面向创新型人才培养的单片机系列课程柔性化教学模式研究

田 勇，赵 爽，丁学君，刘子凡

（1.辽宁师范大学 物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029；2.东北财经大学 管理科学与工程学院，辽宁 大连 116025）

0 引言

改革开放以来，我国提出了“发展创新型国家”的战略思想[1]。在党的十九大报告中，再次强调要加快创新型国家的建设步伐。因此，高校作为人才培养的主基地，培养面向不同专业的创新型人才，成为其教学工作的一项首要目标和重点内容。作为国内众多高校普遍开设的一个专业，电子信息工程专业是一门集现代电子技术、信息技术、通信技术于一体的综合性、交叉性学科，其以培养“具备电子技术和信息系统的基础知识，能够从事各类电子设备和信息系统的研究、设计、制造、应用和开发的高等工程技术及研发人才”作为培养目标。随着IT技术在社会各个行业的广泛应用与不断渗透，电子信息工程专业涉及的应用领域愈加广泛，针对该专业的人才需求也呈逐年增加的趋势。因此，培养理论基础扎实、实践能力强、适应社会需求的应用型、创新型人才，成为电子信息工程专业人才培养工作的关键。

为此，国内各个高校多年来在电子信息工程专业的教学改革，以及教学模式创新等方面，进行了积极的探索，以提升学生的实践能力和创新能力，但从培养效果来看，都不太理想[2-4]。该问题的主要原因是作为应用现代技术进行信息控制和信息处理的学科，电子信息工程专业的课程体系覆盖面十分广泛，既包含数学、物理、高频及低频电路、现代电子技术、信号与系统、微机原理、通信原理、传感器原理等理论课程，还包括硬件电路的设计、组装和调试，以及单片机编程等实践课程。由于所学理论课程较多，且课程内容难以做到有效衔接，学生们无法把更多的精力放在实践课程的学习上，从而导致理论与实践的脱节[5]。

1 柔性化教学模式

1.1 柔性化教学模式的内涵

柔性化教学模式的基本思想来源于企业界的柔性管理。丰田公司是最早提出柔性管理的思想，并将其应用于经营实践中的企业。与传统的以规章制度为中心的刚性管理相比，柔性管理更注重结合人们的心理特征与行为特征来实施管理工作，其注重人性的解放以及权利的平等。由于柔性管理是在探究人们心理和行为规律的基础上，采取非强制方式，把组织意志转化为人们的自觉行为，因此，有利于形成一种让参与者乐于接受、轻松活跃的工作气氛[6]。借鉴柔性管理的思想，学者们提出了柔性化教学模式，即利用现代多元的信息技术手段，进一步发展混合式教学模式，根据学生学习的特点，以提高学习积极性为目标，来提高授课的质量[7]。

1.2 柔性化教学模式的基本原则

1.2.1 主体性原则

一方面，在教育教学过程中，柔性化教学模式强调以学生为本，以学生发展为中心，培养学生的实践创新能力和综合素养，充分发挥学生的主体地位。另一方面，柔性化教学模式以研究学生的个性特点和行为方式为基础，充分发挥学生的个性特长，尊重学生的主体需求和个性发展，从而根据学生的个体特点，进行有针对性和分层次的管理，从学生的内心深处激发其内在潜力、创造力和主观能动性。

1.2.2 启发性原则

随着教育改革的不断深入，素质教育逐渐代替了应试教育，教师的教学原则不再是灌输式教学，而应是启发性教学。专业课教师需要积极引导学生不断思考，创设各种情景，激发学生不断提出问题、分析问题以及解决问题。柔性化教学模式有利于建立民主、平等、和谐的师生关系，并在教学过程中淡化教师与学生之间的界线，使两者之间保持一种平等的“对话”关系。

1.2.3 多样性原则

多样性原则是指根据学生的不同个性与兴趣，设置多样性的教学内容、多样性的发展方向，不再完全局限于共性的发展。教学多样性则要求整个教学系统在充分认识、整体把握学生个性化特征的基础上，针对学生群体中存在的不同学习需要，组织、协调相应的教学资源，进行弹性化的教学设计。电子信息工程专业以培养专业基础扎实、实践动手能力和自主学习能力强的高级专门人才为目标，因此将柔性化教学模式应用于电子信息工程专业的课程教学中，有利于培养具备专业知识和创新精神的应用型人才，以满足人才市场的需要。

2 单片机课程柔性教学体系的构建

2.1 单片机系列课程教学现状及问题分析

单片计算机原理与应用是面向电子信息工程专业本科生开设的专业必修课，也是该专业的主干课程。本课程的先行课程有C语言程序设计、汇编语言程序设计、数字电子技术、模拟电子技术等。在辽宁师范大学电子信息工程专业人才培养方案中，将该课程的课堂讲授学时规划为48学时，实践学时为12学时；采用“基于多媒体的理论讲授+基于单片机实验平台的实践教学”相结合的教学方法；课程考核方式为闭卷考试。这种课程设置形式存在以下问题：①实践环节学时较少，部分学生很难将理论知识与实践相结合；②教学方法死板、单一，不能充分发挥学生的主动性和创造性；③考核方式不完备，学生只关注课本的理论知识，导致期末成绩很好，但实际动手能力却较差的现象，并不能科学合理地检测出学生的综合学习效果。可见，目前该校单片机系列课程的教学方法与教学模式，已经无法满足创新型、应用型的人才培养目标，因此需要根据培养要求，引入新的教学理念和教学方法，优化相应的知识体系。

2.2 单片机系列课程柔性化教学改革思路

面向创新型人才培养的单片机系列课程柔性化教学改革思路，如图1所示。

图1 教学改革思路

2.2.1 理论课程教学模式设计

单片计算机原理与应用课程可以根据相应先修课程的计划安排，将其安排在两个学期完成。理论课程安排在大二下学期，教学模式采用“线上视频学习”“线上线下辅导答疑”以及“线下课程小实验”相结合的教学模式。教师以课程教学大纲为依据，将对各个章节授课内容的讲解录制成视频，共享在本校网站上，学生可以充分发挥主动性，根据个人能力自主规划课程学习时间，且针对课程内容中的重点、难点，还可以通过视频回放进行重复学习，以加深对相关知识的理解。根据该课程的总学分来合理设置每个授课视频的学习积分，最终通过网络平台的数据统计每名学生学习积分，以此作为学生考核的一个参考方向。此外，教师需要定期进行线上及线下答疑与辅导。针对线上的教学辅导，教师可以充分利用微博、微信等社交媒体平台，与学生实现即时的沟通与互动，从而在有效解答学生疑惑的同时，调动学生学习的积极性。为了提升学生的学习效果，实现课程内容的有效融合，授课过程中任课教师可以根据理论内容，设计一些具有趣味性的课程小实验，实验难度可以循序渐进，一方面可以加深学生对相关知识点的理解，实现课程内容的融会贯通，另一方面激发学生的学习兴趣，为后续实践环节的顺利开展奠定基础。上述基于柔性化教学思想的课程安排，取代了传统的“先理论，后实验，分阶段，固定化”的单一教学模式，充分发挥了学生学习的自主性。

2.2.2 实践课程教学模式设计

以上述理论学习内容为基础，在大三上学期，课程团队利用开放实验室设置基于单片机的实践课程——小型机器人系统设计。首先，教师逐层深入地为学生讲解相应过程，通过边讲解、边演示、边让学生跟随操作的方法进行教学。跟随老师完成简单的课程实验后，以小组为单位，学生使用已学过的硬件系统设计和编程等课程的基础知识，根据自己的不同个性与兴趣，分工合作，共同讨论完成一个课程作品。上述创造性、系统性的实践课程设计，可以加深学生对所学理论知识的理解，提高理论联系实际，以及分析问题和解决问题的能力，为今后从事相关工程技术工作打下良好的基础。

2.2.3 柔性化教学与CDIO教育理念相结合的工程实践能力培养

CDIO 教育理念是近年来工程教育改革领域取得的一项重要成果。2000年，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所顶尖大学，共同组建了一个工程教育改革的研究团队。该研究团队经过4年的不断探索，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的国际合作组织。CDIO，即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）等4种教育思想的融合，其以产品研发到产品运行的生命周期作为载体，让学生能够以自主的、实践的方式来学习工程技术，并强调加强课程之间的有机联系。CDIO培养大纲以工程为背景，以项目为载体，以培养学生的工程实践能力、创新能力、团队沟通能力和合作能力为目标[8]，将CDIO的工程教育理念融入单片机系列课程的创新型人才培养柔性化模式中。

目前，高校教师开展教学工作的同时，还有各自的科研领域，且高校科研队伍已经成为国家科技队伍的中坚力量。以辽宁师范大学物理与电子技术学院为例，部分教师主持了多个国家级、省部级科研项目，并在国内外重要期刊发表了多篇本专业领域的学术论文，其中几位教师与相关IT企业开展了长期的合作研究，完成了多个与单片机、嵌入式系统开发相关的企业合作项目，具有丰富的业界合作经验。因此，在掌握基本的理论知识并具有一定的实践能力基础上，可以充分利用上述科研资源，鼓励和引导学生积极参与到教师的相关科研项目中，进一步提高学生的自主创新能力，以达到企业对应用型和创新型人才的要求。

此外，目前国家积极鼓励大学生进行创新创业，并制定和实施了多项政策，将创新创业切实落到实处。以此为契机，教师可以指导学生参加大学生创新创业等科研项目，并在科研过程中充分发挥教师为主导、学生为主体的作用。综上，在单片机系列课程建设过程中，可将柔性化教学与CDIO教育理念进行有机结合，即坚持以课程理论知识学习为基础，以实践环节设计为中心，以科研项目为导引，构建科学合理的实践知识体系和实践能力培养体系。

3 单片机系列课程柔性教学体系的实施

3.1 理论课的课程安排

单片计算机原理与应用课程中，理论课的总学分：3.5学分；总课时：60学时。以第三章“MCS-51单片计算机指令系统和程序设计方法”的教学内容为例，对理论部分的课程安排进行阐述。该章理论课的教学大纲见表1。

表1 单片计算机原理与应用理论课教学大纲（以第三章为例）

3.2 开放性实验课的课程设置与实施

小型机器人系统设计是单片机系列课程中一门实践类课程。该课程通过小型机器人的构思、设计、实现和运行等环节，使学生熟悉设计实际产品的整体流程。本课程于大三上学期1—8周开设，课程总学时40学时，其中理论部分10学时，实验部分 30学时，共2学分。

（1）理论部分内容包括：第1—4学时介绍本门课程及机器人的发展概况；第5—8学时介绍创意之星机器人的设计过程；第9—10学时介绍设计过程中各种软件工具的使用。以上授课均采用学生在线学习教师录制的共享视频的方式进行。

（2）实践部分内容包括：第10—20学时，熟悉创意之星机器人套件的各部件以及各类接口，其中教师通过一个例子演示设计过程，学生进行跟随操作；第20—40学时，以小组为单位，学生自主设计并完成作品。

在整个实践环节中，学生需要首先了解“创意之星”的结构件、控制器、传感器、执行器及其他部件；其次学习使用AVR控制器、CDS5500机器人舵机、NorthSTAR图形化集成开发环境、构型搭建；最后以分组形式利用“创意之星”机器人套件，自主创新搭建机器人构型，并通过编写、调试程序使小机器人具有避障、循迹、爬坡等功能。

3.3 自主科研实践能力的培养

在课程学习之余，教师积极组织学习能力较强、兴趣浓厚的同学，参与大学生创新创业等科研项目，以提高他们的自主科研能力和理论知识的运用能力。以辽宁师范大学物理与电子技术学院教师承担的“海洋自容式倾角传感器集成系统设计”项目为例，该项目是在充分研究现有海洋监测传感器的基础上，拟设计能够在海水中自行工作的自容式倾角传感器集成系统，将其用于海洋平台在海水中部分的结构健康监测，并通过计算机端的专用软件，对自容式倾角传感器集成系统进行参数设置，进而根据数据对海洋平台进行监测和评估。该系统中的微处理器模块主要由MSP430F149单片机构成，完成整个系统的控制；系统中的数据存储采用高记忆容量、快速数据传输率的Micro SD卡；传感器采用芬兰VTI Technologies公司的数字高精度加速度和倾角传感器；实时时钟模块主要负责为系统提供准确的时间；电源管理模块负责对电池电压进行稳压滤波，以给整个系统提供安全稳定的工作电压；电源模块采用的是大容量的一次性锂亚电池。系统总体采用总线式结构，各个模块相互独立，利用总线板相互连接，以最大程度上减小尺寸。

可见，通过参与该项目的实施，学生可以对于单片机的设计、电路板的布局布线、程序的编写、系统的调试等方面的工作进行深入地了解，这从很大程度上培养和提高了他们的自主科研能力，为今后在该领域的科研及技术能力培养，奠定了坚实的基础。

4 评价体系与考核方式的探索

4.1 理论课程评价及考核

对于单片机系列课程中理论课程的成绩考核，各高校多以闭卷考试为主要手段，且该考评方法仅局限于检验学生的应试能力。为此，针对单片计算机原理与应用课程，引入一种从多方面考评学生综合学习效果的考核方式。在该考核体系中，理论课考核分为3个部分，即线上学习积分统计、期末闭卷考试以及小实验操作效果。线上学习积分主要考核学生的自主学习能力；期末闭卷考试用来考核学生对理论知识的掌握情况；小实验操作效果则侧重考核学生理论知识的运用能力。以上每个部分的分值比例分别设定为20%、40%、40%。

4.2 实践课程评价及考核

实践能力方面的考核，主要由教师根据预先设计的不同课程项目，对每个小组的完成情况进行综合评价，其评分标准包括项目的设计、项目实施过程、作品展示、项目答辩、团队合作等多个方面。以小型机器人系统设计课程为例，设计单片机系列课程的考核方式及分值比例，见表2。

由此可见，表2给出的多角度、全方位的考核方式，既能考核学生的个人学习能力，又能培养学生的团队意识和竞争意识。在该考核体系中，教师从多个角度评价学生发现问题、分析问题以及解决问题的能力，其中更侧重于考查学生的学习主动性和创新性思维，从而鼓励学生在产品设计过程中，充分发挥其个性特点，激发学生的创造潜能。

5 结语

在单片机系列课程的教学中，融入柔性化教学理念，通过“线上+线下”“理论+实践”以及“小实验+实践课程+科研项目”的多元柔性化教学模式，对高校单片机系列课程的理论课程、开放性实验课程、本科生自主科研项目及其考核方式进行改革和实践。教学团队自2016年开始，将该教学模式改革成果应用于辽宁师范大学物理与电子技术学院单片机系列课程的教学实践中。2016—2018学年，该校单片机系列课程考核中的合格率达80%，优秀率达20%，教学质量得到明显提升，其教学方法及教学效果，获得了同行、学生一致的认可和好评。在2019年的毕业生就业双向选择过程中，该专业的学生深受相关IT企业的欢迎，就业率明显高于历史同期水平。可见，针对单片机系列课程，开展面向创新型人才培养的柔性化教学模式，可以很大程度上提升电子信息工程专业创新型、应用型人才的培养质量。在未来的教学研究及教学实践中，教学团队会根据国内外IT行业的发展和人才需求的变化，不断更新课程知识结构，完善教学体系，进一步推进教学模式的创新，从而培养出既具有扎实的专业理论知识，又具有实践能力和创造能力的企事业单位急需人才。

表2 小型机器人系统设计实践课程考核方法