工程教育认证专业的单片机实践教学改革

工程教育认证专业的单片机实践教学改革

赵宇洋李争孟凡华Summary：单片机原理及应用作为电气控制类本科生的重要专业课程，着重培养学生实践动手能力。而传统的教学中实践环节对学生动手能力培养不足，不能满足工程教育认证培养需求。文章根据仪器类工程教育认证人才培养目标，基于PBL教学方法进行单片机实践教学环节新模式的探索，以解决问题为目标，引导学生有效学习，培养学生的工程意识、协作精神以及解决实际问题的能力。Key：工程教育；单片机；PBL教学模式：G642文献标志码：A：1674-9324（2019）29-0131-03工程教育专业认证是国际通行的保障工程教育质量的基本制度，我国于2016年成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，意味着工程教育逐步规范化、标准化、国际化和可持续发展。因此，我国高等教育培养目标应适应就业市场人才需求，培养国际互认的工程科技人才，课程教学改革应遵从培养学生工程素质为主线，强调应用性和实践性。河北科技大学测控技术与仪器专业于2018年1月通过工程教育认证，为了更好地保证工程认证培养目标的达成，培养国际等效的工程技术人才，本文对单片机课程中的实践环节进行了教学改革和探索。单片机原理及应用类课程是工科院校电控相关专业的基础必修课程之一，讲授单片机硬件结构、指令系统，以及编程方法和系统设计技术等，是培养学生创新能力、工程实践能力，提高就业竞争力的重要技术基础。因此，作为通过工程教育认证的专业，更要以切实提高学生动手能力为目标进行实践教学环节改革。采用PBL教学模式可以实现以学生为中心，让学生成为课堂的主动参与者，更符合工程教育认证基于产出导向的OBE（Outcomes-basedEducation）教学模式的基本原则。一、传统单片机教学与工程专业认证标准的差距工程教育专业认证强调以学生为中心的教育理念，并将这一理念落实在培养目标制定和评估、教育教学资源建设及质量监控机制的全过程中，注重培养学生解决复杂工程问题的能力。单片机课程属于工程技术应用类课程，在数字电子线路、微机原理和自动控制原理等先修课程基础上，培养学生利用51系列单片机进行测控系统开发的能力。对于没有硬件开发经验的本科生而言，该课程相对抽象、知识点庞杂而零碎，实践性较强。总结单片机实践环节的传统教学方式，发现以下两点不符合工程教育理念。1.教学中的实验环节仍以验证性实验为主，传统模式的实验课程中，实验项目倾向于对理论讲述知识的验证，没有趣味性的实验，也几乎没有创新性的实验，与工程教育专业认证指导思想相违背，不能充分发挥学生的主观能动性，不利于培养创新性工程师。实验环节中最常见的现象就是学生按部就班地输入指令、进行连线操作，在实验设备上观察应出现的特定现象，之后完成模板式的实验记录，缺乏主动设计和主动思考的机会。2.课程设计作为重要的实践能力培养环节，往往缺乏实践的有效安排和动手能力培养，在以往教学中，为期一周的课程设计大多布置学生自由查阅资料，完成单片机最小系统的仿真即可。这种教学方式造成学生对于课程设计不重视，设计报告雷同严重，对于单片机的应用停留在书本上，解决实际问题的信心不足。二、PBL教学模式对于工程教育认证背景下单片机教学的启发基于问题学习的PBL（ProblemBasedLearning）教学模式，强调以问题解决为中心、多种学习途径相整合，同时强调学习者之间的交流合作，强调外部支持与引导在探索学习中的作用等。PBL实质是由若干个精心设计的问题组成，围绕问题为中心，让学生综合运用自身所学知识进行调查和研究，以教师在课堂上讲授的知识为基础，自发进行归纳和应用，并借助查找文献等辅助手段，最终解决问题，与工程教育中培养学生解决复杂工程问题能力的要求十分吻合。PBL模式的关键要素包括：作为导向的问题、团队合作与自主学习、教师指导、自我评价与小组评价。将PBL教学模式引入单片机课程的实践教學环节，能够有效改变学生只是被动听讲、大多采用死记硬背编程程序的学习方式。以问题解决为最终目的的教学方法，能够激发学生的学习兴趣，增加学习动力，使学生从解决问题的过程中获取运用所学知识解决实际问题的相关经验，对培养工程技术人员的规范工作习惯及技术自信心也十分有利。三、符合工程教育认证目标的单片机课程PBL教学模式探索传统的教学模式，学生是信息的被动接受者，是装载知识的“容器”，学习的主要任务是记忆以前人经验知识为主的信息。PBL教学模式中，学生是具有自我指导学习理念和能力的、主动的学习者，学习的任务不仅要进行知识意义的建构，还要形成解决问题、与人合作、进行创新等多种能力。本文针对测控专业工程教育认证需求，基于PBL教学模式对单片机实验和课程设计两大实践环节进行改革，着重培养学生解决复杂工程问题的能力和团队协作解决工程问题的能力。1.实验环节的探索。传统的单片机实验以验证性为主，并主要以实验报告质量作为评价依据，导致学生参与度不高、实验报告雷同严重，实验环节与教学环节脱节等现象。我专业的单片机实验内容由两个验证性实验和两个设计性实验构成，本文中基于PBL模式进行了实验环节的改革。验证性实验穿插于教学环节的前半段，主要目的是在学生学习单片机之初，能够通过实验现象分析其背后的原理，有助于学生掌握单片机的体系结构与运行机理。经历几次验证性实验后，比如汇编语言排序实验、简单的I/O接口实验后，学生已基本熟悉实验系统和工具箱，能够按照实验指导书进行程序输入、硬件连线等操作，并具有动手设计难度较高实验的能力和意愿。因此在教学环节的中后段安排项目式开发的设计性实验。通过下发实验指导书规定实验目的，以学生小组为单位自主创新设计实验，在实验箱基础上设计完成简单的测控系统、运行系统并观察其现象。实验报告要详细阐述实验设计的依据、描述实验步骤和现象、分析实验合理性，并最终自我评估实验指标的完成度。2.课程设计环节的改革。随着课程进度的深入，教师在课堂教学中期即布置课程设计题目，并以学习小组为单位让学生提前完成设计方案初稿，并在后续学习中有目的、有意识地根据课设题目需求逐步完善设计方案，并在一周的课程设计环节中完成系统调试。在单片机课程设计中明确提出进行项目实施规划，在设计之前对项目的要求、进度安排、人员分工等内容要进行整体、全面的考虑。课程设计题目是结合教学大纲和单片机课程目标精心设计完成的，既要保证每个题目考查知识点的全面性，也要保证各个题目难易程度相当。我专业的课程设计要求学生以项目开发形式完成测控系统的软、硬设计，实现单片机硬件电路仿真、程序调试，并最终实现以小组为单位的实物结题。课程设计题目数量根据我专业两班学生人数设置，每个班级中一组一题，既保证了本班内没有重复题目，消除学生彼此的依赖性，提高题目的独立完成度，也有助于两个班级之间的讨论交流。每个题目都以工程问题为背景，采用新颖有趣的形式全面考查学生对输入、输出系统和单片机控制系统的掌握情况和设计能力。课程设计任务书中明确安排一周中每天需完成的设计进度，教师根据学生设计完成的情况进行调整，如果学生整体动手能力较强、进度完成较快，则可以深化课设题目要求、提高最终难度；如果整体进度难以保证，则根据出现的问题及时讲解，以确保不同基础、不同能力的学生在一周的课程设计中都有所收获，真正做到以学生需求为导向。并通过学生团队成员互评和系统经济评价，培养学生以团队分工协作方式、考虑经济性因素解决工程问题的能力。3.评价方式的优化。学生考试成绩不仅是学生最为关心的焦点之一，也是用人单位评价毕业生能力的一个重要指标。在传统的教学模式下，学生考试成绩主要由一张期末试卷评定，忽略了学生学习的过程评价，在工程教育专业认证的背景下，这种考试模式的弊端显得尤为突出。本文中的单片机课程改革也对评价方式的优化进行了探索，在教学各环节以量化打分的形式，及时、客观地对学生表现进行评价，体现了工程教育认证中的过程管理理念，既优化了平时的教学效果，也实现了对学生的综合客观评价。如上文所述，我专业在进行单片机课程教学时，将课程学习实践小组的形式贯穿整个教学环节，因此，在学生成绩评价环节，既包含教师打分也引入团队成员互评机制。学生的最终成绩由平时成绩、实验成绩和期末考试成绩构成：期末考试成绩满分100分，总成绩占比为60%；平时成绩满分100分，其中教师打分50分、团队成员互评50分，总成绩占比为20%；实验成绩满分100分，课程实验共计4个，每个实验总分25分，其中实验表现及实验效果20分、报告质量5分，总成绩占比为20%。具体评价方法如下：S=M×60%+（N■+N■）×20%+（■（P■+R■））×20%式中S为课程最终成绩；M为期末考试成绩（0—100分）；N■为教师平时成绩（0—50分），依据平时出勤率、表现及作业完成情况给出；N■为团队互评成绩（0—50分），以调查问卷形式由团队内全体成员互相打分，计算平均值；P■为每个实验表现成绩（0—20分），由教师依据实验完成度和操作规范性打分；R■为每个实验报告成绩（0—5分）。为保证评价体系执行的客观真实性，任课教师设计了团队成员互评问卷（学生用），对单片机课程学习实践小组成员在教学、实验和课程设计各个环节的表现进行量化打分；在实验环节和课设环节设计了评分细则（教师用），根据各团队电路设计仿真，程序结构和编写规范性、电路合理性、焊点质量及最终功能等情况综合打分，较为客观全面地对学生学习的全过程进行了多角度评价。四、总结与展望单片机原理及应用课程是一门知识体系完整，与其他课程联系紧密，且工程实践性较强的课程。基于PBL模式的单片机实践教学方法与传统教学模式相比，是一种使学习者以解决问题为根本的学习模式。本文指出了传统实践环节和课程考核的弊端，引出工程教育专业认证背景下的单片机课程教学改革方式。通过两个教学周期的实践取得了良好效果，激发学生由传统课堂上被动“听”，变成现在主动“学”，活跃了课堂气氛，培养了学生课下自主学习的习惯，有效提高了学生动手实践的能力和信心，也为其他类似课程积累了改革教学模式的经验。Reference：[1]RhemJ.Problem-basedlearning：anintroduction[J].Thenationalteaching&learningforum.TheHigherEducationAcademy，1998，8（1）：1-4.[2]原琳，明颖，程海军.PBL教学模式在单片机教学中的探索与实践[J].高教学刊，2018，（11）：101-103.[3]周艳辉.对基于问题的学习模式（PBL）的思考[J].中国成人教育，2010，（6）：113-114.[4]张典，庄克玉，张奇志.工程教育专业认证背景下“单片機原理及应用”课程实验教学改革研究[J].科技视界，2018，3（15）：43-44.[5]张巧杰，杨秀媛.