“金課”理念下“單片機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革研究

楊桂華，李懷暉，張烈平

（1.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)商學(xué)院，廣西 桂林 541004）

引言

近年來，為振興本科教育，提高人才培養(yǎng)水平，教育部提出“各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰‘水課’、打造‘金課’，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度。在此背景下，為提高本科課程教學(xué)質(zhì)量，“金課”理念受到教育界廣大關(guān)注。課程是人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)學(xué)生能力的核心載體，因此，為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生強(qiáng)烈的工程創(chuàng)新意識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力，融入“金課”兩性一度教學(xué)理念，教師可通過信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合推動(dòng)“單片機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，破解自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中的老大難問題，在提高自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平上具有重要意義。

“單片機(jī)控制技術(shù)”課程非常吻合“金課”中理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新相結(jié)合的教學(xué)理念，符合“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。（1）理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。本課程是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生不僅要奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，還必須進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐，該課程實(shí)驗(yàn)基本都是軟硬件結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)，不僅要?jiǎng)邮?，還要?jiǎng)幽X，既能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，也能解決問題，達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜問題的綜合能力和思維能力的教學(xué)目標(biāo)，即“高階性”。（2）隨著我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在智慧健康、智慧家居、智慧城市、智慧交通、工業(yè)監(jiān)控等方面的需求不斷提升，單片機(jī)技術(shù)日新月異，關(guān)于單片機(jī)技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容必須要體現(xiàn)前沿性與時(shí)代性，教學(xué)方式必須積極改革，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探討式與個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即“創(chuàng)新性”。（3）該課程具有極強(qiáng)的應(yīng)用性與實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)增加綜合、設(shè)計(jì)性內(nèi)容，考核要求增強(qiáng)實(shí)踐能力考核，即“挑戰(zhàn)度”。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及工業(yè)領(lǐng)域的高度智能化，導(dǎo)致單片機(jī)技術(shù)也不斷發(fā)展，充分利用了自動(dòng)化控制技術(shù)的特點(diǎn)，使所開發(fā)的產(chǎn)品應(yīng)用在各個(gè)不同場合，因此，時(shí)代驅(qū)使學(xué)生學(xué)習(xí)該課程需要具有較高的工程應(yīng)用問題解決能力，同樣，該課程教學(xué)為了達(dá)成此目標(biāo)需要與時(shí)俱進(jìn)，不斷完善。然而，在實(shí)際的教學(xué)過程中仍然存在不少問題，主要表現(xiàn)在：

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一

“單片機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目傾向于理論知識(shí)的驗(yàn)證，很少開設(shè)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，幾乎沒有創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樵撜n程的學(xué)習(xí)既涉及單片機(jī)的硬件工作原理，又要學(xué)習(xí)軟件編程，課程內(nèi)容各章節(jié)聯(lián)系緊密，并且與電子電路等其他學(xué)科也有很大的交叉性，這導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)本課程難度增大。再加上當(dāng)前“單片機(jī)控制技術(shù)”課程學(xué)時(shí)緊張，作為自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，總學(xué)時(shí)48，包括理論34學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)14學(xué)時(shí)，學(xué)生很難快速融會(huì)貫通，學(xué)以致用。即使開展一些綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，也僅僅是一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)應(yīng)用，遠(yuǎn)沒達(dá)到工程應(yīng)用解決問題能力的培養(yǎng)目標(biāo)。課程結(jié)束后，仍然存在相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)單片機(jī)的原理與應(yīng)用缺乏系統(tǒng)掌握，與社會(huì)需求的差距甚遠(yuǎn)。

1.2 教學(xué)模式缺乏創(chuàng)新

采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的“單片機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，基本上都是先由老師講解實(shí)驗(yàn)原理和步驟，然后學(xué)生參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)電路已經(jīng)完全連接好，無須學(xué)生再連線操作。由于硬件電路已經(jīng)固定化，則對(duì)應(yīng)的軟件程序也幾乎按部就班照著輸入指令，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而已。因此，傳統(tǒng)的“單片機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式下，學(xué)生缺乏獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，缺少實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)訓(xùn)練，根本無法達(dá)到工科學(xué)生強(qiáng)烈的工程創(chuàng)新意識(shí)、較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

1.3 考核評(píng)價(jià)機(jī)制不合理

考核方式是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)效果的重要標(biāo)尺。傳統(tǒng)教學(xué)模式下單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程不設(shè)單獨(dú)考核，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課成績?cè)u(píng)定是對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、學(xué)生考勤情況為依據(jù)。實(shí)驗(yàn)課考勤通過花名冊(cè)點(diǎn)名或者自己簽到方式進(jìn)行，無法完全監(jiān)督該課程缺課情況以及學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)情況。并且該課程實(shí)驗(yàn)成績僅占單片機(jī)課程總成績的20%，理論課程成績比例較高，學(xué)生只重視理論課程，忽視了實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要性。這種考核評(píng)價(jià)方式既不能全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程及學(xué)習(xí)效果，也不能體現(xiàn)出該課程實(shí)驗(yàn)的作用，導(dǎo)致部分學(xué)生容易怠慢該實(shí)驗(yàn)課程。

2 “金課”理念下課程教學(xué)方法改革

2.1 完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，以及現(xiàn)代自動(dòng)化裝備產(chǎn)業(yè)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)人才的需求特征，構(gòu)建“單片機(jī)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。課程改革關(guān)注教學(xué)資源的開發(fā)和利用，以及各門課之間的課程融合。單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)安排按照先基礎(chǔ)、綜合，再創(chuàng)新的能力順序關(guān)系遞進(jìn)，將課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K結(jié)合學(xué)生課外科技立項(xiàng)項(xiàng)目和科技競賽活動(dòng)，形成三層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分別培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科專業(yè)基本素質(zhì)、工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

圖1 單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容補(bǔ)充和完善

為適應(yīng)當(dāng)前課時(shí)少的現(xiàn)狀，則需要整合課程資源，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，對(duì)不同課程知識(shí)進(jìn)行教學(xué)融合。本課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)思路、內(nèi)容設(shè)計(jì)等方面體現(xiàn)以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為導(dǎo)向的教學(xué)理念。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分三大模塊逐次遞進(jìn)，即基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K→綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K→創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)K，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要是芯片基本功能的驗(yàn)證、編程語言和開發(fā)平臺(tái)的使用，是為了達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)基本技能的教學(xué)目標(biāo)；綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K是在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)上的拓展，由單片機(jī)芯片與外圍器件以及接口電路構(gòu)成一種具有實(shí)際應(yīng)用功能的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要學(xué)生具備系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)K是一種由多個(gè)功能模塊組成的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如智能小車控制，包括了一個(gè)完整系統(tǒng)的控制方案的確定，環(huán)境感知模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，涉及單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用，該模塊對(duì)促進(jìn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、復(fù)雜工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。

同時(shí)，把握“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，在教學(xué)中充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的技術(shù)特色，在綜合性實(shí)驗(yàn)過程中引入Keil+Proteus仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將現(xiàn)實(shí)中難以開展的實(shí)驗(yàn)通過虛擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，也可以緩解實(shí)驗(yàn)室資源不足的狀況，并且利用虛擬仿真技術(shù)可以開發(fā)種類繁多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難度，體現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新

實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括了實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和師生協(xié)同合作，因此教學(xué)方式可以不拘一格，將混合式教學(xué)方法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法、項(xiàng)目教學(xué)方法、校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法、自主學(xué)習(xí)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)作教學(xué)方法等應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過以做帶學(xué)、以學(xué)促做，激勵(lì)自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)特長，創(chuàng)造性地解決實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的復(fù)雜工程問題。同時(shí)，“單片機(jī)控制技術(shù)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，引入Keil+Proteus仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過文字、圖片、視頻等多種新媒體和新技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，借助計(jì)算機(jī)通過仿真軟件平臺(tái)選取元器件，搭建硬件電路、調(diào)試電路、軟件編程等，開展“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的線上線下混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以“基礎(chǔ)性、綜合性、開放性、創(chuàng)新性”為特點(diǎn)，形成一種以“先基礎(chǔ)、再綜合、再到研究與創(chuàng)新”為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，教學(xué)的時(shí)間和空間上充分發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，也極大地培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

2.4 考核評(píng)價(jià)方式改革

課程教學(xué)方法的改革目的就是為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。本文以能力始，以能力終的實(shí)驗(yàn)課程改革理念，為了體現(xiàn)“金課”的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，把課程建設(shè)要求落實(shí)到具體觀測(cè)點(diǎn)上，以教育最終產(chǎn)品——學(xué)生的職業(yè)能力為標(biāo)桿來設(shè)計(jì)考核評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成閉環(huán)教學(xué)，考核評(píng)價(jià)指標(biāo)包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)效果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等指標(biāo)組成，評(píng)價(jià)知識(shí)體系主要包括：學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所需基礎(chǔ)理論的掌握；學(xué)生對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制過程的理解能力；實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)能力；學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，數(shù)據(jù)分析的能力；學(xué)生應(yīng)對(duì)故障的處理能力；學(xué)生對(duì)系統(tǒng)總體的聯(lián)調(diào)能力，以及學(xué)生回答問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)除大型綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)外，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均實(shí)行1人一組獨(dú)立完成，包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備（包括實(shí)驗(yàn)前方案準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)等）、實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告總結(jié)，并增加了“項(xiàng)目分析、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)、項(xiàng)目匯報(bào)”等環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師全程跟蹤，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)的過程考核。課程實(shí)驗(yàn)考核包括：過程性考核（70%）+終結(jié)性考核（30%）。過程性考核主要對(duì)學(xué)生參與度、完成度給出評(píng)估；終結(jié)性考核是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果的展示，即對(duì)作品的難易程度和創(chuàng)意給出評(píng)價(jià)。最后老師總結(jié)性評(píng)價(jià)分析該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生能力、素質(zhì)要求達(dá)成的情況，將考核與評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合起來，以促進(jìn)后續(xù)教學(xué)的完善。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“單片機(jī)控制技術(shù)”課程教學(xué)的主要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，廣大教師和學(xué)生應(yīng)當(dāng)給予高度重視。本文針對(duì)“單片機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)方法單一，教學(xué)內(nèi)容缺乏綜合性和創(chuàng)新性，考核評(píng)價(jià)不科學(xué)等問題，按照“金課”兩性一度的課程建設(shè)理念，提出了一些觀點(diǎn)和建議，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提出了一系列改革措施，通過改革實(shí)踐證明在本科的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力提升方面具有一定效果。