高职院校《单片机应用技术》课程教学改革研究与实践
时间：2023-04-20 09:10:07 来源：千叶帆 本文已影响人
杨日容
中山职业技术学院 广东省中山市 528400
高职院校课程教学质量直接影响着职业教育人才培养的好坏。《单片机应用技术》是中山职业技术学院中央财政支持的重点专业电气自动化技术专业的核心课，是一门模拟电子技术、数字电子技术、C 语言程序、单片机技术相结合的综合性、实践性较强的课程。学生通过课程学习，可以掌握单片机应用电路的工作原理、单片机片内资源、单片机接口技术三个模块知识，能够设计并制作常见单片机应用电路，会编写单片机应用系统程序，并能够使用常见工具调试单片机应用系统软硬件。《单片机应用技术》课程理论与实践联系紧密，本课程岗位对应的工程能力需要学生在熟练掌握单片机理论知识的基础上设计并实际制作一套完整的单片机应用系统，高职学生存在动手能力较强、理论知识学习能力欠佳的特点，若没有理论知识的支撑，根本无法设计出正确、完整的系统，学生在学习《单片机应用技术》时普遍感觉吃力，学习效果欠佳，课程改革势在必行。
2.1 以学科知识教学为主，缺乏工程应用，学生学习兴趣不高
传统的《单片机应用技术》教学多以教材顺序组织开展，一般按照单片机概念、单片机内部结构、单片机存储器、单片机I/O结构、定时器、计数器、通信技术、接口技术等知识逐一进行教学，涉及的理论知识较多也不容易理解，教学媒介常以PPT 和板书为主，较少引入实际工程案例，学生并不知道自己所学能够应用的场合，无法有效激起学生的学习兴趣，学习效率不高。
2.2 学生学习特点突出，理论知识难以灵活应用于实践
高职学生喜欢动手操作、思维活跃，但是普遍学习习惯欠佳、论知识积极性不高。《单片机应用技术》需要先修模电、数电、C语言程序设计等课程，学生虽然已经完成了电子知识和编程基础的学习，但是实际应用编程能力还较弱，把这些知识综合应用于单片机系统设计与制作的能力还较差。
2.3 以课内课堂学习为主，学习受限于时间和空间
《单片机应用技术》课程开设在大二上学期，理论加上实践共72 课时，课程涵盖知识点较多，实操又需占用一定的时间，传统教学以课内课堂学习为主，上课讲授的内容在下课离开教室后没有得到及时有效的拓展学习，在下一次课时需要较多时间复习才可以开展后续教学任务。学生离开教室后没有办法继续使用实训室的实验设备开展学习，学生自主探究性的学习较少，教学效果有限。
为了培养适合实际工程应用的高技能高素质人才，课程组多方调研，基于系统测试员、单片机技术员、单片机开发工程师等职业岗位提取了5 个方面的典型职业能力，包括方案设计、硬件设计、硬件制作调试、软件设计、系统装调等。
3.1 设计情境化教学项目
工作过程系统化课程范式主要包括普适性工作过程、教育性的典型工作过程、参照系和学习情境等要素[1]。《单片机应用技术》课程在采集职业岗位群数据的基础上，根据岗位职业能力要求和典型工作任务将课程教学内容情境化、任务化，教师通过真实的学习情境组织教学。课堂通过情境导入教学，学生能够清楚地知道所学的知识的实际应用，能够有效激发学生的学习兴趣，提高学生学习的积极性，在一定的学习情境中完成课程知识模块的学习，学生在“学中用”、“用中学”，理论学习不再枯燥，增强了学生课程学习的获得感。课程选取三个实际工程项目，项目选择以“实用、适用”为原则，由浅入深。入门级项目1“霓虹彩灯设计与制作”常见于各种庆典活动，学生比较熟悉，项目主要用于单片机I/O 和简单外设的学习，并通过项目1 让学生掌握单片机应用系统开发所需的硬件工具和软件平台。项目2“电子钟设计与制作”承上启下，常见于日常生活必备品，贴近学生生活，主要依托项目2 开展单片机片内核心技术定时器技术、中断技术、外围数码管的学习。项目3“电压表设计与制作”属于仪器仪表范畴，是学生专业学习必须掌握的一个工具仪器，贴近学生的日常学习，通过项目3 开展通信技术、片外扩展、数据处理的学习，是一个综合性、拓展性的项目。在教学项目情境中，教师可以扮演项目组长，学生则为项目组成员、技术员等角色。课程学习项目贴近学生的生活和经验，体现学生的主体性和学习的职业性，突出学有所获、学有所用，把教育教学理念落到实处。3 个课程项目实施过程中均需践行岗位的典型工作任务，学生在情境化的实际项目中反复磨练5 项职业能力，适应职业岗位的普适性工作过程，为教学效果和人才培养质量的提高打下扎实的基础。
3.2 采取线上+线下混合教学
《单片机应用技术》课程是学校首批精品在线课程，这个实施线上+线下的混合教学创造了有利条件。高职院校课程突出职业性，教学过程和职业岗位工作过程要相融合，把课程相关岗位的普适性工作过程转换为教育教学的典型工作流程，课程改革后具体教学流程总结为：领任务、查找资料，分组讨论、确定方案，设计硬件原理图、制作硬件电路并测试，编写程序并调试，系统联调，总结归档，评价等。如前所述，课程具有课时有限、理论知识点多、实践性强等特点，要按照10 个教学流程分别完成3 个教学项目，光靠课内学习效果甚微。课程改革后，采取线上+线下的混合教学模式，线上课程平台主要开展理论知识学习，教师通过线上课程平台发布学习任务、发布课程基本知识点、布置作业、布置理论测试题、答疑等，学生通过线上课程平台领取任务、学习理论知识、答题检验理论掌握情况、提问等；
线下教学主要进行项目实践，主要包括硬件设计、制作、调试，软件设计、测试，系统联调等。课程采取线上线下混合教学，把理论和实践学习紧密结合，打破传统课堂的时间、空间限制，延伸了教学场所，为学生提供了课前、课中、课后的持续性学习环境，增强了学生的主动学习能力。
3.3 创设虚实结合的实践环境
《单片机应用技术》课程理论知识较多，有些知识不容易理解，很多学生在课程学习时经常出现吃力的现象，还有一部分同学虽然理解了理论知识，但是需要在实训室才能实际应用于单片机产品，并且实操次数不多，常会出现掌握不扎实、应用不灵活等困局。课程改革引进Protues 虚拟仿真软件，Protues 软件可以实现单片机应用电路设计、加载程序、调试等功能，可以在仿真软件上直观看到电路设计和程序设计的效果，当仿真达不到项目要求时，可以直接在软件上修改电路和程序，不受实际硬件的限制。教师在课程伊始就教会大家使用该仿真软件，学生只需要有电脑并Protues 软件就可以随时随地开展单片机课程的学习。学生在学习一些理论知识感觉比较困难时，可以通过Protues软件多次仿真，在实践中反复理解课程知识。在课程项目实施前，教师也要求学生首先通过Protues 虚拟仿真软件实现项目要求，下一步才能在实训室以虚拟仿真设计的硬件和程序为基础进入实际作品的制作和调试。
下面以项目2“电子钟设计与制作”的子任务“秒表设计与制作”为案例，详细介绍《单片机应用技术》课程改革实施的过程。
4.1 案例设计要求
本案例属于课程项目2，项目2 要求设计一款家用电子钟，具有显示时间、调时、闹钟的功能，最终提供硬件设计图、设计程序和实物作品，本案例具体任务是要完成秒表的启动、暂停、显示功能，在本案例完成的基础上将拓展实现项目2要求的电子钟功能。
4.2 课前
学生通过网络课程平台接收学习任务，在分析任务要求的基础上，结合课内所学并预习，上网查找相关资料，初步形成自己的设计方案提交平台，整个过程需要学生主动完成，利用计算机信息技术搜寻、获取、分析、整理对课程任务有用的资料，教师到平台查看学生提交的方案。
4.3 课中知识学习
课中，教师通过情境导入课程，抽查学生展示初步方案，师生发表意见和建议，学生修改并确认最终方案。教师组织开展课程教学重难点学习，本案例教学重点内容及教学方法如表1 所示。
表1 案例教学重点知识表
4.4 课中硬件仿真设计
案例需要至少4 位数码管显示，采用动态显示技术，在51 单片机最小系统基础上，P2 口的8 个I/O 连接四位一体数码管的8 个段控制端口，P1 口的低四位连接四个数码管的COM 端口，P3.2 和P3.3 引脚连接2 个外围控制按键，按键用于实现启动、暂停的功能，其中P3.2 按键启动秒表，P3.3 按键暂停秒表。学生根据所学知识，结合案例需求，在Protues 仿真软件上绘制秒表硬件电路，如图1 所示。
图1 秒表硬件电路图
4.5 课中程序设计
学生分析案例功能要求，把设计程序划分为多个功能函数，csh（）函数用于定时器控制寄存器、定时器初值、定时器打开、中断打开、中断触发方式等初始化设置语句；
zanting（）函数为外部中断0 服务函数；
tingzhi（）函数为外部中断1 服务函数；
ds50ms（）函数为定时器0 中断服务函数；
fenli（）函数用于分离四位数码管显示的千位、百位、十位和个位；
display（）函数实现四位数码管的动态显示。学生通过Keil uVision4 软件编写程序，如图2 所示。
图2 秒表程序设计界面
4.6 课中仿真调试
学生在Keil uVision4 软件中完成案例程序的编写、编译，生成可执行的hex 文件，然后打开Protues 软件设计的案例电路图，双击51 单片机芯片，在弹出的对话框中加载前面生成的hex 文件,点击仿真运行按钮，可以直接在电路图中观察到系统运行结果，如图3 所示。
图3 秒表仿真结果图
4.7 课中实物制作
学生在完成秒表的仿真调试并通过教师考核后，可以进行硬件制作和调试，这部分往往是最费时间和精力的一个环节，学生需要具有较好的硬件设计能力，在正确设计硬件的基础上通过良好的硬件制作能力确保硬件质量，虚焊、器件方向等细节都有可能造成硬件制作失败，需要通过不断的反复测试完成实物，这个环节磨练学生吃苦耐劳的意志，并要求学生在制作过程中始终具有较好的质量意识。在系统调试环节，学生需要根据任务要求不断调试系统的硬件和软件，调试过程都要求学生细心、耐心，要求学生具有精益求精的工匠精神，脚踏实地一步一步往目标前进，学生在这个过程中可以不断提升课程任务要求的系统性能，培养他们的创新意识。课程案例学生制作的实物作品如图4所示。
图4 秒表实物图
4.8 课后拓展
课后学生通过线上课程平台完成案例所用的数码管、定时器、中断等理论知识点的测试，进行差缺补漏，还需进行案例相关技术文档的总结，这是很多工科课程会忽略的一环，工科课程多重视结果，能把实物完成，很少对任务的相关技术文档进行撰写和总结，学生到岗位后就不能提交高质量的产品设计文件给上级或客户，《单片机应用技术》课程要求学生需要完成任务实施过程各个环节的文字材料，任务完成后还需要进行总结，把总结文档上传课程平台，培养学生职业岗位素质。此外，学生还可以在课后进行案例作品的升级和优化，进行持续性的学习和创新。教师和学生还可以利用课程线上平台开展案例的自评、互评等考核评价任务。
《单片机应用技术》课程改革效果明显。学生给出的课程教学评语显示，学生通过课堂学习获得感大大提升，主要体现在：主观能动性增强、知识和技能的掌握更深刻、主动交流能力提高、享受到了学习的快乐、感受到学习的意义等。学生课后学习心得显示，学生对课程教学回味无穷，课程学习氛围浓厚，学习过程苦并快乐着。学生通过课程学习，不仅掌握了课程要求必备的知识和技能，还提前感受了职场，职业素养大大提高，能够较好适应顶岗实习岗位和毕业就业岗位，用人单位的满意度提高。
基于《单片机应用技术》课程开展的课程改革能够有效摆脱学生“被动学、职业适应性差、价值引领缺少”等问题，学生学习能力、职业核心能力、职业素养以及学习价值感等都得到了显著提升，形成师生共课共生长的浓厚教学氛围，较好地提高了高职院校的育人质量。
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