单片机原理及应用课程的模块化教学分析.pdf

378 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Applications创新应用为衡量国家科技发展水平的重要标志。为了有效提高学生的职业能力，保障课堂教学的有效性，本文针对“单片机原理及应用”课程进行了系统性的开发，模块化项目工作任务的设计与实施是课程改革的一个重要工作任务。1 课程定位“单片机原理及应用”课程是机电一体化专业的学科核心课程，是一门具有很强应用性、实践性与综合性的课程，该课程理论知识与实践技能为学生学习机电设备故障诊断与维修、PLC控制技术等后续课程以及未来从事自动生产线安装与调试等岗位工作奠定基础，课程教学以培养学生实训能力和综合应用能力为依据，既重视单片机基础理论知识，更强调实际应用。因此，在对本门课程的设置上，是通过结合智能制造工程技术人员国家职业标准、机电一体化专业教培方案、智能硬件应用开发职业技能等级标准，机电一体化专业企业调研报告来制定课程标准，明确教学目标，构建课程内容体系。0 引言随着我国职业教育改革的不断发展，传统“灌输式”教学模式已不符合当代高职学生的实际学习特征，因此必须调整和提高教育教学思路才能适应当下高职教育改革创新和社会发展的需要。职业教育模块化课程改革最早在欧洲国家的职业教育与培训中盛行，德国把模块化教学作为双元制改革的重要举措，实施课程模块国家认证与职业资格认证的相互融合。目前我国也实施模块化课程改革，并探索实施1+X证书制度，将职业技能等级证书纳入模块化课程中，服务职业教育高质量发展。近年来已有不少学者研究讨论模块化教学在高职课程中的应用1-3。“单片机原理及应用”课程在机电一体化专业、机械工程专业、新能源装备技术等专业中是一门专业课程，随着人工智能及智能制造技术的迅速发展，单片机的控制及其应用也愈加广泛，单片机技术的发展使机电一体化技术更加智能化，提高设备自动化水平和可靠性，其技术水平的高低已经成基金项目：陕西省自然科学基金(2020JQ-772)。作者简介：何思源，贵州水利水电职业技术学院，讲师，硕士；研究方向：电力系统及其自动化。卢银彬，西安石油大学机械工程学院，讲师，博士；研究方向：多孔材料流动换热。收稿日期：2023-05-07；修回日期：2023-05-22。摘要：阐述单片机原理及应用课程的系统性的开发，模块化项目工作任务设计与实施，结合单片机系统应用实际案例将课程划分为6个能力模块，每个能力模块由不同的任务点组成。探讨课程模块化任务的实施和课程考核方式、实施效果评估。关键词：单片机原理，模块化，项目化教学，效果评估。中图分类号：TN368.1-4 文章编号：1674-2583(2023)06-0378-04DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.166文献引用格式：何思源，卢银彬.单片机原理及应用课程的模块化教学分析J.集成电路应用,2023,40(06):378-381.单片机原理及应用课程的模块化教学分析何思源1，卢银彬2（1.贵州水利水电职业技术学院，贵州 551416；2.西安石油大学 机械工程学院，陕西 710065）Abstract This paper expounds the systematic development of the course of the principle and application of single-chip microcomputer,the design and implementation of modular project tasks,and divides the course into six capability modules based on the actual case of the application of single-chip microcomputer system.Each capability module is composed of different task points.It discusses the implementation of curriculum modular tasks,curriculum assessment methods and implementation effect evaluation.Index Terms single chip principle,modularization,project-based teaching,effect evaluation.Analysis of Modular Teaching in the Course of Single Chip Microcomputer Principle and ApplicationHE Siyuan1,LU Yinbin2(1.Guizhou Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower,Guizhou 551416,China.2.School of Mechanical Engineering,Xian Petroleum University,Shaanxi 710065,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 3792 模块化课程设计在“单片机原理及应用”课程模块化设计中，遵循学生职业能力培养规律，将课程内容按层次由易到难，依递进关系划分为6个模块，20个子项目任务，58个知识点或技能点，通过模块化项目设计，将课程理论知识、实训技能、能力提升融入项目任务实施过程，本门课程具体设计如下。（1）通过与企业，电力行业相关工程技术人员探讨，明确单片机应用系统各环节的设计与调试方法，了解单片机在测量和控制等电子技术应用领域的应用，确定应用单片机进行设备技术改造、产品开发及维护的职业能力，通过分析岗位的能力需求和工作任务，使教学内容设计更加贴近实际工作岗位。（2）对机电一体化类企业进行调研，制定企业调研报告，收集有关单片机应用系统安装调试、运行维护工作所应具备的职业能力要求，并整合到教学内容的设计中。（3）通过结合单片机系统应用实际案例将课程划分为6个能力模块，每个能力模块由不同的任务点组成，每一个实训任务下涵盖相应的知识点或技能点；在课程实施过程中，按照由简单到复杂的顺序实施各个任务，将课程理论知识、实训技能、能力提升融入项目任务实施过程中，充分发挥高职学生动手能力强的优势，提高学生的学习积极性，学生可以独立进行分析、反思、体验和感悟，进而取得举一反三的效果。本文对“单片机原理及应用”课程所构建的模块化内容结构如下所示。模块一：认识单片机及其开发环境。（1）单片机概述。（1）任务一：认识单片机。（2）任务二：认识单片机开发环境。（2）单片机开发流程。（3）Keil Vision 软件使用。（4）Proteus 仿真软件使用。模块二：单片机硬件系统。（1）任务一：认识单片机内部结构。（5）单片机内部结构。（2）任务二：点亮LED。（6）单片机引脚功能。（7）8个LED 闪烁实例讲解与编程仿真。（3）任务三：认识单片机存储器结构。（8）单片机存储器结构与类型。（4）任务四：蜂鸣器设计。（9）蜂鸣器发声实例讲解与编程仿真。（5）任务五：开关控制LED亮灭。（10）单片机并行I/O 口功能。（11）开关控制LED亮灭实例讲解与编程仿真。模块三：C51程序设计基础。（1）任务一：LED 闪烁灯设计。（12）C51 程序基本结构。（13）开关控制LED交替亮灭，实例讲解与编程仿真。（2）任务二：认识数据类型。（14）数据类型概述。（15）C51运算符。（3）任务三：流水灯设计。（16）顺序程序与表达式。（17）顺序程序结构控制流水灯实例讲解与编程仿真。（18）选择程序与选择语句。（19）选择程序结构开关控制LED常亮或闪烁实例讲解与编程仿真。（20）循环程序与循环语句。（21）移位操作控制流水灯实例讲解与编程仿真。（22）C51库函数。（23）库函数控制流水灯实例讲解与编程仿真。（24）用户自定义函数。（25）延时函数定义与调用实例讲解与编程仿真。（26）C51数组。（27）数组控制流水灯实例讲解与编程仿真。（4）任务四：程序设计应用实例。（28）花样霓虹灯实例讲解与编程仿真。（29）贪吃蛇实例讲解与编程仿真。（30）倒车警示器实例讲解与编程仿真。模块四：定时器、计数器。（1）任务一：认识定时器/计数器工作原理。（31）定时器/计数器工作原理。（32）LED循环闪烁实例讲解与编程仿真。（2）任务二：认识定时器/计数器的工作方式。（33）定时器/计数器的工作方式。（34）简易计数报警实例讲解与编程仿真。（35）正脉冲宽度测量实例讲解与编程仿真。（36）定时器输出PWM可调光台灯实例讲解与编程仿真。模块五：中断系统。（1）任务一：中断系统概念。（37）中断的概念。（2）任务二：认识中断系统结构。（38）单片机中断系统结构。（39）中断控制LED闪烁实例讲解与编程仿真。（3）任务三：中断处理。（40）中断处理过程。（41）LED显示秒表实例讲解与编程仿真。模块六：人机交互接口设计。（1）任务一：单片机与LED接口设计。（42）LED结构与工作原理。（43）LED静态显示。（44）LED静态显示2位秒表实例讲解与编程仿真。（45）LED动态显示。（46）LED动态显示指定信息实例讲解与编程仿真。（47）LED动态显示移动广告屏实例讲解与编程仿真。（48）LED动态显示2位秒表实例讲解与编程仿真。（2）任务二：单片机与LED点阵显示器接口设计。（49）LED点阵显示器的结构。（50）LED点阵显示器稳定显示指定图形实例讲解与编程仿真。（51）LED点阵显示器移动显示广告屏实例讲解与编程仿真。（3）任务三：单片机与字符型液晶显示器接380 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Applications创新应用口设计。（52）字符型液晶显示器概述。（53）字符型液晶显示广告牌实例讲解与编程仿真。（4）任务四：单片机与按键接口设计 5 4。单片机与独立按键接口设计。（55）按键状态LED显示实例讲解与编程仿真。（56）按键控制广告牌显示实例讲解与编程仿真。（57）单片机与矩阵键盘接口设计。（58）LED显示矩阵键盘按键号实例讲解与编程仿真。3 课程目标设置高职院校以培养应用型技能人才为目标，因此，“单片机原理及应用”课程模块化教学应突出技能训练，课程目标设置如下。3.1 课程素质目标（1）培养学生提出问题、分析问题并解决问题的能力；（2）培养学生逻辑思维能力和综合运用知识的能力；（3）培养学生的独立思考的能力和创新意识；（4）具有良好的职业道德和身心素质以及创新能力；（5）培养学生自主学习能力和团结协作精神。3.2 课程知识目标（1）能熟悉和了解不同厂商、不同型号单片机器件并掌握其性能特点；（2）掌握单片机内部资源的规划方法；（3）掌握单片机系统中的基本技术概念，并在设计项目中灵活运用；（4）掌握程序设计过程中解决常见问题的程序算法；（5）掌握单片机产品的调试、测试的方法。3.3 课程能力目标（1）具备编写一般程序的能力；（2）根据项目设计要求，进行单元电路的设计能力；（3）能对设计的任务进行软件程序功能划分；（4）能用单片机产品开发工具进行软件编程、调试及软硬件联调的能力；（5）能熟练使用常用的工具和电子仪器，完成项目产品的参数、性能测试。4 学情分析在对本门课程教学实施前，针对全体学生前期学业进行学期分析，掌握学生的知识、能力和素质基础，通过在线问卷调查和学习检测，了解学生学情优势与劣势，通过对统计结果的分析，发现学生的优势在于对信息化教学手段与实训操作的兴趣，劣势方面存在对单片机这类综合性应用知识不熟悉、缺少自主学习能力，以及缺乏掌握技能愿望等问题，因此在授课方式上，针对突出单片机的“应用性”，提高学生的综合职业能力。在对课程内容如何解重点、破难点的解决措施上，采取课前资源整合、在线发布，课中引导操作、知识内化，课后评价与总结的授课策略，学生课前通过学习通线上平台利用课程资源进行预习和查询资料；在课中环节班级学生分小组互助交流、协作学习；课后进行小组讨论、成果展示，以此完成师生线上和线下教学中的双向互动，激发学生的学习主动性与积极性。5 课程模块化任务的实施课程在教学理念上对接国行企校标准，探索“岗课赛证”融合育人模式4，引进岗位能力需求确定课程内容，利用学习通平台和课堂教学构建“线上+线下”混合式教学模式5-7，借鉴技能竞赛项目进入实训项目，融入智能制造工程技术人员、电子专用设备装调工等职业证书规范要求，本门课程授课所采用的教学设施资源包括自动生产线单片机实训装置、单片机开发板实训箱，Keil Vision单片机编程软件、Proteus单片机仿真软件；以课程模块任务为驱动，实现知识理论、虚拟仿真、实训操作等教学手段的融合。课程实施是实现预期教学效果的手段，本文以模块3“C51程序设计基础”中的“流水灯设计”任务进行课程教学实施的介绍。在课程实施前，教师在学习通线上平台发放有关流水灯项目设计的多媒体课件、微课视频及实训指导书等网络资源，学生通过平台进行微课、视频、文档材料在线学，查知课程内容资讯，完成在线预习，了解发光二极管控制的任务要求，初步理解相关的编程基础知识以及单片机系统的电路连接方式和工作原理。课中教学包括设计方案制定和仿真实训环节，根据课前布置的任务，教师首先对任务点中所涉及的顺序程序结构、移位命令、库函数等知识点进行讲解回顾，班级成员分为不同小组分析讨论单片机电路系统连接及编程控制方式，制定任务计划；在实训过程中，各小组按照任务计划对设计方案予以实施，利用编程和仿真软件、单片机开发板等实训装置进行软件程序和硬件电路设计调试，在此过程中教师巡视指导，给予必要知识补充和疑难解答。最后各个小组检查任务完成情况，展示实施成果，陈述实施方案，师生共同讨论分析、比较优化各小组实施方案，评出最优成果，教师对学生汇报及结果进行评价，指出每个小组及其成果的优点，并提出改进建议。课后学生完成线上课后测试题，巩固理论知识，并根据学生的知识接受能力指导学生开展课后任务拓展练习。整个教学过程融入技能训练和知识拓展，在掌握理论知识的同时，训练岗位应用技能，实现理实一体化，提升学生职业能力。6 模块化课程考核方式及实施效果合理的课程考核机制是调动学生调整学习策略和积极性的重要保证。相较于传统教学模式单一考核方式引起的考核结果偏差，本门课程结合模块化教学方式对考核方式进行改革，具体考核方式为：模块化课程过程性评价为70%，期末综合实操考核为15%，期末综合理论测试为15%，具体考核依据见表1所示；通过对传统考核方式的改革，针对学生Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 381的硬件设备掌握情况、实训操作熟练度、仿真软件使用熟练度、C语言编程能力、设备调试及故障排查能力等多方面职业素养进行培养和提高，保障教学效果。7 结语本文以“单片机原理及应用”课程所实践的模块化教学模式，以项目为导向、以任务为载体、以小组协作为方法，建设以学生为主体的课堂，教学内容贴近企业实际岗位需求，以提高强化学生职业技能为目标；依托教材、硬件实训平台及设备、仿真软件、自建线上学习平台、模块化课程等多元化教学资源，实现以职业能力培养为核心的教学内容任务化，学习过程工作化；通过学习通和智慧职教线上资源为学生发放微课，文档资源进行课前预习，课中教师对任务相关知识点的重难点进行讲解，以任务为驱动指导学生完成任务案例的程序设计和仿真实训，展示成果并进行考核评价，课后针对课堂任务完成情况发布任务拓展测试。构建“三段式”教学模式，实现线上线下的有机融合。在本次教学项目实践中，本文深刻体会到课程教学要符合应用型、复合型、创新型人才的需求。随着课程的深入，学生对于部分项目、案例的新鲜感降低，需要及时更新体现新技术、新工艺的实用性教学案例资源8-13，进一步优化课程项目和任务设置；针对教学内容与企业融合度不够的问题，需要进一步紧跟行业内相关企业的新技术新发展动态，提高学生职业适应能力。只有让学生真正能够学以致用，才能激发学生的学习驱动力，进而达到专业人才的培养要求。参考文献1 邱玲玲.“1+X证书”背景下模块化课程体系构建探讨以高职工程造价专业为例J.北京工业职业技术学院学报,2023,22(01):60-64.2 徐毓华,刘嘉,魏潇,朱杰,王从成.一带一路背景下高职院校中医药特色国际人才培养模块化课程体系构建J.中国中医药现代远程教育,2022,20(23):172-174.3 岳丽,逯海燕,王素梅.汽车电器设备与维修课程“互联网+模块化”教学实践研究J.专用汽车,2022(11):105-107.4 原立格,徐音,祝朝坤.“以赛促学、赛教融合”主动式实践教学体系构建以单片机原理及应用课程为例J.产业与科技论坛,2019,18(16):195-196.5 王蒙军,武一,刘剑飞.新工科背景下单片机课程的项目情景教学方法J.实验室科学,2019,22(06):94-97.6 陈越超,王佳敏.新工科背景下“学、练、赛、创”四位一体实践教学体系研究J.长春师范大学学报,2019,38(12):148-152.7 郑庆全.“四位一体”师范生实践教学体系协同创新的宏观研究J.齐鲁师范学院学报,2020,35(05):15-22.8 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