單片機類課程創新教學模式改革

劉艷霞， 范同順， 楊清梅， 丁鳳喜

(北京聯合大學 自動化學院， 北京 100101)

單片機類課程創新教學模式改革

劉艷霞， 范同順， 楊清梅， 丁鳳喜

(北京聯合大學 自動化學院， 北京 100101)

本文針對傳統單片機類課程教學中存在的問題，提出了一種創新教學模式。內容包括：以arduino為平臺的教學內容改革、校企聯合翻轉課堂的設計、分散式自主創新平臺建設、考核方式改革及管理模式的探索。實踐表明，教學模式改革激發了學生學習興趣和實踐動手能力，表現在學生競賽和畢業設計中取得較好成績。

翻轉課堂、分散式自主創新平臺、雙導師制

0 引言

單片機類課程已成為高校電氣類、電子信息類和自動化類等專業的重要專業基礎課[1]，該類課程的教學對培養學生的實踐和創新能力至關重要。特別是單片機類課程實際上已成為學生參加多數科技競賽的技術基礎。必備傳統單片機類課程教學模式存在如下不足之處：

(1)教學思路多從理論出發，先講述單片機引腳特性、存儲結構、指令系統等原理，枯燥且深奧這容易導致學生產生畏難情緒，降低學習興趣。

(2)側重于理論環節的講授，實踐訓練環節明顯不足，理論部分講完之后所剩時間有限，應用部分只能在實驗箱上做幾個簡單的小實驗，無法有效幫助學生加深對理論內容的理解，更不利于鍛煉其動手能力。

(3)為彌補基礎實踐訓練的不足，多數學校在培養方案中，在實踐性較強的專業課中設置了為期兩至三周的集中實踐環節以期彌補，但對于完成一個實用項目設計，遠遠不夠。況且這也不利于學生根據個人興趣，自由選擇喜歡的項目重點發展。

(4)即使全校實驗室全天開放，因容量有限和實驗設備不同，不能滿足眾多本科生的需求。實踐活動在時間安排上的局限性和靈活性的不足會影響學生的實踐探索之興趣。

(5)考核方式大多采用期末“一卷定輸贏”的形式，結果使學生只注重期末考試，而忽視平時對知識的積累和能力的訓練[2]。

基于上述分析，探索單片機類課程的教學模式改革，提高學生興趣和實踐動手能力，是一個十分必要且非常有意義的教學研究課題[3]。

1 教學模式創新

1.1教學內容改革

傳統的MCS-51、AVR等系列單片機，在不具備一定理論知識的前提下，是不可能進行應用設計的，這也是大家明知理論枯燥、實踐不足，但卻感到束手無策。若能先從外圍應用模塊入手，再慢慢深入學習，不失為一種好的選擇。比如設計一個具有自動巡線和避障功能的智能小車，如果先不考慮處理器的體系結構，也不關心光敏傳感器、超聲波傳感器和電機驅動的原理，直接根據各模塊廠家提供的使用手冊和示例程序進行組合設計和調試，開發周期和難度都會大大降低。這有利于學生盡快取得設計成果，激發學習興趣。

arduino作為全球最流行的開源軟硬件平臺，不僅為使用者封裝好了AVR單片機的體系結構，也集成了多種傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環境，同時匯集了“微機原理”、“單片機原理及應用”、“傳感器”、“電機拖動”和“計算機控制”等課程的部分內容。最關鍵的是入門簡單有趣，可使初學者很容易地完成一個實際項目，容易把學生的學習興趣和動力調動起來。

當前，在物聯網、自動化、軟件，甚至藝術領域，紛紛開展了arduino的應用，更成為創客空間和極客工坊的主流硬件平臺。

單片機類課程教學內容改革的主要思路是以arduino為平臺，采用將處理器理論體系、內部結構，以及傳感器和執行器原理等專業理論的系統性講述后置，直接先從外圍模塊的應用入手，使學生先動手做起來，完成一個簡單實用的作品；慢慢引導學生興趣，逐步增加難度，完善設計功能，再適時地引入內核原理的分析。

1.2校企聯合開設翻轉課堂

在翻轉課堂教學模式中，知識傳授通過信息技術的輔助在課前完成，該過程和預習階段共同構成教學階段；而知識內化在課堂中，并在教師幫助和同學協助下完成[4，5]。這與傳統課堂相比，師生的角色發生了重大變化，學生成為了學習的中心，這也回歸了教育的本意[6]。

1)引入企業力量，助力翻轉課堂

為促進arduino推廣應用，官方發布了免費的arduino教程和授課視頻。我們整理這些優質的資源，建立以視頻為主的共享平臺，以此幫助學生很好的完成課前預習。同時邀請arduino項目開發工程師和創客空間的培訓講師為學生授課并進行技術指導，由他們負責首期課程實施，帶著學生邊講邊做。

比如在為期兩周的集中實踐課程中，學生首先根據翻轉課堂的預習要求，利用網絡上豐富的arduino基礎教學視頻，結合arduino開發套件，先自行熟悉基礎知識，下載安裝arduino集成開發環境IDE。然后在課程前半部分，培訓講師帶著學生做一個相對簡單的作品，設計工程師提供技術指導和幫助，目標是使95%以上學生都有能力完成，產生對單片機DIY一定的興趣和學習的自信心。課程后半部分以啟發和拓展學生思路為主，發揮學生想象力，自主設計出功能更復雜和完善的小作品，使他們真正喜歡上單片機DIY，能愛不釋手，課下也愿意花時間和精力做。最好為對此特別感興趣的優秀學生配備專門的指導教師，督促指導他們后期的項目設計實踐。

2)加強師資建設，保障持續發展

我們組織專業教師參與整個授課過程，在學習掌握arduino項目開發技術的同時，重點觀摩創客空間培訓教師的授課方式，并總結經驗和問題，針對所熟悉的學生特點進行調整，幫助企業講師順利完成翻轉課堂的實施。這不僅幫助專業教師為下期獨立授課打好基礎，也為他們發現、了解并在后期指導學生科技實踐活動提供經驗。

2 分散式自主創新平臺建設

Arduino開發套件成本低、攜帶方便?？紤]到目前學生基本都有筆記本電腦，把Arduino開發套件每人一套配發給學生使用，就可以為本專業全體學生建起一個分散式的可移動自主創新平臺，如圖1所示。有了該平臺學生就可以充分利用宿舍、圖書館、教室等場地，提高課外零碎時間的學習效率。

圖1 分散式自主創新平臺

分散式自主創新平臺的建設不僅有助于提高實踐教學質量，也方便有能力和感興趣的學生充分發揮潛力。對這部分學生除提供經費支持其硬件需求外，還為每名學生都配備專業指導教師。

在分散式自主創新平臺上，教師也是受益，指導學生開展活動過程中，教師可以理清自己的思路，提升自己知識的全面性、系統性，實現教學相長，促進教學科研能力的提升[7]。

3 考核方式改革

以實踐和項目設計為主的授課模式，不同于傳統以理論為主的授課，不宜單獨采用期末筆試的方式進行考核。

3.1考核方式的創新與探索

把實踐性較強的單片機類課程考核分散到平時的學習過程中，是一種較科學的考核方法。具體操作可采用如下方式：

1)因材施教，差異化任務要求

學生特點和興趣各有不同，感興趣的課程也有所差別，要求他們同等重視和付出并不科學，不妨在布置課程設計任務時區別對待。對于本課程興趣一般的學生，課程結束時提交一項功能相對簡單但符合基本任務要求的小作品即為考核合格。

對部分能力和興趣較強的學生，鼓勵其后續設計更具創意，功能更復雜完善的作品。為保障這部分學生的后續設計順利進行，提供專門資金支持他們購買必需的元件和器材如：傳感器和執行模塊等，并為他們配備專業輔導教師。同時，還可以將本課程與企業實踐結合起來，學生可到校企聯合的創新基地，在學校和企業導師指導下，利用創新基地資源完成項目設計。

2)分散考核

為保證每個學生實踐過程及學習成果的獨立性，應特別加強平時督促。所謂分散考核，即要求學生平時必須認真按照要求，完成階段性設計任務，并記錄成績，進行過程考核。

3)期末答辯

課程設計結束時，每位學生都需要向教師匯報自己的設計思路，并講解核心軟件設計，回答教師提問，任課教師據此對學生課業成績做出評價，并結合平時設計過程中的表現和成績記錄，給出最終該課程的考核成績。對于理論類課程，實驗和作業成績記錄可作為平時成績；期末可采取筆試方式代替課程答辯。

4)創意展示

對優秀的設計作品不僅可以獲得理想的考核成績，還可以放入創意展示柜進行作品宣傳展示，并推薦設計者參加電子大賽、挑戰杯等學生競賽活動，激勵更多學生的學習興趣。

4 管理模式探索

為更好的對課程實施過程中選拔出的優秀學生進行后期指導和督促，探索矩陣式管理和雙導師制模式。

4.1矩陣式管理

矩陣式管理是指每位專業教師對所分配指導的學生實行導師制，督促他們指導整個設計過程，包括改進哪些功能，參加哪種競賽和技術問題解決等；同時根據指導教師自身專長劃分硬件電路、軟件編程、算法研究等幾個組，負責全體學生設計過程的咨詢和指導。通過矩陣式管理，即做到責任明確，由充分發揮師資優勢，形成互幫互助，團結奮進的良好學習型氛圍。

4.2雙導師制

雙導師制是指為每位學生配備校內導師的同時，另外集體配一名校外企業導師。校內導師比較了解自己學生的特點，具有豐富的指導經驗，便于對學生的督促和日常指導。企業導師接觸面較廣，請他們每周固定時間到學校和學生見面，除指導學生平時沒有解決的難題外，重點啟發學生的設計思路，并利用資源優勢，帶領學生到企業參觀學習別人設計的應用產品，拓展學生視野，激發設計靈感。實行雙導師制，可充分發揮校企合作、專兼結合的優勢，保障實踐教學質量。

5 結語

單片機類課程具有實踐性很強的特點，為此，我校從教學內容、教學模式、教學平臺、考核方式、管理模式等方面對單片機類課程進行了全方位改革和探索。重點利用Arduino入門簡單有趣，軟硬件開源，視頻教程等學習資源豐富的優勢，實現翻轉課堂設計，提高學生學習興趣和實踐動手能力；建立分散式自主創新平臺方便學生充分利用課余時間；實行矩陣式管理和雙導師制保護并充分激發學生后續研發動力，并通過作品展示和競賽活動激勵更多學生。

自本教學項目改革以來，已有多名學生獲得校級和市級電子大賽和挑戰杯競賽獎項，并有3人獲得優秀畢業設計，多人申請實用新型專利。創新教學模式改革對其他類課程也起到了一點帶面的示范作用。學生帶著自己設計的作品去參加企業招聘和面試，增強了學生自豪感和自信心，提高了學生就業競爭力。

[1] 張蘭紅,陸廣平. 我?！皢纹瑱C”課程的教學改革[J],南京:電氣電子教學學報,2014,36(1): 26-27,34.

[2] 邢曉敏,李貽濤. 調整師生角色定位_創新教學模式[J],南京:電氣電子教學學報，2015,37(3):7-8,35.

[3] 曲貴波等．單片機課程實踐教學的研究與探索[J],哈爾濱：黑龍江教育學院學報,2013,32( 2) : 55-56.

[4] 張金磊,王穎,張寶輝．翻轉課堂教學模式研究[J]．杭州:遠程教育雜志 2012,(4):46-51.

[5] 曾貞．反轉教學的特征、實踐及問題[J]．北京:中國電化教育2012,(7): 114-117.

[6] 董興法等. 網絡資源引導電子信息類課程翻轉課堂研究[J],南京:電氣電子教學學報,2015, 37(2):8-10.

[7] 王金龍,蔡躍明. 高校青年教師教學和科研協調發展的探討[J],南京:電氣電子教學學報, 2015,37(2):3-5,90.

ANovelTeachingModeReformofSingleChipComputerCurriculum

LIUYan-xia,FANTong-shun,YANGQing-mei,DINGFeng-xi

(InstituteofAutomationBeijingUnionUniversity,Beijing100101,China)

Aiming at the problems existing in the teaching of traditional SCM curriculum, this paper proposes an innovative teaching model. The main contents are as follows: the reform of teaching content based on arduino platform, the design of school-enterprise combination flip-flop classroom, the construction of decentralized independent innovation platform, the reform of examination mode and the exploration of management mode. Practice shows that the reform of teaching mode has aroused student′s interest and practical ability, in competition and graduation design to achieve better results.

flip-flop classroom; decentralized independent innovation platform; Dual tutor system

2016-10-09;

2016-11-22

北京聯合大學研究生教育類教研項目--不確定性人工智能創新教學模式研究(NO. JY2016Y086) 劉艷霞(1976-)，女，博士，副教授，主要從事電氣工程及其自動化專業的教學和與研究. EMAIL: yanxia.liu@163.com

G420

A

1008-0686(2017)05-0042-04