中职单片机专业课程教材的开发与应用

中职单片机专业课程教材的开发与应用

单因素原理和应用是针对高等职业学校关于电子技术应用、电子技术和信息技术的专业课程。我校于2008年在对专业课程改革的过程中,针对单片机课程传统教材在教学中存在的问题,从激发学生的学习兴趣,提升学生的综合职业能力特别是实践应用能力出发,根据学生的认知特点和认知规律,结合学校的实验实训设备,积极进行基于“教学项目+任务驱动”的校本教材开发,并成功开发了《单片机项目的设计与实训》校本教材。该校本教材经过近2年的使用,深受一线教师和学生的喜爱,在区域内被广泛推广使用,并于2011年8月由高等教育出版社出版。一、传统承担初始课程教学体系的问题单片机课程是一门应用性、实践性很强且软硬件一体化的综合性课程。传统的教材在体系的完整性、模块化的结构等方面得到了较好的落实,但相对于当前中等职业学校学生的认知特点和认知规律来说,相对于以培养学生的综合职业能力特别是实践应用能力为主要目标的职业教育教学来说,传统的单片机教材存在以下一些突出问题:1.硬件、原理知识传统的单片机教材一般按学科知识体系进行编排,通常取名为《单片机原理与应用》。教材的整个结构一般是:介绍单片机硬件结构及其原理→介绍单片机的指令系统→汇编语言程序初步设计→单片机最小工作系统→单片机中断系统、定时器/计数器原理→单片机的系统扩展与接口技术→单片机应用系统设计。这种知识体系的编排方式,让学生先学习大量的硬件内部结构、原理、指令系统等理论知识,这对于当前的中职学生来说,难度很大。学生学习中普遍认为单片机难学,深奥难懂。2.与教学内容相关的教学内容传统的单片机教材因为按学科知识体系编排,其更注重理论知识的介绍。从单片机的内部结构、工作原理、指令系统到程序设计、中断系统、定时器/计数器等,教材花大量的篇幅介绍其理论知识,需要学生动手实践操作的内容相对较少,若有的话,也是对理论知识的验证性实验。这对于激发学生的学习兴趣,培养学生的实践动手能力有很大的欠缺。3.加强系统学习单片机是一门应用性、实践性很强的课程。对于中职学生来说,我们教学的重点应放在:(1)让学生明白单片机究竟有什么用。(2)让学生了解单片机最小工作系统。(3)让学生初步学会通过编程单片机在端口操作、显示、高级输入、时间控制等工程方面的典型应用。(4)激发学生继续学习单片机的兴趣和欲望。相对于以上单片机课程的教学目标来说,传统的单片机教材在这方面显得尤其不足。二、考虑到职业培训班的理念和原则1.开发校本教材,实现校本设计的创新为打破传统单片机教材重原理轻应用、重理论轻实践的学科知识体系结构,我们在校本教材开发的过程中,采用基于“教学项目+任务驱动”的校本教材开发理念。所谓“教学项目”是指由围绕技能培养而设计的符合学生认知规律、适合课堂教学的若干个工作任务组成的项目。即整本教材由若干个典型的、具体可操作的教学项目组成,每个教学项目又以多个小任务的形式展开。2.以理实一体化的原则进行教学项目设计为更好地培养学生的学习兴趣,提高学生对于单片机的实践应用能力,我们在开发“教学项目”时,遵循“三个一体化”原则,即理实一体化、软硬件一体化和教学做一体化。(1)理实一体化。每个教学项目的设计是以实现某个典型的工作任务作为最终的教学目标,如延时小灯的设计、10秒倒计时的设计等。为完成某一个工作任务,不仅要会实践操作,而且还要有相关的理论知识。因此,每个教学项目的设计是以完成教学项目所要求的工作任务为主线,结合相关的理论知识设计而成,即遵循理实一体化的原则。(2)软硬件一体化。单片机课程是一门综合性很强的专业课程。单片机本身是一块具有特殊功能的集成芯片,它的功能的实现是要靠我们使用者通过编程来完成。可见,单片机课程的学习既有硬件的学习,又有软件(编程)的学习,即在硬件的基础上通过软件(编程)来完成。软硬件一体化的学习方法是学习单片机最基本也是最有效的方法。因此,我们在设计教学项目时遵循软硬件一体化原则。(3)教学做一体化。为激发学生的学习兴趣,让单片机的学习不再深奥难懂,而是变得通俗易懂,我们积极倡导“做中学、做中教”的职业教育教学模式。教学项目的设计遵循教学做一体化的原则,即以应用为主线,以实训项目为载体,教师的教是以学生的学、做为基础的,让学生在完成具体的项目和任务的过程中,在做的过程中,学习并掌握单片机相关的软硬件知识。三、运营中等专业计算机课程的过程1.课程教学控制板设计中职单片机课程校本教材的开发遵循以下流程。一般先选择单片机型号与编程语言,然后依次是分析并确定课程教学目标,实验板的设计与开发,教学单元与教学项目的确定,教材(教学项目)的编写。整个开发流程如图1所示。2.教学内容的编写(1)单片机型号与编程语言的选择。(1)型号的选择。目前单片机很多,有8051、PIC、MS430、AVR等。单片机虽然型号不同,但是芯片内部的资源种类都差不多,而且这些资源的使用方法也大同小异。可以说学会一种,其他种类融会贯通。8051系列是老型号,这种单片机虽不是目前功能最强大,但却是用得最广泛的,教学资源最多,软件支持和硬件开发都很成熟。对于初学者来说,我们选择由Atmel公司生产的,具有ISP可在线编程功能的AT89S52这一型号。(2)编程语言的选择。由于单片机的C语言与汇编语言相比,具有对单片机的指令系统不要求有任何的了解,就可以用C语言直接编程操作单片机;具有方便的模块化编程技术,使已编好的程序很容易移植;单片机的C语言常用语法少,有益于编写小而快的程序等优点,我们选择C语言作为编程语言。(3)实验板的设计与开发。单片机是一门实践性很强、非常注重动手的课程。学习单片机最有效的方法是理论与实践并重,边学习,边演练,循序渐进,这样能将用到的指令理解、吃透。因此,在进行教学项目设计之前,必须先设计开发好学习用的实验板,使每个教学项目都可以在实验板上完成。实验板可以买现成的,也可以根据教学的实际需要自行设计。我们在本书的编写过程中,根据教学需要设计并开发了5个实验用模块板,分别是单片机模块、指令(按键)模块、LED显示模块、七段数码管模块、LCD显示模块,如图2所示。采用这种模块组合的好处在于既方便实验时的操作,又考虑到了硬件的相关知识。(4)教学单元与教学项目的确定。根据课程的教学目标和教学要求,我们把教材的框架确定为7个单元21个教学项目,具体见下表所示。课程单元之间既相对独立又存在着一定的关联。每一个单元一般由4~5个具体的教学项目组成,教学项目之间采用循序渐进的方式进行组织。教学项目的设计充分考虑其趣味性、典型性、可操作性和工程应用性。其中第七单元作为选学内容,是为学有余力的学生准备的教学项目。(5)教材(教学项目)的编写(以延时小灯的设计为例)。每一个教学项目按照其工作过程以4个小任务的形式展开,与教学项目相关的内容与信息以知识链接的方式呈现,后配有动手操作和思考与练习。每个教学项目的编写体例如图3所示。从教学项目的编写体例可以看出,教学项目的编写具有以下4个特色。一是学习目标具体明确。每一个教学项目的开始,就给出明确的学习目标和项目情境描述。如“延时小灯的设计”教学项目,其项目情境描述为:用单片机的P1.0脚去控制一个发光二极管按1s时间间隔进行亮灭闪烁,即延时小灯的设计。同时给出的学习目标是:(1)了解单片机C语言程序的基本结构。(2)学会while()语句、for语句及不带参数函数的用法。(3)学会进入Kiel软件的仿真模拟调试状态,会利用寄存器窗口“sec”一栏的参数来计算程序执行的相关时间。这样就能让学生从一开始就明确教学项目所要求完成的工作任务和应掌握的相关知识,即学习目标既具体又明确。二是先硬件后软件,软硬件一体。我们知道单片机的学习是在硬件的基础上,通过编程(软件)来实现。因而,教学项目的编排我们也是按先硬件后软件的方式来组织。如“延时小灯的设计”教学项目,其任务一是单片机外围电路的认识与搭接,任务二是程序的编写、编译与下载,即先学习并完成硬件的要求,然后再在硬件的基础上学做编程(软件),最终完成教学项目所要求的、同时需要软硬件知识的工作任务。也就是说,教学项目的组织完全是按工作体系来编排。三是在具体的项目情境中学习编程语言。编程语言中相关语句和函数的学习,不是单独孤立地进行,而是把它们放在具体的项目情境中来学习。如“延时小灯的设计”教学项目中,任务三是程序中相关语句与函数的学习,主要是while()语句、for语句及不带参数函数的用法。而这些语句和函数是在任务二的程序中已经用到过,即学生在学习之前,已经了解了这些语句和函数在教学项目中的作用,然后在来学习它们的一般用法。这样学生学起来就轻松,容易懂,也可让学生真正体会到学以致用的道理。四是为学生提供项目拓展、自主创新的平台。教学项目中的“动手操作”栏目,主要提供两类题目,一类是对原教学项目的拓展性题目,另一类是可以自主创新的题目。学生通过对这两类题目的实践性训练,既可以拓展思路,提高解决实际工程问题的能力,又可以提升其创新意识和创新思维能力。四、在学校运营和使用教材的优势1.从完成学习过程中感受成功从原来枯燥乏味、深奥难懂的理论学习,到一个个趣味性、生活化的教学项目的完成,学生在学习过程中能深刻体会到成功的喜悦。在挑战一个个工作任务的过程中,自我成就感也不断增强。学生在学习中普遍感觉到学习单片机不再是一件困难的事,觉得学习单片机有用,能学好,学习的积极性普遍提高。2.实例操作贯穿整书《单片机项目的设计与实训》校本教材,是以工程应用为主线,以实训项目为载体,以典型、具体的实例操作贯穿整书。学生通过一定量的相对典型的、工程中应用比较广泛的教学项目,如延时灯的设计、99秒倒计时的设计、1602液晶的使用、时钟的设计、助学器的设计等的设计与训练,能够比较深刻地理解单片机是如何在工程技术中得到应用的,这能够极大地提高学生对于单片机的工程应用能力。3.实验过程设计《单片机项目的设计与实训》校本教材,既有具体可操作的教学项目,又设计并开发了与之配套的实验用模块板,并且还配有完成教学项目所需的实训程序(软件),真正能使教、学得到有效落实。这在很大程度上减轻了教师准备实验实训设备的负担,也能使教师从繁杂的程序编写中解脱出来,重点投入到教学方法与模式的研究中去。4.以学生为本,构建符合自身发展特点的教材体系单片机课程校本教材的开发和使用,极大地改变了教师原有的教学观念和教学行为。在对校本教材开发和使用之前,很多教师只是抱怨传统教材在使用过程中的问题和不足,没想去改变它。教师采用的几乎是传统的教学模式,以教师为中心,以教为主,教材崇拜,视课本为圣经,按知识体系来设计教学。而通过对校本教材的开发,教师们的教学观念和教学行为发生了变化,他们逐渐感悟到,对于我们专业教师来说,教师不能一味地教“教材”,而是应该用批判的视角来审视教材。教师应根据课程或教材中出现的问题,以学生为本,根据学生的认知特点和认知规律,积极进行教学改革,积极倡导做中学、做中教的职业教育教学模式,努力构建符合当前职业教育教学的课程体系和教材体系。(2)