項目驅(qū)動教學(xué)法在單片機課程教學(xué)中的應(yīng)用

項目驅(qū)動教學(xué)法在單片機課程教學(xué)中的應(yīng)用工程驅(qū)動教學(xué)法在單片機課程教學(xué)中的應(yīng)用

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

單片機以其體積小、價格低、功能齊全、抗干擾性高、可靠性好、易于開發(fā)擴展等獨特特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化及智能儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各種設(shè)備儀器中。[1]近年來，隨著各種機械設(shè)備自動化程度的不斷提高，用單片機來實現(xiàn)對各種機械電子設(shè)備的控制顯得越來越重要。因此掌握單片機技術(shù)，了解其工作原理，特別是具備單片機的根本操作技能，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)、通信項目、電氣項目及其自動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、數(shù)字電路、模擬電路為前續(xù)根底課程，同時對嵌入式系統(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踐相互結(jié)合、先理論后實踐的模式，程序設(shè)計語言通常采用匯編語言。從實際效果看，理論課程大多圍繞單片機的結(jié)構(gòu)及原理、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、串行通信、單片機系統(tǒng)擴展等相關(guān)知識展開，學(xué)生處于被動接受狀態(tài)，在整個教學(xué)活動中參與度不高，容易感到干燥和倦??；實際的拓展性應(yīng)用知識講解較少，無法體現(xiàn)當(dāng)今社會對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，對學(xué)生真正掌握單片機控制系統(tǒng)沒有實質(zhì)性的幫忙。

相對于理論教學(xué)，實驗教學(xué)學(xué)時非常有限。以筆者所在院校電氣項目及其自動化專業(yè)為例，單片機原理及應(yīng)用理論學(xué)時為48學(xué)時，實驗學(xué)時僅為16學(xué)時。實驗教學(xué)一般在理論教學(xué)中后期才展開，受課時限制，實驗重點也大多局限于對單片機的簡單操作和自身功能驗證之上，而很少拓展到單片機的具體應(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教學(xué)與相關(guān)課程有機結(jié)合，將所學(xué)知識有機系統(tǒng)的串聯(lián)起來，對單片機“軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計辦法〞強調(diào)不夠，使得學(xué)生在設(shè)計實際的應(yīng)用系統(tǒng)時短少系統(tǒng)化的思想。[2]

此外，多數(shù)院校單片機課程成績的評定多是以期末理論考試為主，考核方式欠缺多樣性，對學(xué)生實踐能力的考核欠缺有效的考評機制，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中重理論而輕實驗，忽略了單片機作為一門應(yīng)用性極強的課程的本質(zhì)。

二、工程驅(qū)動教學(xué)法在單片機教學(xué)中的實踐

1.工程驅(qū)動教學(xué)法

所謂工程驅(qū)動教學(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)重點提煉出來，巧妙地蘊含在一個個具體的工程中，把相關(guān)的知識點融入到工程的各個環(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)生動手能力的教學(xué)方式。工程驅(qū)動教學(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)計的工程來展開。

工程驅(qū)動教學(xué)法比擬適合實踐性較強的理工科課程教學(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)為干燥的知識轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦拥膶W(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、實踐能力、增強學(xué)生獨立意識和協(xié)作精神。[3]

2.工程驅(qū)動教學(xué)法在單片機教學(xué)中的實踐

把工程驅(qū)動教學(xué)法應(yīng)用于單片機課程教學(xué)過程中，首先要解決的是編程語言的選擇問題?，F(xiàn)今大多數(shù)的單片機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)點在于其所編寫程序的代碼緊湊、執(zhí)行時間短、便于控制。然而其缺點也是明顯的――由于其不足通用性，需要程序編寫人員對單片機硬件系統(tǒng)有相當(dāng)深入的理解，且程序不易移植，所以不利于單片機教學(xué)。C語言由于其運算速度快、有良好的可移植性、且編譯效率高，可以直接實現(xiàn)對單片機硬件系統(tǒng)的控制，因此筆者所在院校從2022級電氣信息類本科專業(yè)開始，在單片機教學(xué)中采用了C語言編程。

其次，把工程驅(qū)動教學(xué)法應(yīng)用于單片機課程教學(xué)實踐中，工程內(nèi)容的設(shè)計與提煉極其重要和關(guān)鍵。工程內(nèi)容的設(shè)計要打破原有教學(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，將單片機課程的核心技術(shù)提煉為假設(shè)干知識點，并通過一個個具體案例來體現(xiàn)。引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，在實踐中學(xué)習(xí)。一個工程的設(shè)計需要由不同的知識點去組合和搭建，如“基于單片機的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計〞，不但要求學(xué)生熟練單片機的I/O口操作，還要熟悉數(shù)碼管的顯示知識；同樣“簡易搶答器設(shè)計〞，不但要熟練單片機的I/O口操作、數(shù)碼管的顯示知識，還要熟悉按鍵等的操作，因此，每個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“單片機原理及應(yīng)用〞課程教學(xué)內(nèi)容的要求，結(jié)合自身實際教學(xué)經(jīng)驗，把單片機教學(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)容由單片機的中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串口通信、電機控制等組成；綜合訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容由模擬交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計和簡易搶答器設(shè)計等組成。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驗平臺的使用辦法。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，教師點評工程報告。每個工程結(jié)束后，教師都要求學(xué)生撰寫工程報告并據(jù)此進(jìn)行教學(xué)評估。此外，在單片機教學(xué)過程中，對局部教學(xué)工程，在實驗板不能滿足教學(xué)需要的情況下，還引入了Proteus單片機系統(tǒng)虛擬仿真軟件結(jié)合KeilC軟件編程，用虛擬單片機系統(tǒng)來替代實際硬件電路，把程序運行于虛擬的MCU上，使軟件調(diào)試不再依賴于實際的硬件電路，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)有的實驗課時和實驗設(shè)備，使其能夠更加靈活、深入地學(xué)習(xí)單片機知識。

對單片機實驗課時相對缺乏的現(xiàn)狀，將局部理論課時移到實驗室進(jìn)行，構(gòu)建理論與實踐一體化的教學(xué)模式。教師每講授完一個工程，立刻要求學(xué)生進(jìn)行實踐，同時充沛利用開放實驗和課程設(shè)計的有限學(xué)時，作為實踐學(xué)時的有效補充，通過充沛的實踐使學(xué)生掌握單片機的軟硬件資源及工作原理。

三、教學(xué)體會

實踐說明，在對本校2022-2022級電氣信息類本科專業(yè)單片機教學(xué)中引入工程驅(qū)動通過對教學(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)動教學(xué)法中工程的設(shè)計應(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)動教學(xué)法將局部理論課時移到實驗室進(jìn)行，把課堂還給了學(xué)生，實現(xiàn)了理實一體化教學(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)用性較強的理工科課程教學(xué)。

工程驅(qū)動教學(xué)法在對單片機理論教學(xué)內(nèi)容精簡的根底上，更加重視實驗教學(xué)