基于过程的单片机课程教学质量控制方法

罗其俊 李宗帅

摘   要：针对单片机课程教学，借鉴ISO9000质量控制体系，文章设计了以过程为基础的教学质量控制方法，提高学生单片机开发的理论水平和实践能力。首先分析了基于过程的质量控制理论，设计了课程质量控制的标准化过程、原则和方法。然后调查了自动化专业培养方案，分析了单片机课程的前序、后续课程，明确了该课程在专业课程中的地位。结合教学大纲、培训机构的课程目标，以及企事业单位对单片机开发人员的招聘要求，细化了单片机课程教学的目标，并明确了全部知识点组织和重点案例的设计。最后，针对该教学目标，设计了基于学习质量的教学进度控制方法、质量评估方法和强交互式的在线学习方法，实现了课程教学全过程的质量控制。

关键词：教学质量控制;单片机课程;强交互式

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）23-0084-06

一、引言

单片机应用能力，是硬件工程师的基本技能，单片机课程是自动化和信息相关专业的必修课程，对于培养学生的计算机相关控制理论和实践能力具有重要作用。然而，现阶段很多大学毕业生的单片机理论和实践能力欠缺，根本原因在于此课程在理论和实践方面的教学质量控制未能达到要求。本文主要从该课程教学体系和教学过程中的各个流程，研究了该课程教学的质量控制方法。

教育机构和学者针对教学质量提升进行了广泛的研究。在国内教育管理层面，为了提高教学质量，教育部从疏堵两个方面入手，即加大教学经费投入和完善教学政策和制度，对全面提升教学质量有明显作用。在课程教学和课堂组织实施层面，清华大学于歆杰和北京航空航天大学胡晓光采用“雨课堂”教学实施和管理平台，与课堂授课进行深度融合，辅助教师完成学生管理和学习效果反馈。另外，关于落实教学责任、以学生为中心、教学过程标准化等方面的研究也很多，解决了教学管理、课堂教学等不同方面的问题。

针对单片机课程教学，本文结合以过程为基础的课程教学质量控制理论和方法，分析了標准化的单片机教学流程，建立了基于过程的质量控制方法。通过调查自动化专业培养方案、教学课程大纲、培训机构的课程目标，以及企事业单位招聘要求，明确并细化了单片机课程教学的目标、知识点组织和重点案例的设计。针对该教学目标，设计基于学习质量的教学进度控制方法、质量评估方法和强交互式的在线学习方法，实现课程教学全过程的质量控制。

二、课程教学质量控制理论和方法

教学质量控制，是指确保教学活动达到的最低标准和基准，是学校教学管理的核心问题。这也是社会对学校的基本要求，以保证企业所接收的毕业生具有必备的基本素质。在此基础上，使不同学生意识到并能发挥出各自的潜力和创新能力，这也是世界各著名学校所追求的更高的教学质量要求。教学质量影响公式为：

Q（s，t）=I·E·Mmed（t）

mod    ·Tat（t）

pe   ·Seq（t）

iq   （1）

其中，I为教育机制，E为学习环境，M为教学模式和方法，T表示教师，S表示学生，pe为职业道德水平，al（t）为学术水平，随时间变化，mod为教学模式，med（t）为教学方式和方法，eq（t）表示情商，可随培养时间增长而提高，iq表示智商。

从上述公式可以看出，影响教学质量的因素非常多，从教学制度和机制，到学生的个性化差异，都影响了教学质量。对于专业课教学教师而言，应从M、T两个方面去进行教学改革和改进。具体对于课程教学过程而言，教学模式和方法，是教改的主要方面。

教学质量的控制，在教学模式和方法环节，表现为教学过程和成绩考核的标准化和规范化。采用ISO9000族标准构建的产品质量管理体系，应用非常广泛。它强调过程管理规范化和持续改进，对于教学过程的质量管理，具有重要的借鉴意义。

1.以过程为基础的质量控制

教学过程管理，是将教学活动中的所有环节作为一个系统的过程，确定各环节之间的连接关系，并形成标准化的系统处理流程和考核过程。在课程教学中，从大纲的设计、理解和实施，每一堂课、案例的实施、知识点的考核，加上单元化识别和管理，教师均需精心设计和策划。对于学生而言，这是一个完整的学习过程，任何一个环节的缺漏，都需要学生自己花费大量的时间去弥补，这会打击学生的学习积极性，影响学习效率和质量。而ISO9000管理模式非常重视“过程方法”，为了使组织有效运作，必须识别和管理众多相互关联的活动和相互作用的过程。在教学过程中采用“过程方法”的优点，是对各过程系统中的单个过程之间的联系以及过程的组合和相互作用进行连续的控制。这样，每一个教学环节都得到了有效的控制，最终必然得到良好的人才培养质量。以过程为基础的教学质量管理体系模式如图1所示，其中教育成果利益相关者指学生、工业界、大学教师和社会。

2.教学流程标准化

为了保障课程教学质量，首先要明确课程的任务和目标，进行课程知识结构分析，形成规范的教学过程，即课程教学的流程化和规范化。只有在此基础上的人才培养，才有根基，才能保证普遍的教学质量，进而培养出更多的出类拔萃的人才。

课程流程标准化，是在课程知识分析的基础上，将现行教学过程的每一个知识点教学环节和考核环节进行分解，以科学的学习过程和方法为依据，以学生普遍掌握、兼顾卓越培养为目标，对教学过程进行改善，优化教学流程，完成教学任务并培养卓越人才。

流程标准化的作用，主要是把不同教师所积累的教学经验，进行分析整合，并能够保存下来，使整个教学团队能够达到统一的目标，不会因为某一个教师的经验问题，损害一个教学班的教学质量。

3.目标明确可量化

当行动有明确的目标，并且能把自己的行动与目标不断加以对照，清楚地知道自己与目标的距离时，前进的力量就会得到持续和加强，人就会自觉地克服一切困难，努力达到目标。所以，课程教学教师首先要为学生分解目标并实施管控，做到以下几点：

（1）梳理大纲，树立明确的目标，而且这个目标必须是可以具体量化的，不能太空洞。明确的责任意味着学生都知道自己应该学什么、练什么、考核什么，而具体化的目标则能使所有学生都知道应该怎么学。

（2）明确细化目标。确定的教学目标要简单明了，使学生对其有非常清晰的认识。通过明确学习资料和考核标准，使学生能够清楚自己的学习任务，避免产生歧义，浪费时间，少走弯路，提高学习能力，同时让学生获得高分。

（3）将目标变为可量化指标。仅用考试结果来评价学生的学习水平，是不科学的且不负责任的。课程教学在关注考试结果和及格率的同时也应非常注重管控的教学流程，注意将目标分解到知识层面和能力层面，形成可量化的细分指标。

（4）明确学生个性化的目标。学生的能力和基础，对于目标的实现相当关键，让没有基础的学生去学习高阶知识，等于浪费时间和精力。因此，教师在进行知识分解和教学实施时，必须进行全面的评估，充分考虑每个学生的知识基础、能力和特长，只有因材施教才能得到理想的收获。

4.持续改进方法

CIPP（Context Evaluation、Input Evaluation、Process Evaluation、Product Evaluation）模式是现代主流的教育评估手段，“方案评估最重要的目的不是为了证明，而是为了改进”。对课程教学质量管理而言，目的是不断提高课程教学质量的水平。一方面，在每学期一次课程教学周期中，从教学过程和多个考核验收环节中，发现问题并尽力解决问题， 纠正和预防潜在的问题。另一方面，随着技术的发展和社会对技术的需求不断变化，高校要根据个人和社会的新要求，持续地改进教学内容和过程、提高教学质量。

教学质量改进的方式有多种，包括培养目标的改变、大纲的修订、教学目标的提高、教学内容的更新等等，还包括教师和学生的教学和学习实践方式、考核验收方式等。教学管理人员和教师要对教学质量进行评价和反馈，及时修订完善教学目标，通过持续改进来保证教学质量的不断提高。

三、单片机课程的教学目标细化

课程教学的目标，必须与行业和学校的人才战略方向吻合，满足专业人才培养要求，达到课程大纲的教学目标。

人才培养战略和目标是大方向，课程大纲规定了基本要求和最低标准，教师应在此基础上，在整体上、在局部和各个环节中，细化教学目标。同时，还应与时俱进，满足学生探索欲望，通过课程学习获得成就感;满足企业对相关技能的要求;满足社会对技术人才的期望。

1.培养方案

《单片机及工业控制计算机》属于本校自动化系的专业基础课，在自动化专业培养方案中，与此相关的内容概括如下：

“系统地掌握电路、电子技术、计算机软硬件技术、控制理论、检测技术、信息处理、自动控制系统等知识和技能;具备良好沟通协调能力、严谨工作作风和创新精神;能夠在民用机场及其它自动化领域的运动控制、过程控制、信息处理、信息管理、计算机控制、网络控制、管理与决策等方面，从事系统开发、运行、维护和管理等工作的复合型高级工程技术人才。”

其要求的知识脉络如图2所示，在电路、数电课程完成之后，单片机课程是自动化专业课中的基础核心课程之一。该课程是后续7门课程的学习基础，很好地掌握单片机原理和基本开发方法，对于理解和应用传感器、PLC、自动控制系统和计算机控制系统具有重要作用，同时为进一步理解微机原理、建立感性认识和理性认识、深入理解微机原理奠定基础。

2.课程大纲分析

本校自动化专业课程《单片机及工业控制计算机》中，工控机部分内容较少，主要内容为单片机的原理和应用，其总体要求为：“了解单片机的内部结构、各硬件部分的工作原理，着重掌握基于单片机的片上资源和外围接口的应用设计;掌握单片机的指令功能、编程方法、软件开发方法以及开发流程和常用软硬件工具;初步了解常用的外围接口芯片;使学生具有单片机应用系统的研制开发的基本技能。本课程以目前在我国最为流行的单片机内核类型，即Intel公司的MCS-51内核单片机为范例，全面介绍单片机的特点、工作原理和应用方法，使学生初步掌握一种单片机产品的应用开发技术，从而有能力进一步对其它单片机产品的应用系统从事研制和开发工作。”大纲规定的教学基本内容包括单片机的基本原理、程序设计、接口和外围电路等，其基本知识体系结构如图3所示。

3.培训机构的课程目标

目前，社会培训机构专门针对单片机的培训项目较少，一般为硬件工程师的综合培训，以及嵌入式系统的培训，具体内容如表1所示。

4.企业单位对单片机开发人员的基本要求

为了研究企业对单片机开发人员的技能要求，从各大招聘网站随机选择了一些单片机工程师招聘启事，摘取其中与单片机课程相关的技术要求如表2所示。从表2中可以看出，其中几个关键知识、技能或开发经验包括：①单片机系统开发经验;②Protel PCB设计;③STM32单片机;④外围接口电路;⑤C语言或单片机软件开发;⑥ucos操作系统;⑦团队协作精神;⑧电路设计和分析。

大多数高校的单片机课程目标可满足①④⑧，并不能满足②③⑤⑥⑦，为了满足企业对单片机开发人员的要求，不少高校通过增加有关“嵌入式系统”的课程，以强化和补充上述内容。

综上，单片机课程教学的目标可细化表示为以下几点。①理解单片机系统的基本原理，可进行单片机应用系统的设计，能分析和解决单片机应用系统中出现的问题;②具有单片机应用系统的实际开发经验;③熟悉基本硬件开发工具：Proteus仿真、Keil软件开发、 Protel PCB设计;④常用接口和外围电路：串口、SPI、键盘、数码管等;⑤单片机软件开发：掌握汇编语言程序设计;⑥具有团队精神，能够与多人协作高效完成一个项目;⑦能够计算和分析单片机应用系统中的电路参量。

5.单片机课程的知识组织

根据第3节教学目标的分析，单片机课程教学核心内容包括三个方面，如表3所示：①单片机的原理;②单片机的汇编语言程序设计;③接口和外围电路。

对于单片机原理部分的学习过程，以网络课程、阅读材料和讲授为主，通过写作业和简单的实验仿真进行学习成果的验收。

第②部分内容，以讲授、实验演示和实验练习为主要教学手段，强调学生的动手编程练习，激发学生动手编程的兴趣。核心在于，引导学生入门，使之“敢动手、能调试、不怕难”。

第③部分，教师在课上以案例为主，实验演示每个片上资源的使用方式和接口原理。学生阅读参考资料，完成课后实验设计，得到预期实验结果，进而通过该知识点的考核。该部分内容强调案例简单明了，参考资料丰富，使学生能够借鉴成功的单片机应用案例，使之经验丰富、分析能力提高。重点在于，培养学生的软硬件调试能力，帮助学生掌握解决软硬件问题的通用方法。

6.单片机课程教学中的案例设计

在单片机课程教学中，针对重要的和难度大的知识点，进行了案例设计，包括端口操作、中断、定时器、串口、SPI接口、并行扩展、按键、数码管和AD转换等多个内容。每个案例教学中，需明确如下几项内容：

（1）案例教学目标;

（2）案例教学过程，包括讲授基本原理、基本实验演示、设计原则和方法、提出设计要求（最低要求和开放式要求）;

（3）学生思考、设计和实现的过程;

（4）演示和解释;

（5）指导完善和改进;

（6）最终演示。

四、单片机课程的教学流程和质量管理

1.基于学习质量的教学进度控制方法

现阶段高校教学中存在的一个普遍问题，就是每个学生的学习进度不一致，与教师的教学进度不一致。由于教师讲解不透彻、学生预习不到位或者课后作业完成不及时，导致某次课程中有些学生没有“跟上”，而这些学生又没有及时自行补习，随着教学的不断深入，“掉队”的学生越来越多。最糟糕的是，接近教学结束的时候，整个教学班能听懂教师讲解的学生寥寥无几。其中最根本的原因，就是教学过程中缺少基于质量的进度控制。

为了解决这一问题，设计了基于学习质量的教学进度控制方法。先建立一种教学知识学习状态图，在该状态图中，每个学生处于知识点学习状态，通过考核后转入新的知识点状态，最后达到课程合格状态，如图4所示。

上课前，让所有学生清楚该课程的状态图、所有节点的知识点内容和考核要求;每次考核验收后，告知学生所处状态，对于没有通过考核的学生，重点告知其原因。最终未达到目标状态的学生，成绩评定为不合格。对于每个节点成绩优秀的学生，结合考试成绩，上浮最终成绩评定。

2.学习质量的评估方法

国内高校平时出勤和作业的评价方法一般都比较单一，笔者在实际教学中，采用了多种方式的成绩评定方法，如表4所示。

3.强交互式的在线学习过程

“学习程度”属性实现了学习内容与学习者学习目标之间的对应关系，进而可以根据学习者的不同需求设计学习内容，以确定哪些知识需要学习、哪些知识不需要学习;“阈值”属性一方面使学习要求可以随着学习者的目标不同而进行调整，另一方面在学习过程中能夠充分考虑学习者的掌握程度，以确定是否开始下一部分的学习。

通过明确知识点的各个强交互式属性值，最终定义了一个个性化的、强交互的学习过程，具体过程如图5所示。

五、结论

针对单片机课程教学中理论和实践能力培养质量的控制问题，设计以过程为基础的教学质量控制方法，有利于提高学生单片机应用能力的理论水平和实践能力。

将基于过程的质量控制理论应用于单片机课程教学，实现了课程质量控制的过程标准化，明确了教学质量控制的原则和方法。通过自动化专业培养方案、前续和后续课程关系的详细分析，明确了该课程在专业课程中的地位。结合教学课程大纲、培训机构的课程目标，以及企事业单位对单片机开发人员的要求，明确了单片机课程教学中应把握的目标、知识点和重点案例的设计。设计的基于学习质量的教学进度控制方法、质量评估方法和强交互式的在线学习方法，有助于实现课程教学全过程的质量控制。

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（编辑：王天鹏）