时间：2022-07-31 14:08:47
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【关键词】SOPC;项目化教学;NIOS Ⅱ
Abstract：For improve the quality of teaching about SOPC course，author combined achievements of related scientific research projects and teaching，analyzed the characteristics of the course，and made discussion about design of projectized teaching according the practical situation of our school.
Keywords：SOPC;projectized teaching;NIOS Ⅱ
1.引言
可编程片上系统（SOPC，System on a Programmable Chip）结合了SOC（片上系统）和PLD（可编程逻辑器件）、FPGA（现场可编程门阵列）各自的优点，是特殊的嵌入式系统;它首先是片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能[1]。SOPC技术已经成为国际新技术的研究热点，具有广阔的应用前景[2]，国内对SOPC的研究越来越多，对SOPC的应用也越来越广泛。SOPC是电子系统发展的必然趋势。然而精通SOPC的人非常少，很多高校的大学生由于多方面的原因SOPC学的很不扎实，远远不能满足企业的需要[3]。笔者结合在SOPC方面的教学经验和科研项目成果，探索了SOPC项目化教学设计，将科研与教学有效结合。
2.设计思路
SOPC技术的实现方式有3种[4]，美国ALTERA公司提供了基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC实现方式。美国ALTERA公司的大学计划为全球范围内的大专院校提供先进的开发软件、可编程逻辑器件、开发工具以及完整的设计套件，对提高高等学校SOPC方向实验教学提供了良好的基础。
ALTERA公司提供的NIOS Ⅱ是一种软核（Soft-Core）处理器，软核处理器最大的特点就是可由用户需要进行设置。NIOS Ⅱ是一个用户可以自行定制的CPU，用户可以增加新的外设、新的指令，分配外设的地址等。NIOS Ⅱ的硬件开发就是由用户制定适合的CPU外设，Altera公司的SOPC Builder提供了大量的IP Core来加快NIOS Ⅱ外设的开发速度。
笔者通过在基于NIOS Ⅱ的单点自适应信号控制器设计中的应用可见，SOPC应该是NIOS系统+硬实时部分+逻辑电路的一个组合体，其中NIOS负责数据管理，通讯，人机交互等实时性相对较低的任务，硬实时部分则是独立于NIOS系统，充分利用现有IP，用VHDL语言实现的某些实时性可靠性要求较高的关键部分，它可以和NIOS系统通过自定义的接口通讯。由FPGA其他资源完成接口以及逻辑处理，更是FPGA的优势。
因此，本文进行基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC开发的教学设计。
3.设计原则
（1）理论实践一体化，突出实践环节
SOPC设计与应用是一门理论与实践紧密结合的课程，它没有太多的理论知识需要讲解，实践性和应用性很强，内容也不易理解[5]。因此，可进行理论实践一体化教学，并突出实践环节。
（2）难、易、趣结合
教学项目的设计要紧紧围绕课程标准，选择的项目应该是学生比较熟悉的，具有一定难度，又不能太难，并且具有一定趣味性的，才能激发学生的学习热情和信心。
4.项目化教学设计
本文设计的“可编程片上系统”课程为2学分，共32学时，本校实训室配备有EDA/SOPC实验箱及计算机等实验实训条件，前续课程：CPLD/FPGA应用，根据我校的实际情况，设计的教学项目见表1。
表1 课程项目
序号 项目名称 学时 性质
1 可编程片上系统认识 6 演示、验证
2 可控霓虹灯 4 验证、设计
3 可倒计时交通信号灯 6 验证、设计
4 俄罗斯方块 4 验证、设计
5 音乐盒 4 验证
6 视频播放器 2 验证
7 自适应控制交通灯 6 验证、综合
各项目的学习任务和内容如下：
项目1：可编程片上系统认识
学习任务：反应时间测试，利用实验箱搭建一个反应时间测试的电路，该电路包含有发光二极管、按键开关、数码管等器件，电路运行之初二极管为熄灭状态，过几秒后，点亮二极管，测试人看到二极管点亮时，按下按键开关，数码管显示出二极管点亮至按键按下的时间。
学习目标：了解SOC，FPGA和SOPC的基本概念及其开发工具Quartus，SOPC Builder和Nios IDE，并学习了解SOPC的软件和硬件开发流程。
学习内容和教学方法：
与学生互动演示学习任务：反应时间测试，围绕该任务讲解SOC，FPGA和SOPC的基础知识，介绍SOPC开发工具Quartus，SOPC Builder和Nios IDE，并学习了解SOPC的软件和硬件开发流程。学生利用已有的电路和程序文件，在教师带领下搭建学习任务：反应时间测试的电路。
项目2：可控霓虹灯
学习任务1：流水灯，控制8个发光二极管的点亮效果似水在流动，即每次只点亮一个灯，将8个灯依次点亮，可以从左往右点亮，也可从右往左点亮。
学习任务2：可控霓虹灯，在流水灯的基础上增加一个控制按键，按键未按下时，8只发光二极管显示为流水灯，按下一次按键，8只灯从中间往两边点亮，再按下一次按键，8只灯从两边往中间点亮。
学习目标：巩固SOPC开发的基本流程、方法、工具。了解IO端口的使用，能完成简单的程序编写。
学习内容和教学方法：
学生在教师带领下，根据基本步骤，完成学习任务1：流水灯。学生分组，每组学生独立完成学习任务2：可控霓虹灯。
项目3：可倒计时交通信号灯
学习任务1：简单交通信号灯，用发光二极管模拟交通信号灯，完成一个2相位十字路通信号灯设计，配时方案为定周期。
学习任务2：数码管倒计时，用两只数码管实现99至0秒的倒计时。
学习任务3：可倒计时交通信号灯，用发光二极管模拟交通信号灯，完成一个2相位十字路通信号灯设计，配时方案为定周期，可对每个相位的计时时间进行倒计时显示。
学习目标：学习定时器的使用，能完成较复杂的程序编写。
学习内容和教学方法：
学生在教师带领下，根据基本步骤，完成学习任务1：简单交通信号灯和学习任务2：数码管倒计时。学生分组，每组学生独立完成学习任务3：可倒计时交通信号灯。 （下转第181页）（上接第178页）
项目4：俄罗斯方块
学习任务：利用VGA显示器和VHDL语言实现经典游戏――俄罗斯方块。
学习目标：了解VGA显示的原理，会用VHDL描述VGA控制，能利用提供的参考电路和程序实现俄罗斯方块。
学习内容和教学方法：
教师讲解VGA显示原理，用VHDL描述VGA控制，本任务的NIOS 2软硬件设计，演示本任务的实现过程;学生在教师指导下实现俄罗斯方块，并对结果进行分析。
项目5：音乐盒
学习任务：将存储在SD卡的音频文件读取出来，并经过Avanlon总线送往DAC音频电路播放音频文件。
学习目标：了解SD卡接口与控制，DAC电路接口方法。
学习内容和教学方法：教师讲解SD卡接口与控制，DAC电路接口方法，本任务的NIOS 2软硬件设计;学生在教师指导下实现音乐播放。
项目6：视频播放器
学习任务：实现MPEG-4视频播放器。
学习目标：了解MPEG-4视频播放器的实现方法。
学习内容和教学方法：教师讲解用Nios Ⅱ用户自定义指令方式实现IQ、IDCT、MC等计算密集型功能模块，视觉框架MPEG-4视频实时解码。学生在教师指导下实现视频播放。
项目7：自适应控制交通灯
学习任务：自适应控制交通灯电路设计，利用教师给出的遗传算法符号模块，用发光二极管模拟一个2相位十字路口的交通信号灯，设计自适应控制电路，用两只数码管实现倒计时。并完成相应的控制程序。
学习目标：了解自适应控制的概念、理论;了解自适应控制实现过程。
学习内容和教学方法：教师讲解自适应控制的概念、理论，遗传算法及其硬件化，自适应控制实现方法。学生在教师指导下实现自适应交通灯控制。
5.项目化教学实施
在实施过程中，教师充分考虑各项目的难易程度和学生的基础，灵活以演示、验证、设计、综合的方式来完成这些学习任务。在进行项目化教学过程中，教师应做好引导，以充分发挥学生的主观能动性。在实现这些学习任务时，教师要引导学生用哪些技术手段、知识来完成任务，并且如何应用到更多的具体问题中。
6.小结
本文介绍了可编程片上系统项目化教学设计的思路、原则，并设计了由易到难、由基础到综合的7个教学项目，将科研和教学进行了有效结合。
参考文献
[1]张丽霞.基于NIOSⅡ的单点自适应控制器设计研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2011，5.
[2]崔永利，沈泓，李妍，李兰英.SOPC嵌入式系统实验教学探索与创新人才培养[J].实验室科学，2011，14（6）：12.
[3]周殿凤.片上可编程系统项目化教学探讨[J].轻工科技，2013，5（174）.
[4]王伟.基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计[J].淮北职业技术学院学报，2013，12（1）.
[5]陈林，魏淑桃，石林祥.应用型本科“SOPC设计与应用”课程教学改革探索[J].计算机教育，2012（19）.
关键词：汇编语言程序设计；自主化学习；在线学习；互联网技术
中图分类号：G642 文献标识码：B
文章编号：1672-5913 (2007) 24-0023-03
1“汇编语言程序设计”课程教学现状的分析
汇编语言是一门面向处理器的低级语言。该课程一方面配合“计算机组成原理”、“微机原理及接口技术”和“嵌入式系统”等课程，为自动控制等与硬件相关的应用领域提供基础知识；另一方面作为“操作系统”及“编译原理”等课程的程序设计基础，从软件角度理解计算机的工作原理，加强学生的高级语言编程能力。
目前在大部分院校该课程的教学模式依然沿用传统的教学方法。在课程讲授环节，以主讲教师授课作为主体，辅以课后作业、定期答疑；在实践环节，根据课程的进度，配置相应的上机实验。从多年的教学实践的结果来看，这种传统的教学方式基本可以达到预期的教学目标。通过本课程的学习，学生能够基本掌握Intel 80x86系列处理器的指令系统和汇编语言，能够运用学到的汇编语言知识开发一些简单的应用程序。但随着教学体制改革的不断深化，信息化、网络化教学技术的不断成熟，特别是学生自主化学习的理念不断加深，引发了我们对当前教学模式以及考试方法的思考。
“汇编语言程序设计”课程是一门理论性和实践性都很强的计算机专业的核心课程。本课程的学习要求学生对计算机的组织结构，特别是计算机的指令系统有一定的了解；该课程所教授的知识，不是单纯的理论知识，必须要求学生进行上机实践操作，这样才能更加熟练地掌握这门语言。因此，传统的教学方法也不可回避地暴露出与这门课程的特点所不相适应的弊端，归纳起来有如下几点：
(1) 由于汇编语言程序设计较C语言等高级语言程序设计更加烦琐，并且与硬件关系密切，因此使得学生感到学习这门课程有一定的难度。
(2) 课时的紧迫与学生课业负担较重产生矛盾，使得学生学习不够扎实，影响学生的学习效果。
(3) 答疑时间太为固定集中，有时可能与学生的时间发生冲突。
(4) 学生自由支配的时间过少，教学计划与学生实际的学习进度不相一致。
当然以上几点也可能是在许多其他课程教学过程中所存在的通病，但在“汇编语言程序设计”这样一门理论性和实践性都很强的课程中就显得尤为突出。这也就迫使我们朝着学生自主化学习的方向不断探索、不断前进。
2学生自主化学习的研究
顾名思义，学生自主化学习就是把教学的主动性从老师那里拿回到学生手中。具体地讲就是改变传统的教师主讲的教学模式，将学生被动的听课模式转变为学生自主地学习。这样可以给学生充裕的时间自由支配自己的学习，提高学生的主动实践、积极思考的能力。从而提高学生的学习兴趣，使学生学有所得，学有所获。
必须指出的是，这种自主化学习的方式在教育界曾多次提出，但收效极佳的还未见到。分析其原因主要有以下两点：
(1) 自主化学习留于形式，最终导致自主化学习变为了不学习
目前，有些课程推行所谓的学生自主化学习的教学模式，其实是把教学的一切任务都推给了学生，老师也不闻不问，最后象征性的考试了事。这样的教学不但起不到提高学生自主化学习、主动实践、积极思考问题和解决问题的能力，反而在学生中滋生了浮躁、涣散的学风。这种做法是极不可取的。
(2) 自主化学习缺乏必要的技术支持，严重影响了教学的效果
如果教学过程缺乏必要的技术支持，自主化学习的学习模式也是很难推行的。其相应的技术支持应包括在学校构建一个用于学生进行自主学习的在线学习平台，建立起一套完整的课程教学计划、课程进度安排、课程学习目标、课后作业布置以及在线答疑等系统。这样才能为学生的自主化学习提供物质上的保障。
北京工业大学在学生自主化学习方面也有过积极的尝试。在“计算机组成原理”课程的教学实践中，利用先进的互联网技术开发了校园网学生在线学习子系统。利用该系统可以在正常的教学过程中作为学生在线学习的辅助指导，为提高学生主动学习的积极性及师生之间的相互交流提供了有力的支持。因此，在“汇编语言程序设计”课程的教学过程中，我们也可以借鉴“计算机组成原理”课程的教学经验，并不断完善，最终实现全面的学生自主化学习的过程。
3应用校园网在线学习及考试系统实现学生自主化学习
教学工作的信息化、网络化、无纸化长期以来一直是我们研究的对象和目标。也是实现学生自主化学习的物质基础。它不但可以提高学生主动思考、积极探索的能力，而且在一定程度上可以提高教学效率，激发学生的学习潜能。
北京工业大学正在研究、开发并完善“校园网在线学习及考试系统”。利用该系统，可以很好地实现教师教学和学生学习的信息化及网络化。此系统是实现学生自主化学习的物质基础和实践平台。虽然该系统尚处于试验阶段，功能尚不完善，但它对于最终实现学生自主化学习是一个积极的探索和有益的尝试。
校园网在线学习及考试系统的总体结构如图1所示。该系统的实现可以把课程的学习、课后的作业练习、疑难问题的答疑及最后的考试等教与学的工作环节都放到互联网上完成。
图1 校园网在线学习及考试系统总体结构图
从图1可以看出校园网在线学习及考试系统采用基于网络架构的B/S模型建立。服务前台共分为四个功能模块，每个功能模块提供一种特殊的服务。
(1) 在线课程学习模块：利用该模块教师可以在每个学期的开始，为学生制定一份详细的学习计划，学生根据计划的安排和本课程的教学要求结合自身的实际情况进行课程的学习。教师可以按阶段把当前应该掌握的知识以及应该完成的学习进度以消息的方式提示给学生，以便学生自己掌握好学习的进度。这种模式可以把只有教师教、学生被动学的教学模式，转变为由教师制定学习计划、让学生自己根据实际情况进行在线自主学习的教学模式。这样每个学生能够根据自己的时间安排，自由选择、合理安排“上课时间”。这种教学方式可以有效地提高学生的自主化学习及独立思考问题的能力，在自己的主动探索中不断发现问题、提出问题并且解决问题。
(2) 在线作业模块：本模块旨在通过网络平台给学生布置课后作业及上机实验，学生可以通过该模块在线提交作业及上机实验结果，教师可以及时检查、了解学生的学习状况，以督促学生进行主动学习。
(3) 在线答疑模块：一个合格的在线学习系统必须包含在线答疑模块。在线答疑模块为教师和学生、同学和同学之间提供了提问、交流、切磋的平台。在线答疑平台是一个论坛形式的公共平台，它的功能主要是由学生在线向教师提出课程学习中的疑难问题，由教师定期予以回复。但在实践中我们发现，这个平台的功能远大于此。学生们不但在在线答疑平台上提出了许多很好的问题，而且同学之间也可以进行丰富的交流。有时，不用等到教师给出问题的答案，同学之间就已经把问题解决了。因此，这个平台真正成为了教师、同学之间进行交流、传授知识、切磋技艺及发表心得的纽带。
(4) 在线考试模块：在课程学习结束后，可以通过在线考试模块来考察学生对相应课程的学习掌握情况。通过Internet/Intranet实现网上考试，是现代教育技术的一个具体实现，具有很重要的现实意义。通过网络进行在线考试的模式是对传统的考场考试方式的延伸，它可以利用网络的无限广阔空间，随时随地对学生进行考试。该模块的实现，不仅可以实现自动化组卷、阅卷及考务工作的全自动化管理，为实现考试的客观性和公正性、实现考教分离及进行大规模的考试提供相应的支持，而且可以有效地利用校园网的软硬件资源，使其发挥最大的效力，更好地为学校的教学、科研、管理服务，也为检查学生进行自主化学习的效果提供了一定的技术支持。
4结论
本文通过对学生进行自主化学习方法的探讨和研究，提出了关于“汇编语言程序设计”课程实现以教师为主导、学生进行自主化学习教学模式的方案。详细介绍了北京工业大学校园网在线学习及考试系统的基本构架、部分已实现的功能、系统的整体构想以及该系统对学生进行自主化学习的具体帮助及技术上的支持。
通过对汇编语言程序设计课程自主化学习教学实践的研究，可以看到为了更好地实现学生的自主化学习，教师不仅需要研究各种教学方法及教学内容，而且需要利用先进的现代化网络技术，进一步完善教学及实践方式，这样才能更好地指导、协助学生进行自主化学习。自主化学习教学方案的实施，不仅能够培养学生自主学习、独立思考问题、解决问题的能力，而且能够极大地提高学生的实践能力及创新精神。我们期望汇编语言程序设计课程的自主化学习的教学改革与实践，能够为其他课程的教学改革提供一些积极的探讨和有益的经验。
参考文献
[1] 梁峰. 多媒体校园网系统探讨[J]. 教育技术理论与实践，2005，(4).
[2] 易小琳等. 基于EDA平台的计算机系统硬件课程虚拟化实践的研究[J]. 中国大学教学，2005，(7).
[3] 易小琳等. 网上计算机系统虚拟实验室的研究[J]. 计算机工程，2002，(11).
[4] 中国计算机科学与技术学科教程[M]. 北京：清华大学出版社，2002.
作者简介
易小琳(1959-)，女，高级工程师、计算机系统结构教研组主讲教授，硕导，目前研究方向为计算机系统结构及嵌入式系统。
鲁鹏程(1976-)，男，讲师，计算机系统结构教研组教师，博士，目前研究方向为计算机系统结构及嵌入式系统。
周巍(1982-)，男，研究生助教，目前研究方向为计算机系统结构及嵌入式系统。
杨峰(1984-)，男，研究生助教，目前研究方向为计算机系统结构及嵌入式系统。
联系方式
北京工业大学计算机学院，北京朝阳区平乐园100号，100022，易小琳
E-mail：
关键词：PLC技术 信息化教学 创客教育
PLC技术是中职电气运行与控制、机电技术应用等专业的一门实践性很强的专业核心课程，具有知识覆盖范围广、实践性非常强、逻辑性严密和更新发展快的特点。因此需要学生有很好的逻辑思维能力和实践应用能力。
一、教学设计理念
传统教学大多侧重于理论教学，忽视了实际应用，导致学生没有实际动手能力，完全纸上谈兵，无益于以后的实际应用。面对传统教学的弊端，如何才能唤起学生自主学习的欲望，激发学生的学习兴趣，提高实践应用能力，是做好教学设计、提高课程教学质量的关键。
二、采用信息化教学手段的优势
笔者在PLC技术的教学实践中发现，采用信息化教学手段有很多优势能激发学生的学习动力，培养学生的实践和创新能力，可以取得良好的教学效果。主要表现在以下方面。
第一，呈现手段生动直观。信息化教学能够将抽象的教学内容如PLC的工作原理、软元件与电气继电器的功能区别等，用信息技术手段生动直观地表现出来，完成知识的轻松建构。
第二，学材丰富。通过多媒体教学课件、网络资源、仿真教学软件、数字影像技术、教学资源库等多种形式提供更加丰富的教学资源，学生可以从多个渠道获取丰富的学习资源。
第三，师生角色转换。学生学习变“被动”为“自主”采用信息化教学手段后，能够实现由“教师一言堂”到“以学生为主体”的教学方式的根本改变，教师是引导者与支持者，师生共同探讨获取知识。
第四，提高学生自主解决问题和创新的能力。通过QQ群、校园网、手机智能化功能、数字化实训室等创客教育空间，学生在学习过程中可以相互交流、分享学习经验。
三、教学案例解析
以下笔者将以“《用PLC控制的多种液体自动混合装置》教学单元的信息化教学设计”为案例阐述信息化教学手段在PLC技术教学中的应用。
1.教材学情分析
教学对象为二年级机电技术应用专业的W生，具备以下三个特征：即将步入顶岗实习阶段，需要我们营造一个与工作环境相贴近的学习环境；自我学习和自我监督能力差，需要老师引领和指导；面对枯燥乏味的工业设计时对抽象的程序编制缺乏兴趣，视为庞大障碍。
2.教学策略及信息化手段应用分析
（1）教学策略。首先，团队协作和良好的6S32作习惯的养成将会贯穿整个课堂。其次，采用双线并行的、以能力为本位的项目教学法来设计训练项目，训练学生可迁移的综合能力。结合项目任务报告书，监督和检查学生的学习效果。老师带领学生在课堂上完成两种液体自动混合控制的端口安排、主体程序、电路连接和调试等内容的项目A，之后安排学生参照项目A做出加入正常停止和急停设计的项目B，锻炼学生从项目A中的学习，来完成项目B的能力。知识和能力得到了迁移。用具体的工作来训练了一般的能力。再次，运用“资讯-计划-决策-实施-检查-评估”六步法，充分体现以学生为主体的教学。最后，通过“四阶梯”的知识要点引导，即详细的控制要求分析、顺序控制中功能图的互动设计、步进程序的分段给出和程序修改训练，让学生轻松逾越障碍。
（2）教学方法及信息化手段应用分析。以上运用了兴趣引导法来引出课题，用小组学习法使得团队协作一起完成教学任务，用探究式学习法来使得学生完成控制要求的分析和归纳、控制端口的列出、控制要求改变后的分析和研究，用以能力为本位的双线并行的项目式教学法设计项目A、B，训练学生可迁移的综合能力。
而视频、图片、多媒体教学课件、编程软件等多种信息化教学手段的使用，有效地利用信息化技术辅助了教学。特别是通过运用仿真教学软件进行PLC步进指令程序的编制、调试和改进，使得课堂教学突出了重点，也让学生先在仿真环境下模拟调试，减少了后续调试设备的故障率。并且学生通过校园网机电技术应用专业教学资源库平台进行资料下载、学员交流、学习效果评价，查找相关知识和讨论编程思路，协作式地突破课堂的难点――步进功能图的设计以及编程思路的构成，最后还能够信息化地评价学习效果。
在过去未进行这四种教学方法和信息化教学手段相结合的情况下，该内容需要4个课时（180分钟）才能讲授和训练完毕，现在可缩短为3个课时（135分钟）完成，理论与实践一体化教学，信息化教学资源形象直观，且“趁热打铁”利于学生及时地掌握和消化知识。
3.教学过程中信息化技术的运用
笔者在教学中八个地方采用了信息化技术辅助教学。
第一，课题引入部分采用情境导入法，通过播放可口可乐公司产品生产的视频和混料罐图片，回忆生产线参观过程。
第二，是通过微课视频观看用PLC控制的多种液体自动混合装置（实验室模拟装置）的运行过程，并由各学生小组根据视频讨论和归纳出控制要求。
第三，各小组根据控制要求，列出I/O分配图和画出硬件接线图，教师通过多媒体教学课件引导学生按“PLC程序设计员”岗位技能标准设计步进功能图。
第四，教师利用多媒体广播软件和PLC的编程软件进行程序输入演示。
第五，各小组利用PLC的编程软件和教学资源库平台中的仿真教学软件进行编程、调试和模拟运行的训练。
第六，教师通过现场录播软件进行现场演示接线和线路测试的广播，并引导学生在教学资源库平台中查找硬件接线的微课视频以备接线过程中反复参考。
第七，教师在教学资源库平台中设置评价表，供学生小组对学习任务进行自评、互评等效果评价，并通过效果评价和小组总结了解学生学习的反馈。
第八，在课外教师通过微信群和QQ群对学生进行答疑解惑，提高了学生学习兴趣，也拉近了师生关系。
四、教学反思
以上教学单元的信息化教学设计与实施是以“先进的信息化教育技术手段”优化了教学过程。整个课堂实践将多媒体技术、网络技术、编程软件技术等现代教育技术手段融入教学过程中，使得抽象的问题直观化、复杂的问题简单化、动态过程可视化，有效地解决了教学中的重难点，提高了学生的学习兴趣。五、小结
通过应用实例，我们不难看出，这样的教学模式体现了“以学生为中心”的“做中学、学中做”理念，也体现了数字化技术的创客教育在现代职业教育中逐步得到应用，在信息化时代中与时俱进。
高职编程类课程主要让学生掌握某种程序语言的语法知识点以及算法思路，通常安排在计算机相关专业课程设置中的第一或第二学期进行。语法知识的传统讲解枯燥乏味，却又是重要的基础知识；算法思路普遍难懂，或者理解和编程实现之间存在差距，需要大量的实践来保证知识的掌握。因此，普遍高职学生在学习编程类课程的时候都会不同程度的产生畏难情绪。
信息化技术教学设计，也就是利用信息技术融入到教学和学生互动当中，在课程“教与学”中引入信息化手段，提高学生的学习兴趣，增加学生的积极性与参与程度，以促进“教与学”。将信息化技术来优化传统课程教学，加入到教学环节中，使它成为教师的教学工具、学生的认知工具。信息化教育的教学模式可描述为：以学生为中心，学生在教师创设的情境、协作与会话等学习环境中充分发挥自身的主动性与积极性。[1]编程类课程本身就是信息技术类课程，引入信息化手段更容易让学生感知信息化的优势好处，更容易激发学生的兴趣，从而提高“教与学”的质量与效果。
1 信息化教学设计方法
信息化教学设计的方法多种多样，但针对编程类课程的特点，有以下几种方法：
1）利用现有的或自己开发的网络平台
现今信息化时代，网络上提供了很多的教学网络平台，教师也可以根据教学需求开发属于自己课程的网络教学平台。例如“蓝墨云班课”教学网络平台，它提供了课前预习布置，谈论论坛，分组作业，课前视频，课堂点名，作业布置、互动反馈等功能，贯穿了教学的前期、中期及后期整个过程。学生可以通过电脑也可以通过手机操作。现有的教学网络平台能够方便快捷的整理教学上课资源，重新分配教学资源的利用步骤；此外学生操作便利，也可以因人因能力、掌握程度的不同来合理分配时间来通过教学网络平台进行预习、学习、复习。
2）基于“微课导学”的翻转课堂教学模式
微课就是要把老师的授课内容用信息化手段表现出来，可以替代传统老师讲课的不足，学生在任何时间、任何地点，可以反复开看，更有效的掌握教学内容。微课做的事情，不仅是把文字教材影声化。同时要把老师的情感态度价值观，隐形知识，把老师的讲解、对课程的理解呈现出来。学生在课前通过教师提供的针对性信息化学习环境，例如flash、微课视频、基于课程内容设计的游戏、微信互动交流页面、网络课程学习平台等信息化资源进行自主学习，在课堂上通过分组讨论、项目实践等活动完成知识的内化。
根据编程类教学具有操作性强、知识点难理解的特点，在每个编程算法、语法的教学重点、难点都可以用微课视频来呈现，微课的简洁精练和突出主题的特点非常适合程序语法知识点及算法的教学，根据学生的差异性，学生通过观看微课视频，针对算法推导和编程过程可以反复观看微课视频，能够帮助学生在课堂更好理解，并且帮助教师在课堂上针对同一个疑难问题重复解答的困境中解脱出来。因此，“微课导学”教学模式有利于提高编程类课程的教学效果。设计微课视频时，可采用“普适”+“心动”的策略来提升学习资源的质量。“心动”旨在让学生怦然心动，产生浓烈的兴趣，激发学生对知识点的进一步的理解。富有“心动”的微课视频，可促使学生产生“行动”欲望，从而保证在翻转课堂中，基础知识与核心能力传授的有效完成。微课视频的“心动”，可从“故事引入”、“游戏加强”、“结构统一”等方面入手。
3）开发有助知识理解的软件
编程类课程重点及难点的地方就是算法的推导过程，如何更生动、更直观地引导学生理解、掌握算法的推导过程，尽可能消除学生普遍的畏难情绪呢？利用信息化技术是很好的办法。可以通过制作软件程序，程序可以是以游戏形式呈现，也可以是模拟算法演变的步骤，最好能提供测试的模块，让学生更深层次的体验算法演变的过程。比起传统教学，大段的代码的讲解更能让学生接受，更容易激发学生的学生兴趣。
2 “直接插入法”算法课堂的教学设计
《直接插入排序》教学设计的整体思路是“翻转课堂+Unity 3D模拟体验+程序测试系统”，即将翻转课堂理念融入课堂信息化教学，通过Unity 3D制作跨平台算法演示与体验软件，配合程序测试系统，实现知识点的理解及应用。
2.1 制作微课视频，通过蓝墨云班课预习视频及资料
制作并上传微课、PPT、教学案例、参考书籍等相关资料到蓝墨云班课。组织学生进行讨论。制作以游戏互动和PPT动画相结合的教学微视频，将枯燥的算法学习变得有趣味，调动学生热情。多种方式呈现算法，让学生对算法有基本的认识与理解。据统计现在的大学生100%使用智能手机，93%开通了4G网络，各个学校的Wifi网络带宽也在逐渐加大，使用智能手机软件提高课堂教学效果成为可能。蓝墨云班课具有班级创建、资源管理、成员管理、问卷调查、讨论答疑、作业布置、小组讨论、即时签到等功能，有手机和电脑等多个版本。借助它很容易实现翻转课堂、让学生在课下利用碎片化时间进行学习，课堂上利用它和传统教学方法相互融合，进行讨论交流、作业提交、重要资料留存等，创建即时互动教学新模式，极大提高教学效果。
2.2 开发算法演示软件，学生通过体验软件进行知识第一步内化
自行开发针对排序算法的演示测试软件，“直接插入法”是排序法的其中一种。传统的算法课程，教师在黑板上理论推演算法，教学过程枯燥、抽象。随着信息技术的发展，一些教师制作动画，配合PPT演示算法执行过程，这种方法较前一种方法更为直观，但演示的内容固定，且PPT及动画的播放对硬件和操作系统有一定要求。本课程中，笔者自行开发了一款排序算法的演示测试软件，有以下两个特点：1）同一算法，能对不同数字个数、不同数字的一组数排序，自动生成算法执行过程，全方位、多角度展示算法。2）Unity引擎制作的软件具有跨平台的特点，一次制作可以生成能够在任意操作系统、任意硬件上运行的软件，所以本算法体验软件具有Web版本，PC版本、手机版本，同时支持Windows、Linux、Andriod、Ios等操作系统。学生可以观看数组各种排序的整过过程，可以改变数组长度或者改变数组元素的值，通过比较观察，可以容易发现各种排序的规律及计算机运算过程。这比起传统的讲解，学生主动性更强，而且学生可以针对自身的理解程度而多次重复的测试体验，也可以边体验边写流程图。用信息化手段来学习信息化技术知识，对于学生而言更具意义和说服力。
2.3 使用编程系统进行知识的进一步内化
编程能力只有通过不断的实际练习，完成一定数量的题目和代码量才能逐渐形成。中山职业技术学院软件教研室自主开发了提升编程能力的编程测试平台。平台上有大量的练习题目，针对不同的算法主题，从易到难。课堂上借助于编程能力测试平台，进行进一步的知识内化。学生能够在第一时间知道自己代码的对错、执行效率，以及其他同学完成题目的情况，教师能够看到学生完成题目的总体情况，以及每个同学提交的代码，方面掌握学生学习情况，并针对问题进行讲解。通过规定学生在C++及其他程序设计课程中必须完成的题目数量，并配合适当的奖惩机制，授课教师所在学校学生的编程能力有了大幅度的提高。
整个课程的设计过程，老师在课堂的参与程度与传统教学完全不同。老师不再是课堂的主角，学生成为自主学习的中心，通过各种信息化手段，全方位调动学生学习的能?有裕?提高教学质量。
教育
一、由无到有情境的转变
教育
新课程从“知识技能”目标转变为“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三个维度目标，教学内容从“单纯的化学知识内容线索”转变为“三条内容线索”，而且这三条内容线索不是简单的加减关系，需要相互融合在一起。这就要求教师改变过去的教学习惯即向学生呈现无情境的表面知识，要给无情境的知识建立背景，就是要善于从真实中提出实际问题，到实验中运用化学观点和方法分析、研究问题，在解决问题的过程中学习化学，再回到实际应用中。这样做，一是促进迁移的需要，二是激发动机的需要，三是增进理解的需要，四是培养科学素养的需要。当然这种转变也有水平高低之分，最高水平是将化学知识溶解于实际问题中，并在实际问题的解决中又能结晶出化学知识。
教育
二、由具体到建构的转变
大多数教师认为重视知识点就是抓住细节，很少考虑到知识细节之外的东西，如知识的来龙去脉，以及知识的认识功能等。例如，教师关注铁跟盐酸反应的具体现象的规范表述，却忽视了让学生了解为什么要学习铁跟盐酸的反应，忽视了引导学生如何利用化学变化认识物质的化学性质，忽视了启发学生体会同样一个反应既可以表示铁的化学性质又可以表示盐酸的化学性质。其实，我们的教学不是不需要具体知识，而是应该始终明确传授具体知识要服务于观念的建构，并且这种观念不是纯粹的哲学层面的观念，而是化学学科的基本思想方法和核心的认识构架。有了这些核心观念，学生就能够学会运用化学科学的观点、思路和方法去认识物质及其变化，去分析问题和解决问题。
三、由低层次到高境界的转变
教师对于探究式教学还存在着许多认识误区，主要表现在两个方面：一是将探究神化；二是将探究泛化。课堂中的探究活动可以在探究的环节、开放度等方面有着不同的处理，也不需要每个内容都要探究，如果分组进行实验的条件不允许，学生可以参加探究过程的其他环节。探究活动的基本要素和特征：一是要有值得探究的核心问题；二是要有围绕问题的假设和预测；三是要有解决问题、寻求支持或否定假设的证据的活动过程；四是要有交流和评价。大量教学实践表明，学生的探究意识和探究能力是随着参加探究活动的经历不断增多而发展和提高的。所以应该发展性地面对探究式教学，不断提高开展探究式教学的水平。探究式教学的最高境界是能够自如地将探究式教学与其他有效教学方式和策略相结合，并融入到整体教学中。 四、由单一到整体的转变
以探究为核心的多样化教学需要较多的时间，解决有限时间和教学内容以及教学目标多元化之间的矛盾有许多途径，其中比较重要的就是改变过去课时教学设计的习惯，进行单元整体教学设计。所谓单元整体教学设计，就是针对一个单元，整体地去组织教学内容、设计教学方法、安排教学时间，如哪些内容需要采用实验探究、需要多少时间等。整体教学设计有利于多样化教学方式的统一，该探究的内容就要保证比较充分的活动时间和讨论交流，该精致提练的内容就需要充分发挥教师讲解的作用，该落实巩固的内容就需要精心设计和安排练习进行强化。整体教学设计有利于整合时间资源，使有限的课时产生高效益；整体教学设计有利于学生合理认知板块的建构，促进知识的记忆、保持和提取，以及综合运用有关知识技能方法分析问题和解决问题能力的培养。
五、由简单被动到综合主动的转变
1．给学生一个空间，他就能创出一个乐园
青少年学生是可塑性很强的群体，不同的教育方式会产生不同的教育效果。相信学生，给他适当的思维空间，让他充分发挥自己的想像，也许你就会发现一个崭新的课堂面貌：学生活跃了，不用再逼着学生去学了；学生记得深刻了，不用再恨铁不成钢了；学生提出的问题多了，不再沉闷了。
例如，我在课堂教学中遇到这样一件事：在讲到化学肥料时，因为大多数学生来自农村，对化肥比较熟悉，我让学生先说一下生活中见到的化学肥料，学生马上就脱口说出碳铵、硝酸铵、尿素、磷肥等。教师没有帮忙，学生就已经说出多种化肥了。然后在实验台上出示了几种化肥样品，让学生找出它们的特性，结果各小组均有代表积极参与，有的学生跑到黑板前亲自闻一闻化肥的气味，有的学生把少量样品放在在水里，搅拌了一下说：“怎么有的化肥易溶于水，有的难溶啊？”有的学生将硝酸铵和熟石灰混合闻到了氨味。教师也没有提供帮助，学生就把有关化学肥料的内容“争”着学去了，整个课堂成了学生动手、动脑学习的乐园。
2．给学生一些时间，他会让时间产生时间
课堂是学生的课堂，在课堂中如果教师善于留一些时间给学生，让学生去思考、探讨，你可能会发现：本来一节课难以解决的问题，往往能有效地加以解决。
数控技术 岗位职业能力 实践教学体系 模块
教高【2006】16号文件《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中指出：大力推行工学结合，突出实践能力培养，改革人才培养模式。要积极推行与生产劳动和社会实践相结合的学习模式，把工学结合作为高等职业教育人才培养模式改革的重要切入点，带动专业调整与建设，引导课程设置、教学内容和教学方法改革。
一、课程设计的必要性
《数控编程与操作》是数控技术专业最重要的核心专业课程，受到各院校的高度重视。
针对该课程的特点，我们提出通过该课程的学习，使学生掌握数车、数铣、加工中心、电火花机床的操作，掌握FANUC、SIMENS、HNC、GSK等4种系统的编程，使教学的目的性更强，学生学习的针对性更强。课程设计的理念基于工作过程的课程体系，课题组正是沿着这一思路着手进行课程的设计。紧紧围绕课程对人才培养的目标要求，打破传统的课程设置模式，突出高职教育教学特点，探索将课程内容项目化、模块化，将课堂教学现场化，强化职业技术能力，把工学结合的思想贯穿在整个课程教学过程中，把理论教学和实践技能培养有机地结合起来。
二、课程设计的思路
数控技术专业的《数控编程与操作》课程实行“1+2”模式，即将课程设计为1个职业能力学习模块，再加上2个职业能力拓展模块。职业能力学习模块主要学习数控编程及操作的理论知识，2个职业能力拓展模块分别为数控机床操作实训和使用数控机床加工零件实习。前一个能力拓展模块侧重于装备各类数控系统各种机床的操作，后一个能力拓展模块侧重于各种复杂零件的数控加工。通过理论课与实践课并列进行的教学模式，使数控加工操作实践始终贯穿整个教学过程，形成融知识传授、职业能力培养、素质教育于一体，以实际典型零件加工过程为导向，现场教学、课堂教学、项目教学等多种模式并举的教学方式。
1.对理论教学体系进行整体优化，构建以职业能力培养、提高素质为主线的课程内容体系
在理论内容方面强调以应用为目的，以必需、够用为度，课程内容突出针对性、应用性和实用性，增加与现场实际密切相关的内容；可根据专业发展方向的需要，适时调整课程内容，以保证课程内容始终与数控技术的发展水平、市场对人才能力要求相适应。
2.构建相对独立又与理论教学有机融合的、基于工作过程的实践教学体系
加大针对理论内容的项目训练、强化实训等实践教学环节的比例，使实践教学时数与理论教学时数的比例达到1︰1以上。建立起完整配套的实验和实训教学环节，进行“真枪实弹”训练，把实习教学由单纯消耗转变为实习与生产的有机结合，做到生产和实习两不误。这种作法也为工厂节省了人力，降低了消耗，创造了效益，真正实现了实习教学和生产的有机结合。
3.强化职业能力培养，将职业技能鉴定融入常规的教学训练过程
将与课程相关的数控类职业技能鉴定工种融入平时的教学训练过程中，实现专业教学和职业鉴定的“直通车”。如数控铣工、数控车工的职业鉴定融入到课程教学和数控编程加工实习实训中，既节省专业的教学资源、降低学生的鉴定成本，也提高了学生学习专业课程的兴趣和主动性。
在整个教学过程中，从理论教学、项目实训教学到强化实训，要求做到“六结合”，即理论与实践相结合、传统教学方式与现代教学手段相结合、讲解与指导相结合、课堂教学与现场教学相结合、校内教学与校外实践相结合、教师与企业工程技术人员相结合，以达到培养学生具有独立分析和解决问题及创新的能力，实现理论教学与实践教学相融合的一体化教学体系。
三、教学内容的具体表现形式
（1）构建了典型零件库和零件加工工艺性文件库，并通过网络让学生随时调用典型零件的加工程序，拓宽学生的编程思路，提高学生解决实际问题的能力。
（2）教学内容充分利用现代网络技术，搭建一个网络平台，将课程的诸多信息放置在网上，便于学生的学习，也有利于教师与学生的交流。
四、学习情境设计
根据每一学习情境职业能力要求，进行每一学习情境的教学设计，下面通过实例介绍学习情境教学设计过程。
实例：在数控车床上完成凹圆练习件的车削加工
1.工作任务描述设计
加工零件任务名称：凹圆件练习件的车削加工。
2.零件类型描述
该零件属于较简单的阶梯轴类零件，是使用数控车床加工的基本外轮廓形状。是数控车削加工中难度较低的基本零件之一。
3.学习情境教学(行动)过程总体设计
根据每一学习情境教学内容，来开发以行动过程为导向的学习情境学习过程，即下任务、定方案、誊卡片、加工、检测五个行动过程。
参考文献：
[1]陶维利．《数控编程与加工》课程基于教学一体化教学改革的实践．武汉船舶职业技术学院学报，2009，（3）.
关键词：信息化 电器与PLC控制技术 教学变革
电器与PLC控制技术是实践性很强的一门课程，课本中的知识较为抽象，理论性强，这让学生理解起来会存在障碍。传统教学模式中，课堂上仍然是教师作为主体的教授，虽然也会在实验室进行实验，老师会给予相应指导，但课程与实践还是较为分离，学生仍然难以准确抓住抽象理论知识的要义。在教学探索中我们发现，信息化教学对于电器与PLC控制技术课程是有很大的帮助的，这种教学手段灵活易于掌握，很容易被学生接受，将信息化加入到该课程的教学中，取得了很好的成效。
一、电器与PLC控制技术课程教学变革的必要性
电器与PLC控制技术是电气自动化专业的专业核心课，具有实践性强、应用面广的特点。随着现今对于课程实用性能的强调，电器与PLC控制技术这门课程在教学过程中除了要传授给学生相应的专业知识，更注重的是培养学生具备相应的操作技能，全面提高学生素养。
传统的课程教学，教师会顺着教材编排的内容订好教学计划，依次进行。而往往还没进入正题，学生已经因为枯燥的器件讲解、单一的指令分析望而却步。所以课程教学的模式必须有所变革。信息化教学设计的基本原则中有一点提到在教学设计中，以“任务驱动”和“问题解决”作为主线，创设情景，展开教与学的双边活动。信息化教学设计的优点是可以利用网络创设平台，在这个平台上，学生可以搜索需要的信息，完善教材中提到的知识点，提高信息素养；教师可以通过平台，优化教学环境，提高课堂效率，实现师生很好的互动。在整个课程的教与学的过程中，可能有些资源实训室是无法提供的，那么就可以运用信息化教学的优势，借助软件来实现程序的调试与模拟。
因此，笔者认为在教学中加入信息化的教学设计理念很有必要。
二、课程信息化教学项目的选取
电器与PLC控制技术借助信息化的教学理念，对教材内容进行重新整合，打破原来的教材顺序，将课程内容模块化、项目化。以具体的模块为单元、以实际的工程项目为主线，让学生带着问题去找资料、分析要点、讨论方案，完成课程任务。项目的确定尤其重要。如何选取项目必须结合学生的现状、课程任务、应用实际来进行。在刚接触课程时，学生仅进行过电工中级工的实训，所以在讲电器这部分内容时，可以通过维修单、面试题等创设情境，串接内容，避免炒冷饭，提升学生的学习兴趣，让学生感受用所学知识来解决实际问题的成就感，而且能很好地为PLC的学习奠定基础。由于目前学生对电器与PLC控制技术课程仅处于入门阶段，为了让学生掌握这项专业技能，笔者将PLC教学分为三个阶段：编程思路的训练；基础项目的实施；综合项目的实施。
第一阶段，以编程思路的训练为主线，串接PLC的基本组成、工作原理、程序设计思路三部分内容。本阶段以学生自主学习为主，教师辅以相应的指导。第二阶段，以基础项目的实施为主线，引出三菱FX2N系列PLC的26条基本指令及使用方法，完成对PLC基本指令的理解与运用。同时实现对编程软件的掌握、实训环境的熟悉。第三阶段，以综合项目的实施为主线，达到能准确把握控制要求，根据控制要求合理选择最优方案，通过方案熟练运用编程软件完成程序设计，借助PLC实现调试。
对于项目的选定，应当尽量遵循如下几个原则：首先，选取的每个项目中都应当突出某个应用程序，教学中要强调课题的重点，课程中选取的程序应当由简到繁；其次，项目选取尽量来源于生活，直观形象能激发学生的学习兴趣，兴趣是最好的老师，也是最能激发学生学习动力的源泉；第三，在制定项目时要综合考虑学校现有的资源状况，如实验室资源是否能很好的为课程设置提供帮助。教材中的最后几个章节是综合性较强的，在项目设置上应当体现综合应用能力。
三、电器与PLC控制技术课程信息化教学的开展
电器与PLC控制技术课程的教学中，信息化教学思路的运用可以为课程教学提供很多便利，能够提升教学效率。信息化教学思路在课程的实施中可以借鉴以下几个步骤：
1.项目准备
项目准备主要由教师和学生两条线来进行。一是教师必须选好项目，项目的选择要兼顾学生现状、实际工程应用、教学任务等方面。好的项目能促使学生主动去学习、讨论、分析、搜索资料。好的项目能促使学生实现小组的合理分工合作，从而提升团队意识。好的项目能激发学生的学习兴趣，达成学生运用知识解决实际问题的成就感。而学生则在完成项目的过程中学会合作，学会分享，学会总结，提升综合素养。二是学生要根据相应的项目做好资料的搜集与整理，完成前期的预习，对用到的知识点有所了解，并形成项目初期自己的解决方案。
2.项目知识点讲解
实际操作前，教师很有必要做充分的知识讲解。相应的课程内容学生虽然已经预习过，但学生自己的理解和课程中知识点真正需要抓住的重点难免还是有偏差，因此老师的讲解是很有必要的，通过教师的点拨可以让学生掌握项目要求，同时帮助他们抓住项目重点。在项目给定的过程中，存在学生可能无法在现场观察项目的实际操作流程，不能透彻分析项目控制要求的瓶颈。而此时就可借助信息化的教学手段弥补空间和设备上的缺陷。通过预先拍摄的视频、短片让学生进入状态。
3.项目实践
在本阶段，学生需敲定方案，完成分组、调试程序等任务。如果项目可以在实训室的实训台上完成，则学生还需完成线路的连接。在这个阶段，教师主要承担纠错、点拨、观察总结等任务。项目实施过程中教师要不断巡视学生的进展，对于学生遇到的困难与障碍要给予相应指导，实训结束后让学生们学会用信息化的方式对出现的问题进行处理与分析。信息化教学不仅能辅助教师的教学讲解，也能帮助学生完成他们的任务。
4.教师检查评价
项目结束后让学生们统一对于程序用信息化的方式进行处理，让学生上交项目实施的全部资料，包括I/O地址分配表、梯形图、PLC外部接线图。信息化不仅帮助学生绘图编程，也能方便快捷的将学生的成果通过网络汇集到老师那一端，不仅提高了教学效率，也能让老师对于学生的结果定性的评价或修改，帮助学生进步。
项目结束后，教师需要对于学生的成果做相应判定及点评，对于程序有偏差的小组，教师应当引导学生找到偏差原因，从而分析是哪个环节可能出错了，指导学生改进提高。对于做得好的不妨进行一个成果展示，这不仅能让其他学生学习，形成见贤思齐的效果，同时对这个学生也是一种鼓励。项目完成后，学生根据完成的情况独立撰写项目实训报告书，并完成资料的整理工作及相关知识的拓展。
实践证明，将信息化教学理念运用到电器与PLC控制技术的教学变革中，能让学生理解与掌握课程内容，提高学习质量。教学过程中学生需要自己编程，自己运用计算机处理与分析控制要求，不仅锻炼与提高了学生思维能力，对于培养学生的工程意识，帮助学生学以致用，也是很有成效的。信息化教学应当进一步运用到电器与PLC控制技术教学中，为社会培养更多高技能人才。
参考文献：
[1]刘永华.电气控制与PLC应用技术.北京航空航天大学出版社，2010
