基于情境认知理论的高职单片机技术课程教学设计与实践研究

关键词：情境教学；单片机；航空；导航灯；教学设计

0 引言

单片机技术是现代电子工程领域一门飞速发展的技术，其在教学及产业界的技术推广仍然是当今科学技术发展的热点。学习单片机并掌握其设计应用技术已经成为电子类学生必须掌握的一门技术。

1 情境认知基本理论

情境认知是当代西方学习理论继行为主义“刺激—反应”学习理论与认知心理学的“信息加工”学习理论后的又一个重要的研究取向。情境认知理论的代表人物布朗·科林斯与杜基德认为：知识是具有情境性的，知识是活动、背景和文化产品的一部分，知识正是在活动中，在其丰富的情境中，在文化中不断被运用和发展着。学习的知识、思考和情境是相互紧密联系的。知与行是相互的——知识是处在情境中并在行为中得到进步与发展的。

情境认知理论强调：学习的设计要以学习者为主体，内容与活动的安排要与人类社会的具体实践相联通，最好在真实的情景中，通过类似人类真实实践的方式来组织教学。西方教育家最早将情境教学模式运用于外语教学中，我国各院校也将该教学模式运用在英语、数学、物理等课程中[1]。

2 单片机课程改革思路

传统课堂教学强调以教学大纲为纲，以教材为本，课堂教学过程中基本以教材安排的内容和顺序进行，学生以被动接受式学习为主。在多年的单片机教学中学生普遍反映单片机太抽象、概念多、入门难、指令不易记等。学生感到枯燥乏味，学习难度很大，教师的课堂教学效果也不够理想。创建有效的教学情境，能够为学生的学习提供认知停靠点，吸引学生，提高兴趣度，提高上课效率。

将情境认知理论运用于单片机课程教学，并作了一些初步的尝试与探索。如大量减少理论学时的教学，大幅度增加实践学时的教学；又如打破原教学结构的框架（即硬件结构+软件编程+系统设计），将单片机课程的核心知识点分解成数个教学情境，通过情境的构建激发学生的学习兴趣。根据情境，组合和搭建难度递进的项目任务，在教师的有效指导下，以学生为主体完成任务。

课程根据航空企业中以单片机为基础的电子产品开发岗位中，完成产品开发工作过程所需要的知识、能力、素质要求，结合高级维修电工、电子设计工程师和单片机应用工程师等职业资格认证内容，选取教学内容[2-4]。以课程标准的要求对典型工作任务、知识、能力进行序化、分解、重构，重构成17个面向航空特色的教学案例，将案例分解为任务，案例的实施过程就是一个一个任务完成的过程，教学案例如表1。

3 课程教学设计与实施

通过创建有效的教学情境，构成“情境—提问—解决—应用—情境—提问—解决—应用……”不断延伸的单片机教学基本模式。根据情境，组合和搭建难度逐层递进的项目任务，以学生为主体实施分层递进教学。以飞机导航灯为例（授课时长90分钟），教学设计如下。

3.1 课前第一步“看”

课前预习：学生使用智慧树MOOC 线上平台完成课前自主学习。

情境预热：学生观看微课视频LED 不同闪烁频率；观看慕课视频飞机导航灯。

线上讨论：“同学们，我们已经学会了点亮一盏灯，如何让 LED 灯实现飞机导航灯闪烁的效果呢？”

学生完成在线学习课前测试。

设计思路：微课视频为课堂情境相关动画，可增加趣味性，更加形象直观呈现知识点，为突破和分解本节课的重点和难点做准备，同时可补充 MOOC 录播课视频资源的不足。提前观看 MOOC 相关章节微课视频可提高线下课堂上课效率。 将上一次课内容与本次课项目任务结合，启发学生课前主动探索思考，引导学生自主提出解决方案，激发开放性思维，开拓学生思路，进一步提高线下课堂的效率。布置和预习任务相关的课前测试题，检测学生预习情况，根据完成情况及时调整线下课程相关环节，及时查漏补缺。

3.2 课中第二步“仿”

实施热身活动（跟我做），构建线下课堂+知到App教学。

情境：创设视频教学情境一，学生观看闪烁的航行灯短片，国内首个自主研发的可装在波音、空客飞机机身外部的国产化航空灯光产品，目前已由海航旗下祥鹏航空完成了首架A320 飞机的装机验证。创设实物教学情境二，教师演示单片机开发板相关 LED 控件的使用[5]。

提问：教师提出问题，如何实现飞机航行灯效果？

解决：引导学生提出解决方案。

应用：组织学生独立仿照视频完成初阶任务飞机航行灯。

设计思路：通过多媒体创设的视频情境了解航行灯的应用，我国在此领域取得的发展，增强民族自信心自豪感。通过实物演示创建情境，让学生感悟抽象知识提供所需要的具象的引导。引入单片机开发板，让学生逐步熟悉开发板上的相关控件及使用方法，为后续学生单片机开发做铺垫。初阶任务学生可仿照教师录课视频实现飞机航行灯效果，教师通过提问，提供资源，引导学生主动思考，提出解决问题的方案。

3.3 课中第三步“改”

（1） 实施破冰行动（一起做）

情境：创建教学情境三，教师通过开发板演示三种颜色白色、绿色、红色灯不同频率的闪烁效果 ，学生观察实验[6]。

提问：教师提出问题，以下问题通过智慧树SPOC 翻转课堂互动工具的随机点名功能。

问题1：同学们，看到的 LED 灯是什么状态？亮，灭，还是闪烁？由此教师引出灭灯指令。

问题2：三种颜色的灯闪烁快慢是否相同？

问题3：频率和快慢的关系？频率如何计算？

解决：引导学生分析讨论，提出解决方案。

应用：组织学生分组完成闪烁频率不同的效果。

设计思路：借助实物创设情境，化抽象为具体，问题1的设定引导学生思考闪烁、亮、灭三种状态的内在联系，助其理解原理，逐步突破难点。此前学生已学会点亮 LED 灯，由此引导学生主动发现问题。问题2 的设定引导学生主动发现问题，如何控制时间？引出重要知识点延时程序的设计。分组式讨论和实践应用突出学生学习主体地位，增强学生合作和学习能力。

（2） 破冰行动（一起做）

情境：设置实践教学情境四，模型演练，飞机航行灯可以用于判断飞机在什么位置，一般来说，飞机航行灯的颜色和闪烁频率可以用来判断飞机的位置。

白色的航行灯表示飞机正在飞行，黄色的航行灯表示飞机正在降落，绿色的航行灯表示飞机正在爬升，红色的航行灯表示飞机正在进机场[7]。

提问：（答题可通过智慧树 SPOC 翻转课堂互动工具的随机抢答功能）。

问题1：飞机正在爬升时绿色航行灯的频率？

问题2：硬件设计是否需要改？源程序应如何修改？

解决：通过飞机模型情境演练，引导学生分析讨论，提出解决方案。

应用：采用随机分组完成进阶任务飞机正在进机场的红色航行灯。

设计思路：创设实践教学情境有利于学生遵循知识脉络准确把握学习内容，帮助学生顺利实现知识迁移和应用；对需要举一反三的提问，可用抢答功能，激发学生的积极性主动性，可活跃课堂气氛。通过引导学生逐步瓦解突破难点，掌握重点，学生能够看懂硬件设计，软件部分也能够准确计算，并找到示例程序修改的地方。使用随机分组，有效控制消除偏倚，培养学生的合作意识。以学生为中心，学生从能看懂、到会改、到能根据要求实现硬件电路和软件编程，必要时教师提供适当的指导和支持，加强探究性操作，培养学生独立思考问题和解决问题的能力。

课堂小结：创建教学实例情境五，中国制造—2021 年海航技术“刘永庆创新工作室”成立以来首项工程技术创新成果，新产品共包含 3 个装机型号，可代替当前飞机上故障率较高的起飞灯、着陆灯、滑行灯、转弯灯和航徽灯5 种传统的卤素灯泡。新型LED 灯不仅功耗低于传统的卤素灯，且理论使用寿命可达 3 万小时以上，远高于传统卤素灯几百小时的寿命，对于航空公司降低维修成本和提升航空安全都有非常积极的意义。提出问题，我们在设计导航灯的时候还需要考虑哪些？习近平总书记强调：只有创新才能自强、才能争先，作为航空人的我们，该做哪些准备呢[8]？

设计思路：小结呼应开头，进一步强化思政育人点，树立家国情怀， 厚植航空报国志向。 鼓励学生立远大理想，为中华之崛起而读书。

3.4 课后第四步“创”

实施创新活动（我会做）：使用微信/QQ+线下课堂构建拓展课堂。

教师布置课后实践任务：完成智慧树MOOC精品课视频飞机导航灯一节中的创“芯“大舞台高阶任务，教师下达《任务实施计划表》《任务检查自评表》课后实践作业，线下教师辅导，线上微信/QQ 多形式互动。

设计思路：提出课后拓展高阶任务，单片机开发产品以设计为主，重点培养学生的创新思维；创“芯”大舞台为开放创新性题目，有助培养学生创造力和创新思维，多维度助力提升学生职业技能。

4 课程的考核和效果

4.1 课程的考核

设计各环节的考核标准和相应的考核表格，形成对实践能力、工程素质、合作能力等综合评价体系，各部分考核权重如表2。

所有环节在平台上设置相应权重输出总成绩，有效反馈学生的学习过程和能力达成，全程记录和跟踪教师的教学和学生的学习过程，为课程诊断与改进提供有效数据支撑。

4.2 课程的评价

在95%置信度下，允许的抽样误差为5%，确定样本量，样本一：2021届飞机电子设备维修专业师生，单片机技术课程未采用情境教学法。样本二：2022届飞机电子设备维修专业师生，单片机技术课程用任务引领的情境教学法，进行调查取样，得到改革效果评价如表3。

通过以上表格可以看出，样本一评价对象的打分值均在70至79之间，样本二评价对象的打分值均在90至92之间，课程改革内容的4个方面得分率都有所提高。

5 结论

将基于情境认知理论运用于高职单片机技术课程，通过创建有效的教学情境，构成“情境—提问—解决—应用—情境—提问—解决—应用……”不断延伸的单片机教学基本模式，可以突破传统课堂教学的局限性，提高学生课堂学习效果。单片机技术课程重构为面向航空领域的项目任务可提升学生的职业技能，助力我国培养航空高技能人才。