基于进阶式项目驱动的单片机课程教学实践*

吴双娥，王锦荣，邱炎儿

(吕梁学院物理系,山西 离石 033000)

《华盛顿协议》对毕业生明确提出了十二条毕业要求,要求毕业生能综合应用知识解决实际工程复杂问题[1]。依据我校人才培养方案培养高素质应用型人才,对《单片机原理及应用》课程,目前教学中存在的学生学习理论知识后不知如何进行项目设计问题进行教学实践探索,该课程的特点是应用性较强,能够有效提升学生实践动手能力、更好地实现教学过程与企业用人需求对接,并促进学生加强自我道德修养,最终实现培养应用型人才,提升学生就业创业能力的教学目的。

文章通过对目前教学中存在的问题展开研究,并提出进阶式项目驱动的单片机课程实践教学模式,逐步提升学生的自主学习能力、实践能力、创新能力。

1 课程当前教学状况

《单片机原理及应用》课程是电子信息工程专业的专业教育课程,该类课程在我校的授课对象是本科大二年级学生,学生有一定的先修课程基础,但课程实践性强,而实践课堂与理论课堂不能较好地融合,因此目前课程教学中存在有以下问题:第一,学生不能很好地将理论与实践有机结合。第二,理论课堂中,学生学习目标不明确,学习积极主动性未能充分调动。第三,线上线下结合过程中,学生的学习效果未得到明显提高。因此,要提升学生综合实践能力,让学生毕业后能够更好地解决实际工程复杂问题,提出了基于进阶式项目驱动的单片机课程教学实践探索。

基于进阶式项目驱动的单片机课程教学模式将教学内容以项目为单元,重整教学内容。项目的设计采取进阶式项目:基础性项目、提高性项目、拓展性项目,逐步提升学生的实践动手能力。高校要培养综合素质较高的应用型人才,课程建设要以企业用人需求为导向、以实践能力培养为重点,重塑课程内容,将实践教学和课程思政真正融入到课堂里,激发学生的学习热情,有效提升学生的实践动手能力[2]。

2 进阶式项目实施方案

2.1 理论教学依据进阶式项目重新整合

《单片机原理及应用》课程教学内容主要包括MCS-51的C语言及汇编语言程序编写、单片机内部结构等,传统教学中一般是以理论知识为主,为先,且实际教学中按照教材中相应内容的章节顺序,并结合教学大纲、教学进度表,先进行单片机内部结构讲解,之后C语言、汇编语言程序编写。而实践环节的进行需要软硬件结合,由此导致课程安排上理论与实践脱节,加上单片机内部结构所涉及的知识点抽象且难于理解、学生不能很好地将所学理论知识应用于实践,导致实践环节中拓展性项目、提高性项目甚至是课程设计中,一旦涉及学生自主操作部分,学生便无从下手。

理论教学及实践教学通过项目融合,将项目融入理论课堂,为解决理论知识抽象理解难问题,理论课堂中教学内容以项目为单元,以实际工程项目导入,引出教学内容,最后再利用所授内容解决导入中项目,以使课堂教学效果呈现最佳状态。

教学内容中项目的选取,将全国大学生电子设计竞赛、蓝桥杯竞赛、全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛相关模块融入教学内容,将学生就业和企业岗位需求相结合,以企业需求和产出为导向,将毕业要求与相应指标点清晰对应,注重科技前沿技术,结合学生感兴趣方向,设计不同难度、不同考察点的项目(表1为十字路口交通灯项目的不同等级项目案例)。项目的设计按照“进阶式项目导学”的理念,将项目按项目规模和涉及的能力范围划分为三个等级,从基础性项目到拓展性项目[3]。根据实际教学状况适当增加课程难度、拓展课程深度,教学项目包括基础性项目、提高性项目、拓展性项目,由易到难循序渐进。

表1 十字路口交通灯项目内容及项目等级与毕业要求指标点岗位需求对应关系

2.2 实践依据进阶式项目难度逐一实施

2.2.1 基础性项目

基础性项目的内容涵盖了课程中I/O口、定时/计数器、串行通信、外部中断、人机接口等重点和难点内容。基础性项目中涉及基础知识点模块,如十字路口交通灯项目,任务要求是编程实现东西向绿灯亮若干秒,黄灯闪烁5次后红灯亮,红灯亮后,南北向由红灯变为绿灯,若干秒后南北向黄灯闪烁5次后变红灯,东西向变绿灯,如此重复。如图1所示。

图1 十字路口交通灯(未设定通行时长)

基础性项目要求由学生课前完成,以学生独立运行例程为主,学生根据“学习通”推送的视频资料,自行安装keil软件、proteus软件,熟悉程序设计流程、proteus仿真操作步骤和结果调试的整个过程,使得学生对单片机运行电路的硬件框架、软件流程有一定了解,并在视频学习中边学习边操作录制基础性项目操作视频,很好地完成基础性项目并上传视频作业。帮助学生较好地理解理论知识,明确学习目标。

2.2.2 提高性项目

提高性项目的设计基于keil软件和proteus仿真软件,是在基础性项目基础上提升难度,如在基础性项目十字路口交通灯基础上增加东西向、南北向通行时间,设定通行时间为20 s。根据项目设计的任务及功能要求,教师要提前完成各项指标设计,进行现场演示,并从具体的电路搭建、仿真、程序编写调试等流程进行系统讲解,随后由学生分工合作搭建电路、编写程序、仿真调试,实现系统相应功能。

提高性项目借助“学习通”中“分组任务”实施,在分组任务的实施过程中,学生既能发挥自己的长处,也能培养团队的合作精神,在完成项目过程中互帮互助,提升各自的工程素养能力[4]。分组合作中可以激发学生提出有价值的观点,并凝练创新点。

2.2.3 拓展性项目

拓展性项目设计要求学生在提高性项目的基础上拓展功能。如在提高性项目十字路口交通灯基础上,增加数码管显示通行倒计时,如图2所示,显示东西向、南北向通行时长20 s倒计时。教师要结合任务内容,引导学生探究式与个性化学习、实现创新。

图2 十字路口交通灯(数码管显示通行时长)

拓展性项目分组时,要求学生承担不同模块的任务,确保学生在拓展性项目的设计中能够熟悉各个环节的具体操作流程,进而提高学生的软硬件设计能力。教师在引导学生完成任务的各个环节中,要注重提高学生应用理论知识解决实际问题的意识,使其善于总结其规律和技巧,提升学生的主体地位。例如十字路口交通灯设定通行时长等,促使学生主动查阅文献,制定设计方案,引导学生独立思考、自主学习新知识、新技术,并把所学知识应用到实践中,培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维[5]。

提高性项目和拓展性项目安排在课堂进行。拓展性项目实施中,学生能够根据教师“学习通”发布的具体项目任务及实验最终效果演示,学生自由组合成立学习小组较好地完成拓展功能,给出硬件电路图、编写程序、在proteus中仿真调试后烧录至开发板运行。拓展性项目学生能够在提高性项目基础上,进行功能拓展及创新。

3 考核方式

在课程考核评价中坚持能力导向,具体落实《深化新时代教育评价改革总体方案》中提出的“改进结果评价,强化过程评价,探索增值评价,健全综合评价”的原则要求[6],以及《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》提出的“加强考试管理,严格过程考核,加大过程考核成绩在课程成绩中的比重,健全能力与知识并重的多元化学业考核评价体系[7]”要求的措施方法与实施机制。

该课程满分100分,考核模式采取多维多角度考核。考核部分包括平时60%和期末测试40%。考核评价细则如下:平时包括基础性项目20%、提高性项目部20%、拓展性项目15%、理论课堂5%。

基础性项目包括学习通发布视频的观看情况5%、项目功能的实现情况10%、小组边操作边讲解上传的视频作业5%;提高性项目包括小组制定的设计方案10%(硬件电路图、proteus中仿真效果)、项目功能的实现情况10%;拓展性项目包括小组的融洽度5%(分工合作形式体现)、问卷调查5%、项目功能的实现情况5%;理论课堂5%(小组参与讨论的活跃度)。

不同等级项目完成后,教师依据不同等级项目考核点如表2所示,对项目进行考核,考核结果表明学生能够100%完成基础性项目,拓展性项目的完成情况能够达到90%,而提高性项目的完成情况能够达到80%。依据课程单项教学目标达成情况及课程总体教学目标达成情况对课程质量评价并持续改进。

表2 十字路口交通灯项目不同等级项目的考核方式

4 结论

本文针对《单片机原理及应用》课程目前教学中存在的问题展开研究,提出进阶式项目驱动的《单片机原理及应用》课程实践教学模式。依据学生的接受能力循序渐进,通过本次教学改革实践,学生在完成项目的过程中,对工程的认知能力和动手实践能力得到有效提升,极大提高了学生的自主学习能力、单片机系统的设计与开发能力。实践证明教学改革取得了积极成效,学生的企业岗位适应能力、实践能力得到锻炼。但仍需要对教改方案经过多轮实施、持续改进。