职业院校单片机课程的价值诉求、教学困境与优化路径

俞 骋

(宁波市教育科学研究所,浙江宁波,315012)

一、引言

随着电子技术的迭代升级,嵌入式系统沿着从SCM(single chip microcomputer)到MCU(micro controller unit)再到SOC(system on chip)的技术路线持续演进。[1]在32位处理器十分普及的今天,仅拥有8位数据处理能力的51单片机早已退出高端应用市场,关于51单片机课程开设的必要性也成为应用电子领域热议的话题。在电子产品智能化发展的背景下,拥有强大数据处理能力的32位单片机淘汰51单片机将成为必然趋势。也有观点认为,8位单片机因其价格优势,在今后相当长的一段时间内,在中低端应用电子领域仍将占有一席之地。[2]由于职业教育与产业界密切相关的天然属性,近年来,对51单片机价值的争论也从产业链延续到教育领域,进而引发职业院校对单片机相关课程设置合理性的讨论。本文旨在通过探讨职业院校单片机课程设置的合理性和实施过程中的现实困境,厘清该课程设置的意义与价值,优化其教学实施的路径,为职业院校提高该类课程的教学质量提供建议与启示。

二、职业院校单片机课程的价值诉求

(一)关于职业院校单片机课程设置的争议

“单片机技术应用”是职业院校电子信息相关专业的一门核心课程。其目的在于通过软、硬件知识的学习和一定的实操训练,使学生具备编写、调试程序和设计、分析电路系统的能力,从而掌握单片机应用系统制作的基本方法。[3]虽然个别职业院校在单片机课程教学时会涉及AVR、STM32等单片机,但51单片机仍是绝大多数职业院校开设单片机技术应用课程所使用的主流处理器。[4]因此,本文讨论的单片机课程专指以51单片机为教学内容的课程。与产业界类似,在职业教育领域,关于51单片机相关课程的存废同样存在不同的观点。何燕阳等人认为,在ARM系列成为嵌入式系统主流处理器的市场样态下,继续教授51单片机相关课程已跟不上时代的节奏,也偏离了职业教育以就业为导向、培养产业所需人才的基本办学定位。[5]张俊认为,与主流嵌入式微处理器相比,虽然51单片机在性能和市场占有上均不占优势,但作为一款经典的微处理器,它是嵌入式系统领域入门教学的理想素材。[6]

(二)职业院校开设单片机课程的合理性辨析

因立场不同而得出相左的结论本不足为奇,然而,对职业院校教师而言,教书育人的基本角色定位决定了他们需首先从培养学生的视角审视单片机课程设置的合理性。

从教学的自然法则角度看,单片机课程是职业院校学生经历专业学习由易到难路径中的必要铺垫。单片机的前置课程有“电路原理”“模拟电子技术”“数字电子技术”“EDA软件应用”“C语言程序设计”等。这些课程在很大程度上都是自洽的,如“C语言程序设计”几乎是自成体系的一门课程,学生学习该课程并不需要以其他专业知识为基础,而“模拟电子技术”“数字电子技术”“EDA软件应用”等课程虽在一定程度上依赖“电路原理”的基础知识技能,但依存度并不高。与之相比,学生对“单片机技术应用”的学习则需要广泛结合这些前置课程的内容。因此,单片机课程可视为电子信息专业学生第一次综合运用专业知识技能的实践训练平台,是知识结构从简单走向复杂,技能训练从零散走向综合的分水岭。与ARM等微处理器相比,51单片机的结构相对简单,可在一定程度上减轻学习者在综合学习中的认知负荷,其作为一种教学素材,更贴合职业院校学生基础较差的学情。因此,51单片机是职业院校学生巩固、整合前置课程相关知识技能,迈向专业能力综合提升的必要台阶和适切的平衡点,它的开设总体上符合循序渐进的基本教育规律。

从培养学生专业能力的角度看,职业院校固然应该以培养产业所需人才为目标,而学习掌握51单片机的相关知识技能与这一办学目标并不相悖。一方面,51单片机当前仍被广泛应用于电磁炉、电饭煲等中低端电子产品,其市场保有量巨大,51单片机的开发与维修技能在当今市场仍有用武之地。另一方面,51单片机中的寄存器、定时器、I/O口、模拟量采集等模块,与ARM等主流微处理器的硬件结构是一脉相承的。C语言程序设计中的库函数、中断、指针等概念,也与其他嵌入式系统编程相通。有研究表明,与直接学习主流嵌入式系统开发相比,有过51单片机学习经历者在后续学习中更容易上手。[7]由此可见,掌握51单片机的应用技能是职业院校电子信息相关专业学生具备主流电子产品开发与维修能力的理想起点,单片机应用课程在职业院校电子信息专业课体系中仍具有不可替代的地位。

三、职业院校单片机课程教学的现实困境

(一)基础薄弱:学生的前置知识技能不够扎实

如前所述,单片机课程的学习需以大量的前置课程知识、技能为基础。然而,受诸多因素的影响,职业院校学生对前置课程的掌握情况往往不尽如人意,薄弱的专业基础在很大程度上制约了其分析、设计单片机系统能力的培养。在硬件方面,单片机最小系统往往需要与其他芯片配合才能构成完整的应用系统。如在单片机控制的数码管显示系统中,需要接入74LS245来提高I/O口的带负载能力,而74LS245芯片的相关功能和工作原理在前置课程“数字电子技术”中有过介绍,但由于学生之前的学习效果不理想,直接影响了其对单片机控制数码管显示系统的分析。在软件方面,C语言是控制单片机运行的主流计算机语言。虽然很多职业院校专门开设了“C语言程序设计”,但由于计算机编程在理论层面的高度抽象性和操作层面极强的实践性,大部分职业院校学生难以在有限的课程周期内熟练掌握C语言程序的设计能力。这一核心技能的结构性短板制约了职业院校学生单片机系统开发能力的形成和发展。例如,由于很多学生在C语言学习中未能熟练掌握自定义函数的编写,因而难以在单片机课程开发中设计出可读性强的模块化程序。

(二)闭门造车:教学项目与实际应用存在较大差距

在职业教育课程改革的大背景下,任务驱动、项目教学等理念在职业院校已获得广泛认可,许多学校也在专业课教学中着手实施项目教学法。然而,项目质量却参差不齐。[8]部分教材虽然改变了之前连篇累牍介绍理论知识的局面,在形式上将教学任务分割成若干项目,但这些项目的设计缺乏科学论证。例如,有教材将“Proteus仿真软件的操作”单独设置成一个项目。不可否认,Proteus是单片机开发应用中的一个基本工具,但正是因为其具有工具的属性,在所有单片机系统开发中都会用到这款软件,将其单独设置成一个教学项目缺少合理性和必要性。又如,部分教材会安排“单片机控制交通信号灯系统”项目。就单片机开发能力培养的角度而言,这个项目综合了最小系统搭建、程序控制I/O口电平等诸多知识和技能点,是体现理实一体化教学的理想载体。但在真实的应用场景中,交通灯的控制很少通过单片机系统来实现,因而这样的项目与实际脱节。

(三)重虚轻实:教学实施环节过度依赖仿真软件

当前,以Proteus为代表的虚拟仿真软件已被广泛应用于51单片机的学习与开发。与传统的开发板、实验箱等设备相比,Proteus虚拟仿真软件因具有交互界面友好、操作效率高、稳定性好、维护成本低等诸多优势而深受单片机教学者的青睐。[9]虽然仿真软件在很大程度上有助于单片机课程教学效率的提高,但由于单片机系统自身软硬件结合的复杂属性,而Proteus仿真软件仅能够实现程序调试和部分硬件设计的功能,单纯依靠Proteus仿真软件不足以全面培养学生开发单片机系统的能力。然而,许多职业院校在单片机课程教学过程中把Proteus仿真软件作为主要的施教策略,压缩乃至完全取消实物操作训练。过度依赖Proteus仿真软件将对学生软件专业能力的形成与发展带来以下两方面障碍。一是造成专业认知的偏差。例如,Proteus仿真软件中51单片机的引脚排列与实物芯片存在差异,I/O口电平与真实系统不一致,最小系统可直接驱动数码管等负载。这些Proteus仿真软件自身的漏洞会在一定程度上误导学生,使他们对单片机系统的认识简单化。二是难以形成完备的系统调试、故障诊断经验。许多实物在调试中才会出现如虚焊、元器件型号不匹配、仿真结果与实物测试不一致等问题,这些在Proteus仿真软件中无法呈现,学生难以在单一的仿真学习中获得应对处理这方面问题的经验。

(四)评价失准:课程考核难以反映真实教学效果

课程评价是检验教学效果的重要手段。就职业院校单片机课程而言,培养具备开发、调试单片机系统能力的技术技能型人才是课程的既定目标,也是检验课程教学效果的第一标尺。然而,当前职业院校单片机课程的评价大多沿用传统的纸笔考试的设计思路,难以反映真实的教学效果。一是评价形式过于单调。许多职业院校对单片机课程的考核仍采用闭卷答题,题型以传统的填空、选择、简答、计算等形式为主。这种考核对以理论知识学习为主导的课程尚存一定的合理性,但对以培养应用能力为主的单片机课程,评价方式与教学目标存在明显的不匹配。二是评价内容过于浅显。单片机课程的考核内容多聚焦书本知识,较少涉及在真实生产实践场景中被高度关注的工艺流程、工作规范、生产安全、成本控制等元素,忽视了对交流沟通、团队合作等职业素养的考查。三是评价主体过于单一。教师作为出题者,在课程考核中占据主导地位。然而,由于职业院校教师到企业学习锻炼的经历十分有限,其自身的专业认知与产业前沿信息不可避免地存在脱节,这种偏差将对课程评价的实施造成负面影响。[10]

四、职业院校单片机课程教学的优化路径

(一)夯实基础,固化前置知识技能

电路分析、程序编写等前置知识、技能在单片机课程学习中占有基础地位。鉴于职业院校学生对前置课程的知识技能掌握不够扎实的现状,单片机教学有必要进行查漏补缺,尽可能减小学生因前置知识、技能缺陷对单片机课程学习造成的负面影响。具体施教策略如下。一是有的放矢,精准对接。这主要是针对新的单项教学任务需以某些特定的旧知(技)为支撑的情况。如学生在学习“单片机控制的数码管显示系统”时,需要先复习C语言中数组的定义与读取等相关知识,以及用万用表检测判断数码管共阴/共阳属性的技能。又如,学生在学习“中断控制”时,需回顾C语言自定义函数编写的要点。二是新旧并举,耦合共进。这主要是针对多项新的教学任务需反复依托某些旧技能的情况。如每开发一个单片机应用系统,都需要用到EDA制图软件,但在单片机课程刚开始时,部分学生对EDA软件的使用技能比较生疏,此时不必系统地回顾和复习EDA软件的使用,而是利用每次新教学项目开发单片机系统的契机引入EDA软件制图环节,让学生在反复练习中重拾旧技能,实现新知旧识的共同进阶。

(二)能岗一体,优化教学项目设计

针对单片机课程教学项目与真实应用场景脱节的现状,教师需秉持能岗一体的设计理念,在深入调研生产一线和生活场景、提炼典型工作任务的基础上对项目进行优化。一是按“实用+情境”的标准遴选项目内容。“单片机控制交通灯”鲜有实际应用场景,但若将项目改成“单片机控制跑马灯”,既可最大程度地保持原有的教学内容不变,又因为该案例在真实生活情境中有迹可循,能真正实现教学内容合理性与实用性的统一。二是按“类别+层次”编排教学时序。单片机控制的许多负载如LED、数码管、点阵、液晶显示均属于显示模块,可将这些项目归为一类,并根据模块的复杂程度,设计“跑马灯控制系统→数字时钟→数字指示牌→俄罗斯方块游戏机”的序列化进阶式项目群,加强项目间的有机联系。三是按“规范+开放”原则优化综合项目。在课程的后半段,学生已初步具备单片机系统开发能力。此时若在项目中继续设置过多限制(如给出唯一的原理图、规定可使用的元器件),不利于学生发散性思维等高阶专业能力的培养。教师可在设定必要的技术规范的前提下,让学生自主制定设计方案,为学生融入真实的工作岗位做好必要的铺垫。

(三)虚实结合,强化闭环实景训练

针对单片机课程教学中过度侧重仿真软件的课堂样态,有必要强化基于实物的操作训练,补齐学生因过于依赖仿真软件造成的专业能力短板。具体可从以下三方面入手。一是优化课程结构,提高实物操作课时配比。对缺少实物训练或实物训练比例过低的职业院校,需调整课程计划,在课时分配上体现每个单片机系统开发项目都包含实物训练的总体原则。二是结合软件仿真,扩充实物操作教学内容。在课程标准上,明确实物教学的具体内容。在课程实施时,所有的教学项目不仅要在仿真中达到设计效果,还要制作出实物,并在实物中调试出相应的结果。在此过程中,学生要熟悉从软硬件设计到产品制作、调试的所有环节,并有机会应对处理仿真软件与实物调试结果不一致等高级技术难题,从而获得真实单片机开发所需的闭环式全过程体验。三是完善设施保障,配齐实物操作教学资源。要提前规划,安排好单片机实物开发所需的训练场地、PCB制版设备、焊接台等设施,预备好数量充足的芯片、元器件等材料,确保实物操作有序、有效开展。

(四)多元评价,深化考核机制改革

要打破单片机课程评价内容单薄、形式单调、主体单一的困境,职业院校需从以下三方面入手。一是坚持学校与企业并举。邀请企业一线技术骨干参与课程评价方式制订、考核实施等环节,确保评价内容与生产实际相符,评价主体应多元多样,规避因教师自身专业能力局限对评价结果造成的偏差,彰显企业在职业教育中办学主体的地位。二是坚持过程与结果并重。摒弃“一考定乾坤”的陈旧考评理念,增加平时的项目学习成果在课程考核中的权重,将项目开发中的工艺水平、操作规范等内容纳入评价体系。有条件的学校也可增设项目展示环节,并将学生展示中的表现如语言表达、课件制作等作为考核指标,尽可能形成多维、全面、客观的评价机制。三是坚持传统与创新并存。一方面,保留已有评价机制中合理、有效的成分。另一方面,充分挖掘资源,创新评价机制。有条件的职业院校可利用信息技术,收集能表征学生单片机系统开发能力的数据(如软、硬件系统的设计用时,元器件、耗材的花费成本,电路焊制过程中需要返工的焊点个数等),作为专业水平评估的重要数据来源。

五、结语

当前职业教育正处于大有可为的战略机遇期,而电子信息领域又处于技术更新迭代的上升期。“单片机技术应用”是职业院校电子信息专业的一门核心课程,在双期叠加的关键阶段,教师需深刻理解职业教育高质量发展的本质内涵,把握电子信息技术发展的基本规律,摆脱教学困境,优化课堂生态,助力职业院校“三教改革”的实施。希望本文探讨的实施策略能给职业院校单片机课程的教学改革带来些许启示,并在持续的实践中得到改进和完善,为单片机课程教学效果的提升和职业院校的提质培优、增值赋能提供强有力的支持。