PBL法在“MCU技术及课程设计”中的教学探索

陆科林,彭纪程,王乾帅,符启恩,薛 磊

(东南大学自动化学院,江苏 南京 210096)

随着新一轮技术与产业变革在全球范围内兴起,世界各国陆续提出面向智能制造[1]的发展规划,如德国“工业4.0”战略、英国“工业2050战略”、日本“机器人新战略”等,我国也在大力实施“中国制造2025”等计划[2]。在工业机器人成为智能制造重要支撑设备的情况下,培养相关领域的优秀人才至关重要[3]。机器人技术具有多学科交叉、工程性强的特点,因而相关实践教学中其方案设计的合理性,对教学目标的达成具有重要影响[4]。

“单片机(microcontroller unit,MCU)技术及课程设计”的教学目标是使学生理解单片机的基本原理,掌握单片机的使用方法,培养学生软硬件协同设计的能力[5]。考虑到课程的实践性较强,同时为了进一步培养学生的工程实践能力,采用了基于问题学习(problem-based learning,PBL)的教学方法[6]。这对于提升学生对复杂工程问题的分析及解决能力,以及培养学生团队协作与创新意识具有重要意义[7]。

PBL教学方法是一种以“学”为中心的教学方法,强调理论与应用相结合[8]。教师在教学过程中以提问题的方式引导学生主动解决问题,从而提高学生的自主学习意识[9]。本文将结合“MCU技术及课程设计”课程,就PBL教学方法在其中的应用等进行探讨。

1 课程教学现状及特点

“MCU技术及课程设计”的教学目的是使学生通过对单片机结构组成、指令系统、输入输出接口、时钟系统及存储系统等内容的学习,掌握嵌入式系统的基础知识,并具备软硬件协同设计的应用能力。该课程目前主要存在以下几个问题:

1)课程涉及软件编程、硬件实现及系统测试等多个方面,知识面较宽且交叉多。传统的“灌输式”教学模式采用大篇幅的原理介绍来引导学生入门,忽略了与工程应用相结合,影响教学效果。如何通过串联相关知识来提炼课堂教学内容,需要依托实际工程应用的系统化设计思想,调动学生主动学习的积极性,增强对学生动手能力的培养。

2)课程实验的教学模式以学生根据授课内容自行操作为主,而教师主要通过检查实验结果和实验报告来评定学生对于知识点的掌握情况。在学生数量较多的情况下,这种教学模式在跟进每个学生的实验进度方面具有局限性,例如部分自学能力较强的学生会有较好的学习效果,而自学能力较弱的学生易出现实验程序单一化的现象。

3)目前课程设计主要停留在以验证性操作为主的阶段,限制了对学生创造性的培养。例如实验平台在提供便捷开发资源的同时,容易让学生停留在会用而不理解的阶段。由于没有将相关知识进行融合,导致学生在面对实际工程应用时无从下手,因此有必要设计出既具有一定难度和工程背景,同时又能够让学生上手的课题,帮助学生在理论学习中做到融会贯通。

2 “MCU技术及课程设计”课程体系

“MCU技术及课程设计”与前修课程在内容上存在交叉点,因此有必要发挥前修课程的基础优势,引导学生温故而知新。对于本门课程而言,其与“微机系统与接口”课程的继承性较强,因此在授课过程中可适当跳过嵌入式计算机系统概述,微机的运算基础、指令系统、存储器系统等基本概念,以面向工程应用的MCU基本外设、软硬件开发环境、常用接口设计和图形化界面为主要教学内容。而课堂实验与课程设计的开展也可以建立在学生已掌握一定C语言编程技能的基础之上。此外,本课程与“嵌入式系统及课程设计”、“计算机控制系统”等后续课程也存在一定程度的交叉。因此,有必要结合专业课程群的实际情况进行教学安排与衔接,既充分体现本课程与其他课程的区别,又形成有效衔接,达到相辅相成的效果。

基于上述分析,所设计的课程教学内容主要包括3个主要模块:输入输出接口、系统时钟和定时器、图形化界面显示。上述安排主要考虑了专业培养体系中不同课程之间的关系。一方面,本专业学生在之前所修的课程中已经初步建立了微机系统的基本概念和编程基础,能够面向MCU硬件展开更深入的学习。另一方面,考虑到学生后续还将学习的硬件类课程并不局限于MCU,因此需要结合本课程的实验平台,选择有代表性的重要知识点详细讲解,并利用PBL方法来突出实际工程问题的解决思路。相比以往的教学内容,新增的教学模块通过串联相关知识进一步提炼了课堂教学内容,有助于提升学生对于实际工程问题的分析和解决能力,并能够提高学生的团队协作意识和创新精神。在达成度评价指标方面提升了约20%,这说明教学内容的修改在充分调动学生主动学习积极性的同时,有助于引导学生将理论知识的学习上升到实际应用中,使学生的动手能力得到锻炼。

3 基于PBL的教学案例设计

PBL教学方法强调以学生为中心,通过引导学生投入到具体问题中,激发学生主动学习的意识,从而提升教学效果[10]。在“MCU技术及课程设计”中引入PBL的先进理念,有助于提高学生解决实际问题的能力。教师通过选取具有代表性的应用实例,构造不同的问题情境,进而组织学生以分组的形式开展研讨,并从中获取知识和技能。

3.1 案例一:输入输出接口

在前修课程“微机系统与接口”中已介绍了输入输出控制和接口技术,但是对如何利用引脚控制发光二极管(light-emitting diode,LED)的亮灭,以及调整LED的闪烁周期并没有展开深入介绍。为此,在本门课程的教学安排中,以MSP430的输入输出接口作为切入点,设计了手动控制LED跑马灯的实验案例,其任务包括操作寄存器实现输入输出引脚控制,利用中断函数提高CPU使用效率,以及以软件方式实现按键消抖。

教师在理论教学中主要介绍MSP430体系结构及相关概念,包括地址空间、寻址模式、指令系统以及端口概述等。在实验教学中,通过提供开源软件和参考文档等资源,提高学生的学习效率。学生不仅需要主动阅读参考文献,还需要在CCS和IAR等软件开发环境中编写算法程序,最后在MSP430平台上进行验证。

3.2 案例二:系统时钟和定时器

定时功能模块是MCU硬件系统的重要部分,能够用来实现定时控制、频率测量及信号产生等功能。因此,本课程以系统时钟和定时器作为切入点,设计了基于MSP430的电机控制实验案例。

教师在理论教学中主要介绍MSP430系统时钟与定时器的基础概念,包括各种时钟信号的产生、时钟配置和输入选择、锁频环电路与时钟的校正、PWM控制技术以及定时器的工作原理等。在实验教学中,鼓励学生自主进行方案调研,并在允许试错的条件下寻找合适的技术路线。学生需要理解时钟系统的基本原理,学习如何配置相关寄存器,掌握PWM控制技术,最终实现对步进电机和直流电机的调速控制。

3.3 案例三:图形化界面显示

图形化显示模块是MCU硬件系统的重要部分,能够用来实现段式液晶显示器(liquid crystal display,LCD)的驱动和控制、字符显示等功能。本课程以图形化界面显示作为切入点,设计了基于MSP430的人机界面设计实验案例。硬件平台同时采用TM1638芯片以实现读取键盘状态和LED数码管控制的功能。

教师在理论教学中主要介绍MSP430图形化显示模块的主要特点及结构,在实验教学中,采用PBL和成果导向教育相结合的思路,以解决实际工程问题为背景布置课设题目,引导学生明确学习目标。另一方面,也鼓励学生以组队的形式完成课程设计,因此对其团队协作能力也能起到较好的锻炼作用。

综上所述,本课程通过设计基于PBL的教学案例以构造不同问题的学习情境,进而通过组织分组讨论来促进学生之间交流合作的方法具有一定的创新性。从实际效果来看,在调研相关资料、分组研究讨论、后期总结汇报等教学环节,学生的自主积极性均得到了提高。此外,鼓励学生采用团队合作的方式也有效缓解了由于项目内容复杂而在前期易于产生的消极或畏难情绪。

4 PBL教学法实施中需要注意的问题

在“MCU技术及课程设计”的教学实践中,利用PBL方法引导学生参与项目设计,提高了学生的积极性。但在具体的实施过程中,仍存在一些值得注意的问题,这对教师提出了更高的要求。接下来主要从如下3个方面展开讨论。

1)虽然PBL教学在激发学生的学习兴趣和创造性方面具有优势,但并不能完全取代传统的课堂教学。在基础知识的学习阶段,教师应根据学生的实际情况适当调整课堂教学和PBL教学的比重。对于单片机的基本概念与原理等知识的讲解,仍然以课堂授课的方式为主;而对于实验与课程设计,则可以将PBL与成果导向教育(outcome based education,OBE)等方法结合,增强学生的学习兴趣。

2)为了在教学中高效率地实施PBL方法,教师应注意选题的目的性与合理性。例如在布置课题任务时,需要以解决教学中存在的问题,以及引导学生进入主动学习的状态为目的。考虑到实际教学过程中学生知识结构的差异性,教师应当兼顾不同学习水平的学生,精心设计由浅至深的教学目标,循序渐进地达成教学计划,从而既能保证基本教学目标的实现,又能让学有余力的学生得到进一步提高。

3)PBL法在教学实施中的另一挑战性问题是如何有效评估学生的学习效果。在强调以“学”为中心的前提下,教学模式的改变势必会引起评估模式的调整。相比于对学生的学习结果进行评估,如何对学生的学习过程进行评估具有更高的挑战性。教师可通过课上小组互评与教师课后评价相结合的方式,综合评估学生在问题分析、方案设计及成果展示等多环节的表现,从而实现对学生知识掌握情况的有效评价。

5 结束语

本文根据“MCU技术及课程设计”的课程特点,从课程教学现状及特点、课程体系、PBL教学案例设计等方面提出了一系列的探索思路,并介绍了一些有效的成果。开展基于PBL的课程教学改革,是培养学生工程实践能力和创新能力的关键,也有助于更好地发挥本门课程与相关课程深度融合的潜在优势。