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基于工程教育认证的单片机课程教学分析

作者:jiaoshilw.com 更新时间:2018/6/29 9:50:54

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2013年成功成为华盛顿协议成员之一,一方面表明了中国的工程教育认证取得里程碑的突破,另一方面对于我国高校的专业建设,既是机遇又是挑战。无锡职业技术学院作为首批国家示范高职院校,率先与江苏大学联合培养的6个专业的4年制高职本科专业,也全面以工程教育认证目标为培养方向,积极展开专业认证的相关工作。“单片机原理与应用”是工科院校电气自动化相关专业的专业必修课程之一,研究的是单片机相关硬件指令系统,以及编程方法和设计技术等,直接涉及学生的创新能力,也是提高学生就业能力的重要技术基础。为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,以此为切入点,从教学体系结构、实践实验内容、考核形式等方面进行改进。
  1 传统单片机教学与工程认证标准的差距
  工程教育认证的基本原则是基于产出导向的教学模式(Outcomes-based Education,OBE)。它包含學生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍、支持条件7条通用标准,考虑到我国高等学校以往对本科教学培养目标的制定常由学校统一教学指导机构设定,并没有将以学生为中心的理念完全推行开来,导致违背产出导向的基本原则,使得学校培养出的人才与社会实际需求脱节。
  传统单片机教学方法是按照教材的顺序,对照知识点的难易度从简单到复杂,逐章进行理论知识的讲解,虽然在过去取得了一定的教学效果,但与当前工程专业认证中强调培养学生的实践创新能力仍具有一定差距。究其原因,主要存在以下3方面问题。
  1.1 教学方法
  以教师为中心的传统教学方法仍占据着教学工作的主导位置。由于在教学过程中老师始终围绕单片机基本原理,理论讲授比例较大,缺少与实际应用的联系,导致学生觉得这门课枯燥,严重制约学生动手能力和创造性,从而限制了学生对单片机应用和设计能力的培养,很难真正达到专业认证培养方案以及社会对创新型人才的需求。
  1.2 教学内容
  传统单片机实验内容严重制约了学生工程实践能力的培养。单片机原理与应用属于理实一体化课程,既包括单片机理论知识学习,也包括配套的实验训练。由于传统单片机实验设备一般使用实验箱,该设备结构固化,其封闭性使其无法进行硬件电路修改,学生只要遵照特定实验要求设定参数和调节开关,编写程序做一些验证性实验即可,导致学生知其然不知其所以然,对整个单片机系统开发及应用无法形成完整系统的概念,很难拓展学生视野,更谈不上为学生提供设计性和创新性的单片机学习环境。
  1.3 考核方式
  符合工程教育专业认证的考核机制应充分考虑能否体现学生的真实水平,达到公平有效地评价学生的学业水平和创新能力等。但是传统单片机教学中往往存在一张试卷定成绩的考核评价制度,使得教学内容、考核方式与实际应用脱节,导致学生成绩不能真实反映开发能力。
  2 基于工程教育专业认证的单片机教学设计
  工程教育专业认证主要包括对培养目标、学生达到毕业标准的要求以及课程持续改进能力等相关建设,从基本上反映了社会的实际需求。江苏大学无锡机电学院重视培养学生的工程实践能力,支持单片机原理与应用的教学改革,主要从教学方法、教学内容、实验内容、持续改进4个方面展开。
  2.1 优化教学方法
  按照工程教育专业认证“以学生为本”的原则,充分发挥老师的引导作用,实现“以学生主体,教师指导为辅”的理念。
  2.1.1 注重学生能力培养
  在辅助和引导学生时,要注意分寸,避免手把手替学生解决问题。通过教师的适当引导来培养学生的发散和深刻思维,鼓励学生养成自己动手独立解决问题的能力。具体如下:在教学活动中,多采用启发、讲授和讨论相结合的方式,在与学生互相探讨的过程中,鼓励学生自主思考,并有意识地培养学生正向思维和逆向思维,引导学生对所学知识先理解,再应用。利用教师主导和学生反馈,在整个教学过程中调动学生主观能动性,注重结合工程实践,培养学生工程意识,提高学生独立分析解决问题的能力。
  2.1.2 教学内容与实际问题结合
  基于单片机具体实例,注重课程综合应用的特点。具体如下:为避免传统教学方法仅侧重系统和严谨性,而忽视应用性,多使用案例教学法。实际上,单片机原理中有相当一部分抽象难以理解的内容,都可采用案例教学法。例如,在学习单片机定时器相关内容时,围绕数码管秒表显示案例展开,通过向学生展示数码管显示的延时控制由定时器功能单元实现,学生很陕体会到前面章节延时指令与新的定时器延时原理不同之处,有助对本章节的理解。在对具体案例的分析中可让学生体会单片机系统设计的全过程,巩固学生对基本概念和理论知识的理解和掌握。
  2.2 依据毕业标准优化课程大纲
  明确培养目标,调整完善符合毕业标准的课程大纲。由于工程教育专业认证的核心理念是“以人为本”,首先需要明确培养目标,即充分考虑学生的实际情况。笔者所在无锡职业技术学院电气自动化专业针对大三上学期的学生开设单片机原理与应用课程,本课程对应的毕业要求是学生能够综合运用所学的理论和技术手段分析解决问题。
  2.2.1 调整教学内容
  虑到刚进入大学三年级的学生专业基础相对薄弱,从学生专业背景出发,以学生毕业要求为导向,适当删减纯理论教学内容,调整实验实践内容比例。除了安排独立的单片机实验实践课程,还将原先8课时的实验增至12学时。在课程实践内容设计上,为使实验环节覆盖多个知识点,将较完整或经简化的实际工程项目分成若干实验环节,循序渐进逐步扩展学习内容,最后再加以组合重现完整的工程项目。 2.2.2 制定覆盖毕业要求指标点的考核方案
  单片机原理与应用属于应用实践性强的课程,若仍采用以闭卷考试单一为主,即用一张试卷决定学生总评成绩,无法客观评估学生对该课程的掌握程度。考慮上述原因,本课程需要的考核方式,需要覆盖毕业要求能力指标点,并使评价结果尽可能真实体现学生实际水平。新的考核方式本着工程教育专业认证的理念,为达到客观体现毕业要求指标点,侧重多阶段测评和多方式考核,着重对学生整个学习过程的表现进行跟踪评价,考核内容围绕毕业要求指标点4-1“能够设计满足特定需求的电气系统并选择元器件,绘制电气原理图、元器件安装布置图、电气接线图,编制I/O分配表”和指标点4-2“能够针对系统编写软件程序,并采用科学方法进行模拟调试”展开,具体考核评分方法如表1所示。
  采用表1的课程考核评分方式,将终结性评价体系和过程性评价体系相结厶,对学生单片机学习过程,及实践创新能力进行考核,全方位考查学生单片机学习情况,避免学生期末突击式学习,基本符合专业认证中对学生实践能力的需求。
  2.3 丰富实验内容
  将计算机仿真技术引入单片机课堂教学中,丰富实验形式,采用单片机数字联调仿真。其中proteus软件是目前最好的模拟单片机外围器件的工具之一,可对多款单片机及相关接口芯片提供支持,并兼容keil等第三方编译开发软件,是对单片机应用系统进行辅助设计的全开发性仿真实验平台。教师引导学生在课堂教学同时搭建仿真平台,既能学习单片机应用系统硬件接线又能学习软件调试方法,比如可随时观察寄存器、存储器的变化以及程序不同阶段的运行过程,从而跳出传统实验箱固有电路的束缚,将以前单片机纯理论的抽象内容具体化。对学有余力的学生,以前他们课余想练习单片机时,要等实验室开放,很不方便,而仿真实验平台的搭建对硬件设备要求不高,每位学生课后可在自己电脑上安装单片机虚拟实验室,不仅提高他们学习兴趣,也对学习绘制PCB图和进行交互式电路仿真有极大帮助,从而激发学生的主动性,在不知不觉中引导学生自主利用课余时间学习,将仿真结果真正作用于实际电路,促进学生单片机应用系统的开发能力,有效实现了真正的“教学做”一体化。
  2.4 依据达成度指标持续改进课程
  工程教育专业认证重要原则之一是持续改进,用以促进学生能力的持续提高,通过最终的达成度评价,来总结教学过程的经验和教训,有利教学质量的监督和反馈。当结束本轮教学教师应对本课程对应于毕业要求能力进行达成度分析,对本轮课程教学进行反思,并将结果运用到下一轮教学过程的改进中。以电气自动化专业“单片机原理与应用”课程为例,对电气工程自动化2014级和2015级同专业的该课程总评成绩进行统计分析,得到达成度统计分析表,如表2所示。
  从表2中,通过14级课程评价,发现学生对于硬件接线图和使用科学方法综合调试掌握欠缺,在后续课程教学中,针对性地增强实践、课程设计环节对学生动手能力的培养,并辅以分组形式进行练习和答辩。在后续15级本课程评价中,指标点4-1的达成度从79%提升到82%,指标点4-2的达成度从73%提升到75%,达到该课程改进优化的目标。
  3 结语
  工程教育专业认证对于高等学校人才培养具有重要意义,本文针对“单片机原理与应用”在专业认证中的教学建设等相关问题进行分析与研究,通过加强对学生学习过程和学习能力的考核,以学生切实掌握单片机应用技术为目标,注重培养学生解决复杂工程问题的能力,为创新型应用人才需求提供保障。