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    基于OBE理念的单片机综合设计教学环节创新与实践

    时间：2023-02-24 13:42:35来源：百花范文网本文已影响人

    孙驷洲，孟 樱，陆华才

    （安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

    为促进我国尽快迈向工程教育强国，教育部启动“卓越工程师教育培养计划”.安徽工程大学电气工程学院自动化专业是国家级特色专业，2013 年开始实施国家级“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养适应企业需求的工程专业技术人才，并将成果导向教育（OBE）理念引入人才培养过程，2019年通过教育部专家组的专业认证考核.OBE理念以工程专业技术人才的企业需求为导向，设定学生毕业要求和培养目标，按照“反向设计，正向施工”的策略，设计科学合理的培养方案和各课程教学大纲，采用与教学大纲相匹配的教学内容、教学计划和教学方法，利用达成度评价学生学习效果是否符合培养目标要求，并进行持续改进和完善[1-2].

    单片机原理及应用是一门实践性非常强的课程，也是容易入门和掌握的微型计算机技术，将学生引入电子产品设计之路的理想入口，同时，为进一步学习其他微处理器技术，如DSP 和ARM 等，打下坚实的基础，因此，单片机实践教学在应用型电气电子人才培养过程中起到非常重要作用.为全面培养和提高适应市场需求的工程技术人才综合素质，安徽工程大学电气工程学院自动化专业教师团队对单片机课程体系进行深入研究，提出基于OBE 理念的单片机综合设计教学环节的改革与实践，并将递进式教学法和项目驱动法引入单片机综合设计教学过程中.

    1.1 单片机教学现状与分析

    依据国家级单片机规划教材和课程教学大纲要求，按章节讲授单片机内部结构和工作原理、指令系统、中断系统、定时器∕计数器及串行通信等理论知识，理论教学以教师传授为主，学生被动地学习，无法理解单片机的工作原理和掌握硬件设计及软件设计等工程实践技能[3].以一张试卷考核学生的单片机学习效果，无法反映学生的编程能力、Keil 和Proteus 应用能力，有些同学通过考前针对性地复习和强化记忆等方式通过考试，忽视实验等实践性能力训练.简单验证性实验所占比重高，依靠Proteus仿真软件和实验平台开展实验教学活动，缺乏动手能力强的设计型和综合性实验教学环节[4].虽然实践性环节考核作为平时成绩的一部分，但学生单片机课程成绩主要以理论考核为依据，导致学生的实践能力和系统开发能力很难达到企业人才需求[5，6].

    1.2 基于OBE理念单片机综合设计的意义

    单片机综合设计作为学生修完C 语言设计、工程软件Altium Designer、单片机原理及应用和计算机控制技术等课程后的实践教学活动，是课堂理论教学的延伸和发展，是理论与实践相结合重要环节.OBE 教学理念引入单片机综合设计实践教学环节，以工程设计项目为驱动，以学生为主体，灵活开展分散和集中相结合的实践教学活动，可有效增强学生运用单片机相关知识解决工程问题的能力，激发学生的学习兴趣.

    为培养创新和实践能力强，符合经济社会发展需求的电气电子类工程技术人才，单片机教学团队对单片机课程体系进行深入系统研究，在修订理论课程教学大纲和教学内容的基础上，在电子线路板设计Altium Designer 和电路系统Proteus 仿真工程训练软件学习后，增设基于OBE 理念的单片机综合设计的实践环节，提高学生工程实践能力[2].依据市场人才需求制定的自动化专业培养方案及毕业要求，以培养学生创新和工程实践能力为目标，设置单片机综合设计实践课程目标成果，如表1所示.

    表1 单片机综合设计目标成果及其对应实践内容

    3.1 优化设计单片机综合实验内容

    在单片机课程内实验和课程设计的基础上，增加单片机综合实验，将理论知识应用到实践中，提高学生工程实践能力.为提高学生的实践学习能力，电子协会为每个学生提供小型单片机开发板进行单片机实验，开发板根据单片机教学课程设计，结构紧凑，便于学生学习，例如，流水灯实验、按键数码管显示实验、外部中断实验和电子时钟实验等，帮助学生熟悉和理解单片机工作原理及编程方法，同时，也使学习不受时间和空间限制.

    单片机综合设计为多个理论知识和实践技能的综合运用，包括单片机接口技术、线路板设计、硬件调试、C语言和汇编语言编程和调试、控制算法和多任务操作系统理论及应用等部分.

    综合设计项目任务由学生自己设计后由教师审核或由教师直接确定项目内容，学生根据项目任务要求确定整体方案、设计图纸和电子线路板，利用C语言结构化思路编写程序并调试，例如，具有温度显示和密码功能的电子万年历设计.电子万年历单片机系统包括LCD12864、矩阵式键盘、DS1302 时钟电路、温度传感器DS18B20、蜂鸣器及单片机最小系统.LCD12864显示不仅显示阳历、农历和时间，而且显示温度值.当调节日期或时间值时，需要输入密码，密码正确才能修改.当到整点时，蜂鸣器发出“滴答”响声.编写密码子程序、阳历和农历转化子程序、LCD12864子程序、按键子程序、时钟子程序和温度子程序及主程序.为提高软件系统的实时性，采用多任务调用的μC∕OS-II操作系统.

    3.2 强化单片机综合设计过程管理

    3.2.1 单片机硬件系统设计 单片机软件系统在硬件平台上运行，学生根据综合设计任务要求设计系统原理图，并用Altium Designer 软件绘制PCB 线路板，并通过深圳嘉立创公司加工.在器件焊接调试过程中，要求学生掌握万用表和示波器等各类实验仪器的使用.按照从单个模块调试到整体联调的顺序对整个硬件系统进行测试.

    3.2.2 单片机综合设计递进式教学 递进式教学模式引入单片机综合设计教学过程中，按照“循序渐进”的原则，由浅入深和逐步地将各自独立的实验进行前后衔接，单片机实验包括验证性实验、设计性实验和综合性实验[7，8].将课堂理论教学与验证性实验相结合，应用Keil 或Proteus 仿真软件熟悉和掌握单片机最基本的指令和工作原理，如数据排序、数据从内部RAM 传送到外部RAM，以及流水灯等实验.验证性实验内容是简单的单片机指令应用程序，没有连贯性，大多数学生在完成验证性实验后仍无法完成简单设计性实验和综合性设计实验.

    为将所学单片机知识融会贯通，在验证性实验的基础上设置设计性实验，通过网络视频教学和定期地集中答疑等方式督促学生利用周末和节假日时间学习编程设计，提高学生的实践能力，设计性实验如表2所示.

    表2 主要设计性实验

    现在，网络上51单片机资料较多，学生从网络上下载一些程序，重新定义单片机引脚就能实现实验功能，这导致学生对实验理解不透和印象不深，达不到提高学生编程能力的目的.将递进式教学模式引入实践教学中，如，在基本实验中增加功能，需要学生在熟悉和理解所做实验的基础上修改程序，实现新功能.例如，数字秒表实验，通过定时器∕计数器计时，每0.1 s数码管LED 计时秒后小数更新加1，当计时达到1 s时，秒钟后小数清零，秒钟加1，当达到60 s时，秒钟清零分钟加1.递进式教学模式要求学生在理解数字秒表的程序基础上，实现反向计时功能，即每0.1 s的LED 计时秒后小数从10更新减1，当计时达到1 s 时，秒钟后小数为10，秒钟从60 减1，当达到00 s 时，秒钟重新置60 s.递进式教学模式应用于实践教学中，让学生在掌握和借鉴前期实验的基础上对程序进行修改，降低实验难度，缩短设计时间，提高学生学习兴趣.

    3.2.3 培养学生团队协作合作能力 综合设计集中教学活动期间，将学生按四人一组协作完成一个项目任务，学习能力强的学生作为组长.实践教学不仅培养学生解决实际问题的能力，而且培养学生与人交流、合作和协调等团队合作能力.

    3.3 综合设计的考核、评价及持续改进

    综合设计的考核和评价以衡量培养目标成果达成度为主要目的，以考核学生对各个理论知识点和实践技能掌握情况为重点.考核目标包括综合设计过程,设计成果,设计内容撰写、报告及答辩.各项设计成果考核分值分配及考核点如表3所示.

    表3 单片机综合实验各目标分值分配表及达成度考核点

    过程考核成绩以学生平时沟通和交流为依据进行考核，每个目标成果考核均采用百分制，学生最终总评成绩采用“优（≥90 分）”“良（80～89 分）”“中（70～79 分）”“及格（60～69 分）”和“不及格（＜60 分）”的五级分制核定.单片机综合设计课程的达成度用所有学生实际考核成绩总平均值除以该课程总评成绩(100分)来衡量和评价学生学习效果，如式(1)所示.

    根据专业认证要求，单片机综合设计实践课程的达成度目标值设为0.75.针对单片机综合设计集中实践教学活动，以安徽工程大学自动化专业2016级（1）班学生的单片机综合设计成绩为例，计算该综合设计的目标成果考核结果达成度，如表4所示.

    表4 自动化专业2016级(1)班学生的单片机综合设计课程达成度

    由表4可知，目标成果2的达成度为73.3%，没有达到预期设置值75%，其原因主要为：（1）大部分学生没有完全掌握μC∕OS-II操作系统的工作原理，影响系统运行的实时性；
    （2）单片机综合设计要求学生应用理论知识解决工程问题，并将所学知识融合贯通，这是综合设计目标2的难点.

    针对上述原因提出持续改进的措施：（1）将递进式教学方式引入单片机综合设计中，通过分析和讲解例程，使学生掌握操作系统工作原理，采用C 语言结构化编程方式对操作系统例程修改，实现系统功能；
    （2）将课堂教学与网络教学相结合，优化教学内容，让学生多次学习教学例程，提高学生单片机实践能力.

    安徽工程大学电气工程学院自动化专业于2015年启动专业认证改革，2019年通过教育部专家组认证考核.本文以基于OBE 理念的自动化专业单片机综合设计实践教学为例，经过多年的教学改革和创新，获得较好教学效果.

    1）项目驱动法的教学方式让学生提前知道综合设计具体任务和要求，学生带着任务有目的地学习相关资料，学习目标更加明确.

    2）将递进式教学模式引入到教学过程中，要求学生在掌握设计性实验任务的基础上增加任务，循序渐进地学习，降低学习难度，促进学生的学习动力，提高学生的实践能力.

    3）将课堂集中教学与网络教学相结合，优化教学内容，让学生进行前期预习和学习教学案例，有助于单片机综合设计的过程实施和管理.

    通过单片机综合设计实践教学使学生掌握基于单片机的电子产品开发设计流程，促使学生学会仪器仪表的使用，在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题，提高学生单片机系统设计能力.

    基于OBE理念的单片机综合设计教学，以市场需求和培养结果为导向，以培养学生分析问题和解决问题的实践能力为目标，优化综合设计内容，提出递进式教学法和项目驱动法贯穿到综合设计教学全过程，抓好每一个教学环节，注重单片机综合设计过程管理，有效地提高单片机综合设计实践教学质量.

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