四元教学设计在单片机课程中的应用
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摘 要：文章通过对四元教学设计的研究，从综合工作任务确定、学习任务类别设计等方面阐述了其在单片机课程的实施。通过实际的教学实践，基于四元教学设计的教学相比传统教学，学生更容易实现知识和能力的迁移，值得进一步的推广。
关键词：四元教学设计;单片机;学习任务
1.引言
单片机课程是电类相关专业的主要核心课程，具有较强的实践性。它面向的岗位是单片机产品的开发。在现实中，单片机产品多种多样，不同的功能、不同的实现方式、不同的成本等限制性因素，对设计者来说难易程度也各有不同。如何通过该课程的学习让学生从一名初学者向设计熟手转变，能把所学的知识有效迁移到新的学习情境中，是当前教师需要认真思考和解决的问题。经过前期企业调研、实践专家访谈、提取典型工作任务等一系列活动，文章以四元教学设计模型为指导，详细阐述了其在单片机课程中的应用研究。
2.四元教学设计的必要性
四元教学设计是指基于学习任务进行教学设计的一种处方性教学设计方法，它遵从人的认知架构模型，对改进教学效能、聚焦复杂学习、实现学习迁移等均有重要的现实价值。传统的学习以知识框架为脉络，学生通过该课程的学习后面向实际工作任务时往往无从下手，无法实现知识和技能的有效迁移。而解决上述问题的有效办法是聚焦基于真实、完整的工作任务，通过完整的任务来整合知识、技能與态度，促进知识的迁移。一个完整的工作任务好比一颗大树，传统学习把这颗大树分成很多部分呈现给学生，学生在学习过程中掌握了分离的这些部分，却不能把它们合成一颗大树。而综合学习最初以一颗小树的形式呈现给学生，随着学习的不断深入，小树越来越大，学生可以通过这些树来实现有效的迁移。
3.四元教学设计在单片机课程中的应用
（1）综合工作任务确定与描述
“单片机产品开发”是电气设计人员依据客户的需求，利用设计平台和设计工具进行单片机产品软硬件设计的一项工作，需要充分考虑客户的成本要求、功能要求等因素，收集相关资料，拟定设计方案，估算产品成本，并报送客户确认。待客户确认后，根据设计方案设计硬件电路图，编写软件程序，不断通过仿真软件进行测试，并调整器件参数直至满足客户的各方面需求，再根据设计的电路图，利用合适的电工工具和焊接设备安装电路并测试功能和参数指标，最后形成符合客户需求的单片机产品，撰写产品说明书，结算产品成本，并把所有资料整理归档。
（2）学习任务类别设计
①确定限定性因素
根据实践专家反馈，结合单片机产品开发中的典型工作任务，影响单片机产品开发的难易程度主要由功能数量、参数精度、功能类别、成本等因素决定，各因素按照从易到难排列，功能数量可表示为单一、2-3个、N个;参数精度可表示为无、有一定要求、有严格要求;功能类别可表述为简单、较复杂和复杂等;成本可分为无要求、有宽泛要求和有严格要求。
②学习任务类别设计
根据上述限定性因素，单片机课程的学习任务类别设计分为以下9类：
（a）单片机产品功能数量单一，参数精度无要求，功能类别简单，成本无要求。
（b）单片机产品功能数量单一，参数精度有一定要求，功能类别简单，成本有宽泛限制。
（c）单片机产品功能数量单一，参数精度有严格要求，功能类别简单，成本有严格限制。
（d）单片机产品具有2-3个功能，参数精度无要求，功能类别较复杂，成本无限制。
（e）单片机产品具有2-3个功能，参数精度有一定要求，功能类别较复杂，成本有宽泛限制。
（f）单片机产品具有2-3个功能，参数精度有严格限定要求，功能类别较复杂，成本有严格限制。
（g）单片机产品功能3个以上，参数精度无要求，功能类别较复杂，成本无限制。
（h）单片机产品功能3个以上，参数精度有一定要求，功能类别较复杂，成本有宽泛限制。
（i）单片机产品功能3个以上，参数精度有严格要求，功能类别复杂，成本有严格限制。
根据学情、学时和课程所要达到的目标，从上述9个类别中选取了3类学习任务作为该课程的学习任务类别。
（a）客户要求设计的单片机产品功能数量单一、参数精度无要求、功能类别简单，成本无限制。
（b） 客户要求设计的单片机产品具有2-3个功能、参数精度有一定的要求、功能类别较复杂，成本有宽泛的限制。
（c）客户要求的单片机产品功能具有2-3个功能、参数精度有严格要求，功能类别复杂，成本有严格限制。
③学习任务子类别设计
类别1：客户要求设计的单片机产品功能数量单一、参数精度无要求、功能类别简单，成本无限制。
1.1学习者对已经完成的单片机产品设计材料（设计方案、硬件设计、软件设计和调试等过程）进行学习和模仿，并上机仿真操作，完成后进行参数精度核算并文档整理。
1.2向学习者提供案例学习，并布置相似案例要求学习者模仿完成设计方案确定、硬件设计、软件设计，并上机仿真操作，完成后进行成本核算并文档整理。
1.3学习者根据给定的设计功能，独立完成设计方案、硬件设计、软件设计及调试，完成后进行成本核算并文档整理。
类别2：客户要求设计的单片机产品具有2-3个功能、参数精度有较宽的要求、功能类别较复杂，成本有宽泛限制。
2.1向学习者提供相似案例学习，学习者根据已经完成的单片机产品设计方案，进行绘图、编程、仿真及测试，完成后进行成本核算并文档整理。
2.2学习者根据已经完成的单片机产品设计方案，进行绘图、编程、仿真及测试，完成后进行成本核算并文档整理。
2.3学习者自己独立完成设计方案，进行绘图、编程、仿真及测试，完成后进行成本核算并文档整理。
类别3：客户要求的单片机产品具备2-3个功能、参数精度有严格控制，功能类别复杂，成本有严格限制。
3.1学习者根据已经完成的具备2-3个功能、功能类别复杂的单片机产品设计进行学习和实战演练，完成后进行成本核算并文档整理。
3.2学习者独立完成产品设计方案，进行绘图、编程、仿真及测试，并进行成本结算和整理归档。
4.小结
通过四元教学在单片机课程中的应用，教学设计过程中综合工作任务从简单到难，从高支持到低支持再到独立完成，学生对单片机的应用能力有了进一步的提升，能有效地从一个学习情境迁移到另一个学习情境。但是也存在一定的问题，由于课程学时的限制和学生自主学习意识的差异，这种教学模式在不同班级不同学生身上产生的差异性比较明显，教学设计还需要进一步的研究和完善。
[参考文献]
[1]杰伦·J.G.范梅里恩伯尔，保罗·A.基尔希纳.学习科学和教学设计背景下的“四元教学设计模式”.开放学习研究.2019.6.
[2]曹利云.四元教学法在单片机教学中的探索与实践.职业.2018.4.
（作者单位：台州职业技术学院，浙江 台州 318000）
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