基于能力矩阵的单片机课程建设研究

赵巍1 赵文平2 冯娜1 刘玉山1

（1.天津职业技术师范大学机械工程学院天津 300222；2.天津职业技术师范大学职业教育学院天津 300222）

摘要：探讨以培养学生的教育教学能力、专业实践能力和科研与开发能力为目标，以“单片机原理及应用”课程为例，将该课程的各知识点按照能力培养的目标制定能力矩阵，旨在为专业课教师开展教学提供借鉴。

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关键词：能力矩阵；单片机原理及应用；职业能力

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）10-0091-03

我校的机械制造工艺教育专业成立于1995年。在近二十年的专业建设中，机械制造工艺教育专业充分贯彻学校的“动手动脑、全面发展”的办学理念，在学校办学特色和人才培养模式的形成与发展过程中发挥了重要作用，在培养“双证书、一体化”职教师资方面做出了突出贡献，培养出了我国首批“双证书”毕业生和“本科＋技师”毕业生，并获得国家级教学成果一等奖。

目前，国家推进高等教育改革，倡导普通大学向应用型方向转型，应用型人才培养更强调综合应用性知识，更强调复合能力（包括应用技能、实践能力、应用领域的革新能力等），更强调自信心及开拓创业精神的训练，要求学生具备更高的适应社会多种岗位的综合素质，即生活和生存能力，培养的是现代技术的应用者、实施者和实现者。

职业能力是完成工作任务需要采取的行动或策略，包括动作技能和智慧技能。机械制造工艺教育专业“双师型”教师应该具备的职业能力包括：教育教学能力、专业实践能力和科研与开发能力。换言之，就是应具备师范性、职业性、学术性三性合一的能力。

如何在专业课程的建设中体现职业能力的培养呢？笔者在多年的教学实践中总结出一定的规律，并以“单片机原理及应用”课程为例，按照培养教育教学能力、专业实践能力和科研与开发能力的目标，以及“单片机原理及应用”课程大纲的要求，制定了能力实现矩阵，目的是在使学生掌握专业基础知识和基本技能的基础上，培养学生的学习能力和表达能力。

基于能力矩阵的专业课程建设

笔者一直从事机械类本科生的单片机教学工作，努力从培养学生的学习兴趣出发，使学生掌握单片机的基本知识，为以后参加创新设计大赛、机电产品的开发等打好基础，并且在传授基本知识的同时，按照本专业的培养目标，注重对学生师范性、职业性能力的培养。

（一）培养学术性能力的矩阵研究

“单片机原理及应用”课程的学术性培养目标单片机是一种在工业控制领域广泛应用的集成电路芯片，是集CPU、ROM、RAM、中断系统、定时器/计数器、I/O接口电路于一体的微型计算机，具有体积小、成本低等优点。自20世纪70年代问世以来，就在工业自动化控制、航空航天系统、智能化家用电器、办公自动化设备、智能化通信产品、汽车电子产品等各个领域得到广泛使用。本课程制定的学术性能力培养目标是：使学生掌握单片机的基本概念及单片机的工作原理，学会发脉冲、控制步进电机，学会查表法，学会使用中断等。

教学内容及教学实施为了达到上述目标，该门课程设置了单片机的绪论、概述、单片机的结构、汇编语言（C语言）指令体系、汇编语言（C语言）编程、单片机的存储器、中断系统等7个章节。在讲课过程中，注重培养学生的兴趣，吸引学生的注意力。例如，在单片机的“绪论”一节中，以学生熟悉的霓虹灯、公交车号（七段发光数码管）做开场白，第一时间吸引学生的注意力，从而引出单片机的概念、单片机的性能，二、十、十六进制数变换的方法、用途。再如，在讲解寻址方式的时候，起初是按照教材章节的安排讲授，即先讲寻址方式，再讲单片机指令体系。但由于寻址方式抽象、枯燥，教学效果并不好，刚讲完两种寻址方式，有的学生就没有兴趣或者听不懂。后来，笔者采用将传送指令与寻址方式相结合的方法进行讲解。传送方式和寻址方式同时讲完，既缩短了教学时间，又提高了教学质量。跟上教学进度的学生越来越多，课堂气氛也活跃。教学中，在保证课程体系完整的同时，采用由简到难的十几个项目将该门课程贯穿起来，达到的效果就是在学生的脑海中各个知识点不是孤立的，而是一个有机的整体；学生不仅牢固地掌握了各个知识点，更重要的是通过项目学会了灵活使用单片机，实现了培养学术性能力的目标。课程教学中所选用的项目如下：（1）**让某一盏LED点亮**（顺序结构）；（2）**让一盏LED闪烁**（循环结构）；（3）**让LED间隔点亮**（顺序结构）；（4）**让LED形成流水灯**（循环结构）；（5）**让某一位七段LED显示“1”（静态的，共阴极）**（顺序结构）；（6）**让某一位七段LED显示“0～8”（静态的，共阴极）**；（7）**让某一位七段LED显示“8、5、9”（静态的，共阴极）**；（8）**让七段LED数码管显示“12”、“859”、“1140”（动态）；（9）**步进电机四相八拍旋转**；（10）**3～8译码器控制LED点亮**；（11）**3～8译码器控制LED循环点亮**；（12）**中断控制灯点亮**；（13）**七段数码管显示“0～8”，外部中断使LED灯点亮数码管停止显示**（数码管显示相当于数控系统显示加工程序，外部按键中断相当于急停开关，LED灯相当于报警灯）；（14）**定时中断控制灯循环点亮**。通过以上项目，可循序渐进、潜移默化地实现培养目标。培养学术性能力的实现矩阵如表1所示。

（二）培养师范性能力的矩阵研究

“单片机原理及应用”课程的师范性能力培养目标所谓师范性知识主要指教师劳动特殊需要的教育科学知识。在教学中，笔者注重知识性与师范性的结合。学生不仅要掌握知识，更要掌握把知识传授给别人的方法。

教学内容及教学实施可从如下几方面着手培养学生的师范性能力：（1）注重专业术语的教学。任何一门学科都有其特定的专业术语，掌握专业术语不仅仅是了解一个语言学名词，更是对专业知识的掌握与理解。首先要解释各个专业术语的英文缩写，帮助学生记忆和掌握。如SFR是special function registor，MCU是Micro Controller Unit，SoC是System on Chip等。在单片机技术中，有很多这样的英语术语，在了解专业术语的基础上，要求学生全面、系统掌握基础知识。具体做法是让学生用3～5分钟时间默读某一知识点，随后由教师提问，考查学生的掌握程度。通过这个方式，学生可以在较短时间内牢固掌握知识点，锻炼学生的注意力和应激能力。（2）注重教学方法的传授。出于师范性的要求，在知识的传授上，应注重系统性、连贯性。讲述时可采用如下四种方法：一是由熟悉到陌生的讲述方法，先讲计算机组成、特性，再延伸到单片机组成、特性；二是由外到内、由表及里的认识方法，由看得见的引脚引申出单片机内部结构，这样不仅有利于单片机知识的传授，也可让学生掌握教学方法和技巧；三是由抽象思维到形象思维的论述方法，先口述（抽象、听觉），再看幻灯片（形象、视觉）；四是讲述与练习相结合的教学方法，注重知识传授与思考练习相结合，例如，第一节课讲查表法，留作业预习延时，下节课再讲延时，再留作业。培养师范性能力的实现矩阵如表2所示。

（三）培养职业性能力的矩阵研究

“单片机原理及应用”课程的职业性能力培养目标所谓职业性知识即从事某一职业岗位或职业岗位群工作所应具备的专业实践知识，如办公自动化、职业指导与咨询、计算机应用等方面的实践知识。通过本门课程的学习，应使学生建立时间观念，培养观察能力、查询相关书籍或电子文献的能力、理论与实践相结合的能力，增强系统观念。

教学内容及教学实施在单片机技术的讲解过程中培养职业素质，具体内容如下：（1）建立时间观念。第一堂课最后总结时明确指出：本门课要讲多少学时，多少实验学时，每章讲多少学时；每一节课强调：当前是某章的第几节；讲“振荡频率、周期”时注重效率概念。（2）培养观察能力，使学生能够举一反三。如讲解第一章时，要分析二极管摆成七段共阳级发光数码管如何变换；如何摆成共阴极；进制数变换（强调基础学习的重要性）等。（3）培养查询相关书籍或电子文献的能力。当今世界是一个知识爆炸的时代，特别是在电子技术方面，新的理论与技术层出不穷。在教学中应注重学生这方面能力的提高。如在学习了第一章后，可布置学生查找冯·诺依曼结构、哈佛结构、LED的工作原理等；在学习了第二章后，可布置学生查询D触发器、P0口结构等。（4）培养理论与实践相结合的能力。单片机语言编程的理论知识并不深奥，但实际编程工作却不是如此简单。一个程序的形成不仅需要有丰富的编程语言知识，更多地需要融入个人的编程思路和算法。所以课程组开发了实验箱，分发给学生做课后练习使用。（5）增强系统观念。单片机和计算机一样，各个部件的速度都会影响到整机的效率，如累加器A是多个指令中都要用的寄存器，读写A的速度快慢会影响到控制的速度；再如虽硬盘很大，但如果内存、前端总线很小，计算机的运行速度也是很慢的，从而可以引出系统、全局的观念。培养职业性能力的实现矩阵如表3所示。