂上的被动听讲行为转化为课下主动理解并在课堂有效输出。在每组学生完成讲授任务后，由教师评估其讲解的清晰度和完整性，对于不足之处进行补充，调动了学生在课堂上的参与度，也提高了课堂教学的效率。

通过实践验证，采用学生参与讲解的班级在后续汇编程序设计中对于指令的掌握和应用情况明显有所改善。

在课堂教学中，还利用PBL模式进行了教学新尝试，采用设问、 研讨式的教学方式，使学生从被动学习变主动学习，主要是在每节课前，根据课程各部分的知识点提出问题，学生以小组形式查阅资料，并通过课堂提问和讨论环节，让各小组陈述观点、展示课下完成情况，有助于学生牢固掌握知识点，充分调动主动性和积极性，并且活跃教学气氛，提高教学效果。

（二）实践环节的改革

传统的教学模式，学生是信息的被动接受者，是装载知识的“容器”，学习的主要任务是记忆并重复前人经验知识为主的信息。PBL教学模式中，学生是具有自我指导学习理念和能力的、主動的学习者，学习的任务不仅要进行知识意义的建构，还要形成解决问题、与人合作、进行创新等多种能力。

本文针对测控专业工程教育认证需求，着重培养学生解决复杂工程问题的能力和团队协作解决工程问题的能力，对单片机实验和课程设计两大实践环节进行改革。

1. 实验环节的探索

传统的单片机实验以验证性为主，并主要以实验报告质量作为学生评价依据，导致学生参与度不高、实验报告雷同严重，实验环节与教学环节脱节等现象。

我专业的单片机实验内容由2个验证性实验和2个设计性实验构成，本文中基于PBL模式进行了实验环节的改革。验证性实验穿插于教学环节的前半段，主要目的是在学生学习单片机之初，能够通过实验现象分析其背后的原理，有助于学生掌握单片机的体系结构与运行机理。

经历几次验证性实验后，比如汇编语言排序实验、简单的I/O接口实验后，学生已基本熟悉实验系统和工具箱，能够按照实验指导书进行程序输入、硬件连线等操作，并具有动手设计难度较高实验的能力和意愿。因此在教学环节的中后段安排项目式开发的设计性实验。通过下发实验指导书规定实验目的，以学生小组为单位自主创新设计实验，在实验箱基础上设计完成简单的测控系统，运行系统并观察其现象。实验报告要详细阐述实验设计的依据、描述实验步骤和现象、分析实验合理性，并最终自我评估实验指标的完成度。

2. 课程设计环节的改革

随着课程进度的深入，教师逐步提高学习实践小组的能动性和协作意识，在理论教学中期即布置课程设计题目，让学生提前完成设计方案初稿，并在后续学习中有目的、有意识地根据课设题目需求逐步完善设计方案，并在一周的课程设计环节中完成系统调试。

在单片机课程设计中明确提出进行项目实施规划，在设计之前对项目的要求、进度安排、人员分工等内容进行整体、全面地考虑。课程设计题目是结合教学大纲和单片机课程目标精心设计完成的，既保证每个题目考察知识点的全面，也要保证各个题目难易程度相当。

我專业的课程设计要求学生以项目开发形式完成测控系统的软、硬设计，实现单片机硬件电路仿真、程序调试，并最终实现以小组为单位的实物结题。课程设计题目数量根据我专业两班学生人数设置，每个班级中一组一题，既保证了本班内没有重复题目，消除学生彼此的依赖性，提高题目的独立完成度，也有助于两个班级中可以彼此进行讨论交流。每个题目都以工程问题为背景，采用新颖有趣的形式全面考察学生对输入、输出系统和单片机控制系统的掌握情况和设计能力。

课程设计任务书中明确安排一周中每天需完成的设计进度，教师根据学生进度完成情况进行调整，如果学生整体动手能力较强、进度完成较快，则可以深化课设题目要求、提高最终难度；如果整体进度难以保证，则根据出现的问题及时讲解，以确保不同基础、不同能力的学生在一周的课程设计中都有所收获，真正做到以学生需求为导向。并通过学生团队成员互评和系统经济评价，培养学生以团队分工协作方式、考虑经济性因素解决工程问题的能力。

（三）评价方式的优化

学生考试成绩不仅是学生最为关心的焦点之一，也是用人单位评价毕业生能力的一个重要指标。在传统的教学模式下，学生考试成绩主要由一张期末试卷评定，忽略了学生学习的过程评价，在工程教育专业认证的背景下，这种考试模式的弊端显得尤为突出。

本文中的单片机课程改革也对评价方式的优化进行了探索，在教学各环节中及时、客观对学生表现进行评价，以量化打分的形式，体现了工程教育认证中的过程管理理念，既优化了平时的教学效果，也实现了对学生的综合客观评价。

如上文所述，我专业在进行单片机课程教学时，将课程学习实践小组的形式贯穿整个教学环节，因此，在学生成绩评价环节，既包含教师打分也引入团队成员互评机制。

学生的最终成绩由平时成绩、实验成绩和期末考试成绩构成：期末考试成绩满分100分，总成绩占比为60%；平时成绩满分100分，其中教师打分50分、团队成员互评50分，总成绩占比为20%；实验成绩满分100分，课程实验共计四个，每个实验总分25分，实验表现及实验效果20分、报告质量5分，总成绩占比为20%。

为保证评价体系执行的客观真实性，任课教师设计了团队成员互评问卷（学生用），对单片机课程学习实践小组成员在教学、实验和课程设计各个环节的表现进行量化打分；在实验环节和课设环节设计了评分细则（教师用），根据各团队电路设计仿真、程序结构和编写规范性、电路合理性、焊点质量及最终功能等情况综合打分，较为客观全面地对学生学习全过程进行了多角度评价。

四、结束语

单片机原理及应用课程是一门知识体系完整，与其他课程联系紧密，且工程实践性较强的课程。基于 PBL 模式的单片机教学与传统教学模式相比，是一种使学习者基于解决问题的学习模式。本文指出了传统课堂讲授方式、课程考核的弊端，引出工程教育专业认证背景下的单片机课程教学改革方式。通过两个教学周期的实践取得了良好效果，激发学生由传统课堂上被动“听”，变成现在主动“学”，活跃了课堂气氛，培养了学生课下自主学习的习惯，有效提高了学生动手实践的能力和信心，也为其他类似课程积累了改革教学模式的经验。

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