“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的單片機(jī)課程群建設(shè)改革實(shí)踐

俸皓　陳宏　陳俊彥　雷曉春

【摘 要】針對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，傳統(tǒng)課程教學(xué)目標(biāo)單一且不連貫的缺點(diǎn)，提出了構(gòu)建以單片機(jī)系列硬件課程為核心的課程群建設(shè)方案，并通過(guò)修訂教學(xué)大綱、提高教學(xué)水平豐富教學(xué)資源、要求并引導(dǎo)學(xué)生參加各類(lèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目等措施對(duì)課程群進(jìn)行建設(shè)。通過(guò)實(shí)踐證明，該課程群的建設(shè)，可以提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，適應(yīng)培養(yǎng)解決復(fù)雜問(wèn)題的工程型人才的要求。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)課程群;互聯(lián)網(wǎng)+;教學(xué)改革實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)： TP368.1-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）26-0089-002

【Abstract】Considering of the Internet+ environment， the traditional teaching objectives are single and incoherent. This paper proposes a construction project of a hardware curriculum group centered on the curriculum of the single chip microcomputer. The course group should be constructed by revising the syllabus， improving the teaching level， enriching teaching resources and demands， and guiding students to participate in various innovative and entrepreneurial projects. Practice has proved that the construction of this course group can improve studentscreative ability and meet the requirements of training engineering talents to solve complex problems.

【Key words】Single chip microcomputer curriculum group; Internet plus; Teaching reform practice

0 引言

計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程在各個(gè)高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系占據(jù)了重要的地位。這類(lèi)課程具有理論性強(qiáng)、學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)、與實(shí)際工程聯(lián)系緊密、強(qiáng)調(diào)實(shí)踐等特點(diǎn)[1]，也正是因?yàn)檫@樣，硬件類(lèi)課程往往是高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程中的薄弱環(huán)節(jié)。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，隨著各種新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架的興起，由于各種軟件類(lèi)課程甚至能夠以“所見(jiàn)即所得”的方式快速獲得開(kāi)發(fā)成果，使得學(xué)生在選擇專(zhuān)業(yè)的時(shí)候更加傾向于軟件類(lèi)課程[2]。在大類(lèi)招生的趨勢(shì)下，這將進(jìn)一步惡化計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的硬件開(kāi)發(fā)能力。本文從單片機(jī)系列課程的視角出發(fā)，為硬件類(lèi)課程群的建設(shè)及實(shí)踐做出了有益的探討和嘗試。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足

除去作為電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)公共基礎(chǔ)課的數(shù)字＼模擬電路等課程之外，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的硬件類(lèi)課程主要包含《匯編語(yǔ)言》、《微機(jī)原理與接口技術(shù)》、《單片機(jī)原理與應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》等課程及其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和課程設(shè)計(jì)。由于傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要強(qiáng)調(diào)各門(mén)課程自身的獨(dú)立性、系統(tǒng)性和完整性，而忽略了課程間的橫向聯(lián)系和交叉、綜合，未從課程群的角度很好地將內(nèi)容體系整合和優(yōu)化，導(dǎo)致了學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中的混淆和困惑，從而學(xué)習(xí)效率低下，最終使得上述課程的教學(xué)合力和整體培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)不能最大限度地發(fā)揮，直接導(dǎo)致畢業(yè)生大部分是嵌入式理論有余，而實(shí)際應(yīng)用上的工程能力不足[3]。從我校近年來(lái)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的分布嚴(yán)重偏軟也可以看出這一點(diǎn)。盡管我們進(jìn)行了系列的教學(xué)改革，但多以課堂教學(xué)或單門(mén)課程改革為核心，點(diǎn)多面廣、各自為戰(zhàn)，研究成果不具全局性與系統(tǒng)性，教學(xué)資源利用率依舊不高。

以《單片機(jī)原理與應(yīng)用》為例，該課程教學(xué)長(zhǎng)久以來(lái)均由兩個(gè)環(huán)節(jié)組成：理論環(huán)節(jié)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，兩個(gè)環(huán)節(jié)在時(shí)間和空間上分離。一些理論知識(shí)如寄存器、三總線(xiàn)、中斷系統(tǒng)等概念相對(duì)抽象，學(xué)生很難理解。理論實(shí)踐分離的教學(xué)形式，很難短時(shí)間內(nèi)做到融會(huì)貫通，教學(xué)效果有限。直接影響到了后續(xù)的《單片機(jī)原理課程設(shè)計(jì)》、《單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)》、畢業(yè)設(shè)計(jì)、參與學(xué)科競(jìng)賽等環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

此外由于嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用系統(tǒng)的多樣性與傳統(tǒng)授課方式下的課程容量的有限性之間的沖突，導(dǎo)致了無(wú)論如何增加課時(shí)，都不可能容納下所有的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所需要的知識(shí)。這就要求引入課程群的方式，目的就是要追求一加一大于二的優(yōu)化教學(xué)效果。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的單片機(jī)課程群建設(shè)改革實(shí)踐

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件類(lèi)課程往往以《計(jì)算機(jī)組成原理》為基礎(chǔ)展開(kāi)，而組成原理課程通常在二年級(jí)下學(xué)期或三年級(jí)上學(xué)期開(kāi)設(shè)，因此圍繞組成原理課程進(jìn)行課程群的建設(shè)一來(lái)時(shí)間上顯得稍晚;二來(lái)由于組成原理強(qiáng)調(diào)的是整機(jī)的構(gòu)成原理，而不是應(yīng)用的構(gòu)造，所以對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，無(wú)法直接將學(xué)習(xí)過(guò)程中的產(chǎn)生的創(chuàng)意應(yīng)用到創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)或?qū)W科競(jìng)賽活動(dòng)中，這在相當(dāng)程度上也影響了學(xué)習(xí)的積極性。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，硬件類(lèi)產(chǎn)品在整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中的位置如圖1所示。由圖1可知，低成本、高可靠性的以MCU為核心的單片機(jī)應(yīng)用起到了橋接互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與物理現(xiàn)實(shí)世界的關(guān)鍵作用。從支撐應(yīng)用的課程角度出發(fā)，對(duì)圖1進(jìn)行分析之后可以得到圖2所示的課程群體系連接關(guān)系示意圖。

由圖2中可以看出，由于MCU在系統(tǒng)中的位置，適合選擇單片機(jī)系列課程作為硬件類(lèi)課程群建設(shè)的核心，開(kāi)展課程群的建設(shè)。因此我們首先對(duì)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》的教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂，強(qiáng)化了對(duì)MCU的I/O擴(kuò)展能力的教學(xué)，弱化了傳統(tǒng)教學(xué)中占據(jù)了很大比重的數(shù)據(jù)處理相關(guān)的內(nèi)容。同時(shí)對(duì)《匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》、《微機(jī)原理與接口技術(shù)》、《嵌入式系統(tǒng)》等課程群中的相關(guān)課程的大綱進(jìn)行了一體化的設(shè)計(jì)與修改，消除了其中的內(nèi)容重復(fù)，使得課程之間的銜接更加流暢高效。以幾門(mén)課程都涉及到的中斷為例，在匯編語(yǔ)言中只要求掌握軟中斷程序的編寫(xiě)，微機(jī)接口課程中只要求掌握中斷控制器的工作方式，單片機(jī)課程中強(qiáng)調(diào)中斷擴(kuò)展的方法，嵌入式系統(tǒng)中強(qiáng)調(diào)非向量型中斷以及操作系統(tǒng)支持下的中斷處理過(guò)程，去除了原來(lái)每門(mén)課程都要花大力氣講解一遍的中斷系統(tǒng)原理，將這部分的任務(wù)，交給組成原理課程完成。這些改動(dòng)，節(jié)約了大量的教學(xué)資源，從而使得相關(guān)課程能夠有時(shí)間和精力聚焦到更多有現(xiàn)實(shí)意義的任務(wù)上來(lái)。

在教學(xué)資源建設(shè)上，引入了如“課堂派”之類(lèi)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行線(xiàn)下的課堂管理和在線(xiàn)的教學(xué)資源的發(fā)布，降低了師生的溝通成本和課堂管理的成本，提高了學(xué)生碎片化時(shí)間的利用效率。此外，還能更好的利用如微課、項(xiàng)目包等優(yōu)質(zhì)的在線(xiàn)教學(xué)資源，進(jìn)一步的提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

在實(shí)踐之中，我們使用了各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目來(lái)達(dá)到全年級(jí)段、大面積的學(xué)生覆蓋。從一年級(jí)下學(xué)期起，就鼓勵(lì)學(xué)生參與周期較長(zhǎng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，到了高年級(jí)，則引導(dǎo)學(xué)生參與各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目。近三年來(lái)，參與過(guò)學(xué)科競(jìng)賽獲創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的硬件類(lèi)方向?qū)W生的比例，從以前的不足30%提升到了近70%;硬件及物聯(lián)網(wǎng)方向的學(xué)科競(jìng)賽的國(guó)家級(jí)獲獎(jiǎng)也從往年的個(gè)位數(shù)增長(zhǎng)到了近三年平均每年16項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了將近100%的增長(zhǎng)率。

3 結(jié)論

構(gòu)建單片機(jī)課程群，將硬件類(lèi)課程貫穿在整個(gè)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系之中，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為平臺(tái)，開(kāi)展優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的建設(shè)，配合學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，能夠大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，進(jìn)一步縮小高校教育與社會(huì)需求的差距。下一步需要構(gòu)建貫穿課程群的評(píng)價(jià)與反饋體系，以推動(dòng)課程群建設(shè)改革與實(shí)踐的進(jìn)一步研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱艷輝，童啟，劉強(qiáng).基于創(chuàng)新訓(xùn)練平臺(tái)的計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系研究[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2018，No.332（04）：84-87.

[2]唐伎玲，李念峰，李國(guó)琳.基于職業(yè)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程群建設(shè)與實(shí)踐[J].職業(yè)技術(shù)教育，2017， 38（14）：33-35.

[3]楊毅剛，王偉楠，孟斌.以提升解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”能力為目標(biāo)的工程教育培養(yǎng)模式改進(jìn)研究[J].高等工程教育研究，2017（4）：63-67.