基于OBE的单片机原理及接口技术课程教学

任国臣，郭 栋，蓝和慧

基于OBE的单片机原理及接口技术课程教学

任国臣，郭 栋，蓝和慧

(辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

为了满足工程教育专业认证需求，实现成果导向教育，针对单片机原理及接口技术课程教学进行全方位的研究。基于专业人才培养定位以及课程与毕业要求的对应关系，确定了课程教学目标，规划了教学内容，改革了教学方法和课程考核模式，阐述了课程的课前教学策划、课堂教学方法、课后教学评测三个环节的实施方案，实现课前、课堂、课后有效衔接。通过教学实践，获得了良好的教学效果。

OBE；单片机；教学研究；工程教育专业认证

目前，单片机控制技术已经渗透到工业及民用等各个领域，在工业控制、数据采集、智能化仪表、家用电器等多方面得到很好的应用，并以日新月异的速度不断发展。因此电气工程及其自动化专业的学科技术必修基础课中设置单片机原理及接口技术课程，目的就是使学生掌握单片机控制技术，具备设计单片机监控系统的能力，解决工程实际问题，满足工程教育需求。

近年来，基于“以学生为中心，以学生学习成果为核心能力培养”的成果导向教育（OBE）引导工程教育改革[1]。因此，本文基于OBE理念，研究单片机原理及接口技术课程教学目标、课程教学内容、课程教学方法以及课程考核模式，注重学生能力培养，满足工程教育专业认证的需求[2]。

一、基于OBE的教学目标

（一）教学目标确定依据及流程

辽宁工业大学（以下简称我校）电气工程及其自动化专业的人才培养定位是培养适应国家和地区能源战略和电力行业发展，具有社会责任感，德、智、体、美、劳全面发展的高级应用型工程技术人才，能够胜任电力系统及其自动化、电气自动化、电能变换等电气工程领域工程师岗位，能够利用所学知识解决工程问题和构建工程系统[3]，具有较强工程实践能力和创新精神，可从事电力系统及电气设备生产的运行与维护、设计与开发、保护与控制、实验分析、项目管理、电气设备制造等工作。这一人才培养定位是制定课程教学目标的基本依据。图1是基于OBE的教学目标而制定的教学流程框图。

图1 基于OBE的教学目标制定流程图

（二）课程与毕业要求对应关系

设置单片机原理与接口技术这门课程的目的是支撑本专业学生能够开发设计电气工程领域所需求的检测控制系统，运用现代控制技术，解决电力系统故障识别、保护与控制、能量变换等复杂工程问题，具体对应关系见表1。

表1 课程教学目标与毕业要求的对应关系

（三）课程教学目标

依据专业培养目标以及本课程与毕业要求对应关系，确定单片机原理及接口技术3个教学目标，具体目标如下：

目标1：掌握单片机的基础知识，熟练掌握51单片机的片内硬件结构，包括中断、定时器/计数器、串行口等资源的工作原理及应用设计；掌握单片机系统常用接口的设计原理与设计方法，包括键盘、显示、串行通信、D/A、A/D等接口扩展方法；培养学生设计满足电气工程领域要求的监控系统或监控单元的能力。

目标2：熟练掌握单片机C51语言编程方法，包括存储器和变量的使用、主程序和子程序的结构特点、常用指令的逻辑功能等；为利用单片机解决电力系统故障识别、保护与控制、能量变换等复杂工程问题的算法设计奠定基础。

目标3：掌握单片机应用系统设计方法，培养学生能够将单片机系统中基本单元及子系统综合设计成解决电力系统复杂工程问题的不同方案，并能够根据需要构建实验系统，正确采集实验数据，并能对实验结果进行分析处理。

二、基于OBE的教学内容规划

由课程教学目标可知，单片机原理及接口技术是使学生掌握单片机基本知识及工作原理、常用接口设计方法以及单片机应用系统的设计方法，重点培养学生工程实践能力和创新能力，具备解决复杂电力系统的运行控制问题的能力。因此，基于课程教学目标以及表1所示的课程与毕业要求的对应关系，规划了8个教学模块，每个教学模块与课程教学目标支撑关系如表2所示。

表2 课程内容与教学目标支撑关系表

表2中的8个教学模块教学内容规划如下：

1. 单片机硬件内部结构及资源模块，要求学生熟练掌握51单片机的片内硬件结构、引脚功能、存储器（ROM、RAM、SFR）结构、位地址空间；熟练掌握51单片机的I/O端口结构及工作原理、时钟电路及时序以及时钟、复位电路的设计。

2. 在C51编程语言基础模块中，要求学生熟练掌握C51语言的数据类型与存储类型、变量定义、绝对地址访问、基本运算、程序结构、C51语言的数组、指针、函数分类、函数参数与返回值、函数调用、中断服务函数以及C51语言的宏定义与文件包含等操作方法。

3. 在51单片机人机对话接口模块中，要求学生熟练掌握控制发光二极管、LED数码管、独立式按键和矩阵式按键的处理方法，设计人机对话接口硬件电路及其软件编程。

4. 在51单片机中断系统模块中，要求学生熟练掌握51单片机中断系统的中断源、中断请求标志、中断允许与中断优先级、中断响应过程、外部中断的触发方式选择、中断请求的撤销、中断程序的编写。

5. 在51单片机定时器/计数器模块中，要求学生掌握51单片机定时器/计数器的结构以及相应的特殊功能寄存器、定时器/计数器的工作方式、计数器对外部输入计数脉冲的要求、计数初值计算、定时器/计数器应用程序编写，包括方波信号、LED灯闪烁、数码管秒表以及按键次数计数等。

6. 在51单片机串行口模块中，要求学生熟练掌握串行通信的基础知识、51单片机串行口的结构、串行口的4种工作方式、波特率的制定方法、串行通信标准接口、串行口初始化以及应用程序的编写。

7. 在51单片机系统并行扩展模块中，要求学生了解常用数据存储器RAM和程序存储器ROM芯片及其操作时序；熟练掌握51单片机系统的三总线构成、地址空间分配、外部地址锁存器、扩展外部数据存储器（RAM）接口电路及其地址空间范围计算。

8. 在51单片机与DAC、ADC接口模块中，要求学生熟练掌握D/A转换技术指标、DAC0832芯片的引脚功能、工作方式、 DAC0832和51单片机接口电路设计；熟练掌握A/D转换技术指标、ADC0809芯片的引脚功能、工作方式、ADC0809和51单片机接口电路设计。

三、基于OBE的教学体系规划

单片机原理及接口技术课程由理论教学和实践环节两部分构成，其中理论教学46学时。理论教学任务通过课堂教学和MOOC平台来完成，利用课堂教学完成课程知识点讲授，利用MOOC平台发布作业和讨论话题，考核学生对知识点掌握情况；实践环节由10学时课内实验、2周的课程设计和技能测试三部分构成，其中课内实验培养学生实验基本技能。课程设计锻炼学生项目设计能力，技能测试侧重于学生工程实践能力的培养。图2为规划的课程教学体系框图。

图2 课程教学体系

四、基于OBE的课程教学方法

完整的课程教学包含课前策划、课堂教学、课后测评三个环节，这三个环节的良好衔接可以提高教学效果。因此，合理实施课前教学策划、课堂教学方法、课后教学评测，开展线上、线下相结合的教学模式，是实现OBE教学理念的有效方法。图3是本课程教学环节实施方案框图。

图3 课程教学环节实施方案

每一个教学环节的目标及实施方案如下：

1. 课前教学策划：利用学习QQ群下发的预习知识点，将制作相应知识点的微课视频等诸多学习资料上传到QQ课堂群，并发布讨论问题，使学生有针对性地进行课前预习，带着问题去课堂听课。

2. 课堂教学方法：课堂教学是教学实施的主要形式。基于OBE理念的课堂教学必须把灌输式课堂变成对话式课堂，要注重学生能力的培养，让学生成为主体，强化学生思考。教师要采用启发式、互动式、任务驱动式和案例式多方法相结合的授课模式，满足不同教学内容的教学需要，并结合多媒体和板书的模式讲解知识点，力争获取良好的课堂教学效果。

3. 课后教学评测：利用MOOC平台作业发布功能，发布作业和发布问题讨论。通过作业和学生回答讨论问题结果，获取学生对相应知识点的掌握情况，以便在线下授课时再次重点讲解学生没有掌握的知识点。

五、基于OBE的课程考核方法

（一）课程考核模式确定

OBE教育理念的核心是学生质量，而学生质量的核心是对所学知识的掌握程度[4]。因此，单片机原理及接口技术课程的考核模式应有利于促进学生掌握单片机课程知识，促进学生学以致用。基于上述目标，本课程的考核除了期末考试外，还将课程课内实验纳入平时成绩的考核，同时又增加作品设计与实验技能测试考核环节，即单片机原理及接口技术课程的考核包括期末考试（试卷）、平时课内实验、技能测试三部分，其中期末考试（试卷）占60%，平时课内实验占10%，技能测试占30%。

（二）考核方法及成绩评定

1. 平时课内实验考核及成绩评定。平时成绩考核依据10学时的课程实验完成情况进行考核，每个实验100分，其中预习情况占20%，实验过程占50%，实验报告占30%，实验最终成绩取所有实验的平均成绩。

2. 技能测试考核及成绩评定。技能测试有实际作品制作和实验技能测试两大类，学生可以根据自己能力进行选择。表3为技能测试分类与评定规则。

表3 技能测试分类及成绩评定规则

具体内容及实施方法如下：（1）实际作品制作技能测试是授课初期下发设计项目，设计项目侧重于实际应用的小型监控装置制作，学生要独立完成其硬件制作和软件设计；期末进行验收考核，考核时学生需提交作品及原理图、源程序清单等设计资料，并进行现场演示和答辩，测评教师从作品完成情况、设计内容掌握情况，综合评定给出成绩。（2）实验技能测试类考核在期末进行，事先建立实验技能测试考核题库，难度系数分三级（见表3所示），学生根据自己情况选择相应难度级别，并从题库中随机抽题，然后学生利用实验装置独立完成实验项目的方案设计、硬件连接、软件编辑与调试。

3. 期末考试及成绩评定。根据课程3个教学目标，从单片机的硬件理论基础、软件变量定义与指令应用、程序分析、综合运用等4个方面考核学生学习效果，试卷满分为100，其中目标1占40%，目标2占50%，目标3占10%。

通过3年的教学实践，基于OBE的单片机原理及接口技术课程教学获得了非常好的教学效果。学生成绩大幅提高，学生的工程实践能力和创新能力得到提升。

[1] 吴志国, 杨宗政, 曹井国, 等. 工程教育认证背景下化工原理教学模式的改革与创新[J]. 中国轻工教育, 2018(3):70-74.

[2] 吴运兵, 朱丹红, 余小燕, 等. 服务于工程教育认证的课程教学模式探索[J]. 电气电子教学学报, 2019, 41(4): 29-33.

[3] 任红卫, 刘美. 工程教育专业认证背景下培养目标和毕业要求的制定——以广东石油化工学院电气工程及其自动化专业为例[J]. 教书育人(高教论坛), 2016(15): 20-21.

[4] 姜大伟, 刘立敏, 孙才英. 基于OBE理念的课程目标达成评价方法[J]. 黑龙江教育(高教研究与评估), 2018(10): 61-63.

10.15916/j.issn1674-327x.2022.06.032

G642.1

B

1674-327X (2022)06-0122-04

2022-05-15

任国臣(1966-)，男，辽宁锦州人，副教授。

(责任编辑：付春玲)