項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-0079〔2022〕29-0046-01

單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、功能齊全、抗干擾性高、可靠性好、易于開發(fā)擴(kuò)展等獨(dú)特特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化及智能儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各種設(shè)備儀器中。[1]近年來，隨著各種機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提高，用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械電子設(shè)備的控制顯得越來越重要。因此掌握單片機(jī)技術(shù)，了解其工作原理，特別是具備單片機(jī)的根本操作技能，成為當(dāng)代理工科專業(yè)大學(xué)生的重要任務(wù)。

到目前為止，單片機(jī)原理及應(yīng)用是多數(shù)理工科院校電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信項(xiàng)目、電氣項(xiàng)目及其自動(dòng)化等電氣信息類專業(yè)的主干課程。該門課程以C語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字電路、模擬電路為前續(xù)根底課程，同時(shí)對(duì)嵌入式系統(tǒng)和DSP技術(shù)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有重要影響。

一、教學(xué)背景

傳統(tǒng)的單片機(jī)課程，在教學(xué)內(nèi)容的選擇和教學(xué)順序的設(shè)置上，通常采用的是理論與實(shí)踐相互結(jié)合、先理論后實(shí)踐的模式，程序設(shè)計(jì)語言通常采用匯編語言。從實(shí)際效果看，理論課程大多圍繞單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信、單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展等相關(guān)知識(shí)展開，學(xué)生處于被動(dòng)接受狀態(tài)，在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中參與度不高，容易感到干燥和倦?。粚?shí)際的拓展性應(yīng)用知識(shí)講解較少，無法體現(xiàn)當(dāng)今社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，對(duì)學(xué)生真正掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)沒有實(shí)質(zhì)性的幫忙。

相對(duì)于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)非常有限。以筆者所在院校電氣項(xiàng)目及其自動(dòng)化專業(yè)為例，單片機(jī)原理及應(yīng)用理論學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)僅為16學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般在理論教學(xué)中后期才展開，受課時(shí)限制，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)也大多局限于對(duì)單片機(jī)的簡單操作和自身功能驗(yàn)證之上，而很少拓展到單片機(jī)的具體應(yīng)用領(lǐng)域。又由于不足后續(xù)相關(guān)課程的撐持，沒有能夠?qū)纹瑱C(jī)教學(xué)與相關(guān)課程有機(jī)結(jié)合，將所學(xué)知識(shí)有機(jī)系統(tǒng)的串聯(lián)起來，對(duì)單片機(jī)“軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)辦法〞強(qiáng)調(diào)不夠，使得學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)短少系統(tǒng)化的思想。[2]

此外，多數(shù)院校單片機(jī)課程成績的評(píng)定多是以期末理論考試為主，考核方式欠缺多樣性，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核欠缺有效的考評(píng)機(jī)制，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中重理論而輕實(shí)驗(yàn)，忽略了單片機(jī)作為一門應(yīng)用性極強(qiáng)的課程的本質(zhì)。

二、工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在單片機(jī)教學(xué)中的實(shí)踐

1.工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

所謂工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，是一種基于探究性學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，是指教師把教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)提煉出來，巧妙地蘊(yùn)含在一個(gè)個(gè)具體的工程中，把相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)融入到工程的各個(gè)環(huán)節(jié)中，層層推進(jìn)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、開展學(xué)生動(dòng)手能力的教學(xué)方式。工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法把教師的作用更多的定位在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、引導(dǎo)學(xué)生成功上，教與學(xué)都是圍繞著所設(shè)計(jì)的工程來展開。

工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法比擬適合實(shí)踐性較強(qiáng)的理工科課程教學(xué)，它要求師生改變傳統(tǒng)的觀念和角色，充沛發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位和教師在教學(xué)中的組織、引導(dǎo)、促進(jìn)、控制作用，把學(xué)生認(rèn)為干燥的知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，有利于真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、實(shí)踐能力、增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立意識(shí)和協(xié)作精神。[3]

2.工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在單片機(jī)教學(xué)中的實(shí)踐

把工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法應(yīng)用于單片機(jī)課程教學(xué)過程中，首先要解決的是編程語言的選擇問題。現(xiàn)今大多數(shù)的單片機(jī)教材的編程語言都是以匯編語言為主，使用匯編語言編程的優(yōu)點(diǎn)在于其所編寫程序的代碼緊湊、執(zhí)行時(shí)間短、便于控制。然而其缺點(diǎn)也是明顯的――由于其不足通用性，需要程序編寫人員對(duì)單片機(jī)硬件系統(tǒng)有相當(dāng)深入的理解，且程序不易移植，所以不利于單片機(jī)教學(xué)。C語言由于其運(yùn)算速度快、有良好的可移植性、且編譯效率高，可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)硬件系統(tǒng)的控制，因此筆者所在院校從2022級(jí)電氣信息類本科專業(yè)開始，在單片機(jī)教學(xué)中采用了C語言編程。

其次，把工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法應(yīng)用于單片機(jī)課程教學(xué)實(shí)踐中，工程內(nèi)容的設(shè)計(jì)與提煉極其重要和關(guān)鍵。工程內(nèi)容的設(shè)計(jì)要打破原有教學(xué)框架，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，以學(xué)生為中心，由簡單開始，將單片機(jī)課程的核心技術(shù)提煉為假設(shè)干知識(shí)點(diǎn)，并通過一個(gè)個(gè)具體案例來體現(xiàn)。引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)。一個(gè)工程的設(shè)計(jì)需要由不同的知識(shí)點(diǎn)去組合和搭建，如“基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)〞，不但要求學(xué)生熟練單片機(jī)的I/O口操作，還要熟悉數(shù)碼管的顯示知識(shí)；同樣“簡易搶答器設(shè)計(jì)〞，不但要熟練單片機(jī)的I/O口操作、數(shù)碼管的顯示知識(shí)，還要熟悉按鍵等的操作，因此，每個(gè)工程又可被分解為假設(shè)干任務(wù)。

筆者依據(jù)本校電氣信息類專業(yè)對(duì)“單片機(jī)原理及應(yīng)用〞課程教學(xué)內(nèi)容的要求，結(jié)合自身實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，把單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容大致分解為三大模塊，詳見表1。

表1工程內(nèi)容及任務(wù)

在這三大模塊中，根底訓(xùn)練模塊教學(xué)內(nèi)容由單片機(jī)最小系統(tǒng)、I/O接口、數(shù)碼管顯示技術(shù)等組成；技能模塊教學(xué)內(nèi)容由單片機(jī)的中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口通信、電機(jī)控制等組成；綜合訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容由模擬交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和簡易搶答器設(shè)計(jì)等組成。在根底模塊教學(xué)階段，教師通過講解和演示的形式以提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生熟悉常用的編程軟件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用辦法。技能模塊教學(xué)設(shè)置與根底模塊一致，教師先講解后演示，綜合訓(xùn)練模塊不再設(shè)置講解環(huán)節(jié)，教師布置題目后，學(xué)生自行完成，教師點(diǎn)評(píng)工程報(bào)告。每個(gè)工程結(jié)束后，教師都要求學(xué)生撰寫工程報(bào)告并據(jù)此進(jìn)行教學(xué)評(píng)估。此外，在單片機(jī)教學(xué)過程中，對(duì)局部教學(xué)工程，在實(shí)驗(yàn)板不能滿足教學(xué)需要的情況下，還引入了Proteus單片機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真軟件結(jié)合KeilC軟件編程，用虛擬單片機(jī)系統(tǒng)來替代實(shí)際硬件電路，把程序運(yùn)行于虛擬的MCU上，使軟件調(diào)試不再依賴于實(shí)際的硬件電路，當(dāng)仿真結(jié)果到達(dá)系統(tǒng)預(yù)期目的后，還可以進(jìn)行實(shí)際硬件電路的制作。仿真軟件的使用讓學(xué)生不再受限于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使其能夠更加靈活、深入地學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)。

對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對(duì)缺乏的現(xiàn)狀，將局部理論課時(shí)移到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，構(gòu)建理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)模式。教師每講授完一個(gè)工程，立刻要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐，同時(shí)充沛利用開放實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的有限學(xué)時(shí)，作為實(shí)踐學(xué)時(shí)的有效補(bǔ)充，通過充沛的實(shí)踐使學(xué)生掌握單片機(jī)的軟硬件資源及工作原理。

三、教學(xué)體會(huì)

實(shí)踐說明，在對(duì)本校2022-2022級(jí)電氣信息類本科專業(yè)單片機(jī)教學(xué)中引入工程驅(qū)動(dòng)通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容的精簡的教學(xué)法的嘗試，，到達(dá)了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的目的。工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法中工程的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循循序漸進(jìn)、從易到難的原那么，以合乎學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法將局部理論課時(shí)移到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，把課堂還給了學(xué)生，實(shí)現(xiàn)了理實(shí)一體化教學(xué)，突出了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，尤其適用于應(yīng)用性較強(qiáng)的理工科課程教學(xué)。

工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在對(duì)單片機(jī)理論教學(xué)內(nèi)容精簡的根底上，更加重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)