新工科建设背景下“单片机”课程教学改革
王莉，苏波，崔立志，赵运基，杨凌霄，高如新
（河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作）
摘 要： 为适应新工科建设背景下嵌入式人才的培养，“单片机”课程亟需教学内容与教学模式改革。本文在对比分析传统教学模式与网络教学模式的基础上，结合“单片机”课程教学改革的需要提出了基于SPOC的混合式教学方案，并重点介绍了在线课程资源的制作和混合式教学的实施。应用效果表明：基于SPOC的混合教学模式有助于学生获得单片机应用系统开发能力，为嵌入式系统学习奠定基础。
关键词： 新工科；单片机；混合式教学
新工科专业分为新型工科专业、新生工科专业和新兴工科专业，前者属于“存量更新”，后两者属于“增量补充”。新型工科专业借助人工智能、机器人、云计算等学科对传统工科专业进行转型、改造和升级。[1]新工科计划的推进关键在于对“新”的内涵的认识。[2]为适应新工科建设需求，广大高校专业课教师对传统课程的教学内容、教学模式和教学方法进行改革创新是丰富“新”内涵的重要途径。本文探讨新工科建设背景下“单片机”课程的教学改革。
一 “单片机”课程教学现状分析
相较传统工科，新型工科强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通讯、电子控制、软件设计等技术与传统工业技术的紧密结合。[3]对于自动化、物联网、电子信息工程、测控技术等专业而言，课程设置将以工业智能为核心。工业智能的实现离不开嵌入式技术的支撑，绝大多数工业现场智能设备实质上是运行智能控制算法的嵌入式系统装置。嵌入式系统装置由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，其结构如图1所示，其软硬件可裁剪，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求。近年来，嵌入式技术相关课程在工科高校日益成为学生选修的热门课程。笔者以“嵌入式”为关键词在“中国大学MOOC”和“学堂在线”平台检索，得到近70门课程，内容涉及嵌入式系统的硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层，各层之间的结构如图2所示。
DG-SHGR路由引用特定的数据包格式,如图4所示,其中转发模式有GSF和HBF。scaleCenter表示雷区FAR的中心位置,存储了中心位置的坐标。scaleFactor为比例因子。传输时延D表示传输数据包所限定的时延。速度门限SpeedThreshold表示满足传输时延D的最小HTHS。最后,数据Data为要传输的数据包。
图1 嵌入式计算机系统组成
图2 嵌入式系统层次结构
单片机作为一种典型的嵌入式控制器，在智能仪器仪表、家用电器、工业过程控制等领域应用广泛。“单片机”是传统电气信息类专业的必修课程，也是部分非电类工科专业的选修课程。单片机的发展经历了单片微型计算机(SCM)、微控制器（MCU）、片上系统(SoC)三个阶段。长期以来，中国高校单片机教学以上个世纪80年代诞生的51单片机为讲授对象，教学内容显然已经无法满足新工科嵌入式人才培养的需要，但是跨越51单片机直接讲授嵌入式系统的软硬件知识无疑会增大学生的学习难度，因此单片机教学改革迫在眉睫。为适应这一新形势，河南理工大学在最新的自动化，电气专业课程体系中增设了“嵌入式系统及应用”课程，保留了“单片机原理”课程，但相应地压缩了学时。为了便于学生在较短时间内获得初步的单片机应用系统开发能力，为嵌入式系统的学习奠定基础，课程组建设了“单片机原理与应用实例仿真”在线开放课程，结合线下课程开展混合式教学。
二 混合式教学模式的优势分析
任何一种教学模式都包括六个方面的内容：学习与教学理论、教学目标、操作程序、师生角色、反馈方式和支持系统。传统教学模式与网络教学模式在这六个方面存在较大差异，具体对比如表1所示。可以看出，两种模式各有优势和劣势。传统教学模式以教师为中心，其优势在于：便于组织和监控教学进程，便于师生之间情感交流，其劣势在于：教师主宰课堂，忽视学生的认知主体作用。网络教学模式以学生为中心，其优势在于：有利于学生的主动探索、主动发现，其劣势在于：自由度过大时，容易偏离教学目标要求，忽视师生之间的情感交流。
（3）课题组应制定详细的课程制作计划并加强检查，定期召开碰头会讨论解决制作过程中出现的问题，确保课程资源按时保质完成。
“单片机原理与应用实例仿真”课程于2018年10月在 “中国大学MOOC”平台上线，采用SPOC（Small Private Online Course）方式开展教学。SPOC概念由加州大学伯克利分校的阿曼德·福克斯教授最早提出和使用，是一种将MOOC资源用于小规模、特定人群的教学解决方案。[5]SPOC采用混合式教学，面向在校注册学生，实现了MOOC和传统校园课堂教学的结合，有效地弥补了MOOC在教学互动、因材施教、环境约束、考试客观性等方面的短板。
表1 传统教学模式与网络教学模式对比
三 在线课程资源制作
单片机种类繁多，但用法大同小异，课题组建议学生先系统学习并扎实掌握某一类单片机的原理和应用技术，然后由此及彼，触类旁通。课程组对51单片机课程的知识点进行梳理，期望通过精心设计的学习路线帮助学生轻松掌握51单片机技术的精髓。课程包含8个学习模块，重点讲解单片机技术概述、单片机硬件结构、C51编程基础、Proteus仿真、人机接口、中断系统、定时器/计数器、串行口、I/O接口扩展等模块。每一学习模块均安排有基于Proteus的仿真实例，无需借助实验箱、仿真器和开发板，学生就可以在纯软件环境下完成应用系统的设计与调试。课程资源列表如表2所示，每一学习模块包括若干知识点，相应学习资源包括教学视频、课件、讨论、仿真动画、测试等，部分模块还添加拓展视频、扩展阅读等。
表2 课程资源列表
（2）课题组应选择高水准的制作公司承担课程录制任务，并在课程资源制作的各个环节与制作公司进行及时有效的沟通，避免因理解偏差而出现作品返工。
（1）项目立项之前课题组应充分调研国内同类课程的建设现状和水平，根据省级、校级在线开放课程建设的总体规划与政策导向确定课程定位和特色，避免因重复建设而落选。
课程资源的制作是一项耗时费力的工程，其制作流程如图3所示，从项目立项到成品验收需要项目组统筹规划，精心安排，并注意以下问题：
例如，“工业4.0遇上工业互联网”论坛吸引了超过8000名与会者参加。汉诺威工业博览会的外贸平台——“全球商业和市场”展区共吸引了220家参展商和超过5000名观众。“初创技术企业”展区是汉诺威工业博览会的创业中心，包含展览、论坛、推介、采销配对活动和研讨会。
图3 课程资源制作流程
图4 生完成学习任务的情况统计
图5 单元测试和期末考试参与比例
四 基于SPOC方式的混合式教学
混合式教学模式可挖掘两种模式的互补性，由教师主导知识体系的系统性传授，借助网络教学的自主性增强学生的认知主体地位，通过线上和线下的交流互动发挥情感因素对于学习过程的催化作用。[4]因此，课程组在“单片机”教学中采用混合式教学模式，即“线下传统课程”与“线上网络课程”相结合。单片机的基本概念、体系结构、程序设计、硬件设计等内容通过线上网络课程完成，线下课程以实例仿真分析、习题课、讨论课等形式为主，主要目的是帮助学生突破重难点。
三组重度患者治疗前MMRC评分、6MWD、FEV1预计值比较差异无统计学意义（P＞0.05），治疗后，策略1组和策略2组较治疗前明显改善，两组改善程度优于对照组，策略2组的MMRC评分、6MWD改善程度更明显（P＜0.05），见表2。
实验结果表明，在实验台溢流阀设定压力0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa的情况下，测量所得的速度0.041 8 m/s、0.032 7 m/s、0.003 7m/s，与考虑泄漏模型建立的模型获得的0.042 1 m/s、0.032 8 m/s、0.003 7 m/s基本一致，而比没有考虑泄漏模型的仿真得到的速度要低。说明所建立模型的准确性，也表明在实际工作过程中泄漏对系统动态特性及性能的影响不可忽略。
首次课程开设中，共有779名学生报名参加线上课程，其中740名学生同时选修了线下课程。课程后台学习数据统计结果表明：大多数学生完成了学习任务并参加了单元测试与期末测试。课程累计包含52个学习任务，图4为学生完成学习任务的情况统计。课程发布了8个单元测试和1个期末测试，图5列出了各个测试的学生参与比例。学习统计数据能够准确地反映学生的学习效率、难点和热点问题。另一方面，学生的参与度也可以从侧面反映教师所制定的学习路线的有效性，有助于教师及时调整教学内容。在线课程结课成绩由三部分构成，其中单元测试占40%，讨论占10%，期末考试占50%。在混合式教学模式中，教师依据学生在SPOC平台上的学习数据评定学生线下课程的平时成绩，可提高平时成绩评定的客观性。课程结束后，学生仍然可以借助SPOC平台访问课程资源。
五 结语
基于SPOC的混合式教学模式能够充分融合传统课堂教学和网络教学的优势，即教师通过精心设计的学习路线主导知识体系的系统性传授，学生根据自身情况自主控制学习进度。教师与学生的线上和线下交流互动能够发挥情感因素对于学习过程的催化作用，弥补MOOC教学的短板。教学实践表明该教学模式适应新工科背景下“单片机”课程改革的需要，有助于学生获得初步的单片机应用系统开发能力，为嵌入式系统的学习奠定基础。在后续的教学实践中，应加强学生学习行为与学习成效的大数据分析，为改进教学内容、教学方法和教学模式提供科学依据。
参考文献
[1] 本钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017 (3) ：1-6.
[2] 本李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究, 2017 (4) ：1-4, 15.
[3] 本张望,白英,梁丽芳.面向新工科的高校创新型人才培养路径探究[J].高教学刊,2019(07)：4-7.
[4] 本王莉,苏波.基于Sakai平台的混合式教学模式研究与实践[J].大学教育 ,2016(10)：9-11.
[5] 本徐葳,贾永政,阿曼多·福克斯,戴维·帕特森.从MOOC到SPOC——基于加州大学伯克利分校和清华大学MOOC实践的学术对话[J].现代远程教育研究,2014(04)：13-22.
本文引用格式： 王莉,等.新工科建设背景下“单片机”课程教学改革[J]. 教育现代化,2019,6(77)：61-63,80.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.77.018
基金项目： 本文系河南省高等教育教学改革研究与实践项目(2017SJGLX255)、河南理工大学教育教学改革研究与实践项目（2017JG015）的研究成果。
作者简介： 王莉，女，河南焦作人，河南理工大学电气工程与自动化学院，副教授；苏波，男，湖北荆州人，河南理工大学电气工程与自动化学院，副教授。
标签：新工科论文; 单片机论文; 混合式教学论文; 河南理工大学电气工程与自动化学院论文;