新工科背景下单片机原理与应用课程理论教学方法改革与实践

皮大能，杨青胜，南光群，万里光，刘 晨

(1．湖北师范大学 电气与自动化学院，湖北 黄石 435002； 2．湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

第四次工业革命使新型工业化与信息化技术良好结合。目前，新技术革命引领着我国经济发展，新型工科人才成为新技术革命下急需的人才。此背景下，新工科概念应运而生。新工科概念于2016年被提出，受到众多研究学者高度重视[1]。应用型本科学校抓住机遇，在新工科背景下对教育教学方式进行改革，以提升高校学生创新能力与工程实践能力为目标，培养综合性高素质人才，提供众多符合经济发展以及地方产业需求的人才。

单片机原理与应用是各大工科院校电气工程及其自动化专业的基础课程，可体现该专业“软硬件、强弱电结合”理念。学生通过学习《单片机原理与应用》可快速明确嵌入式控制系统的芯片参数、工作模式和应用原理，是电力系统中信息技术的基础课程，占有极重要地位。目前，各高校明确单片机原理与应用课程重要性，针对该课程进行众多实践与改革，实现课程教学手段和教学方法的高效创新[2]。新工科背景下，多学科、多课程的知识教学融合对该课程理论教学方法改革与实践探索具有重要意义。研究新工科背景下单片机原理与应用课程理论教学方法改革与实践，充分考虑新工科背景，对单片机原理与应用课程的理论教学方法进行改革与实践，考虑课程实践意义，为该课程创新与实际应用提供理论依据。

1 新工科背景

企业对人才的需求在传统工科教育模式下与高校学生培养质量具有重大差异，新工科背景可有效消除传统工科教育模式下单项培养模式的限制。新工科背景的课程教育可采集众多社会优质教育资源[3]，建立创新的协同教育模式，令所培养应用型人才具有较高的实践能力和创新能力。

教育部于2017年提出：新工科发展至2020年需完成适应新经济、新产业以及新技术发展的建设模式；至2030年需建立全球领先的具有中国特色的工程教育体系，令新工科背景作为支持我国创新发展的有力后盾；至2050年需将新工科发展至建设工程教育强国，实现世界工程教育领跑，令我国成为创新世界科技强国。

新工科具体研究内容如图1所示。

图1 新工科研究内容

新工科应以立德树人为宗旨，需充分考虑未来变化，建设未来，通过交叉融合、协调共享、继承创新作为实现途径，最终，获得创新型多元化工科工程型创新人才。

新工科背景需充分考虑传统工科建设缺陷，针对传统工科建设缺陷适当改革，令所培养创新型人才具有较高的自主创新能力，可适应社会经济发展下的人才需求。新工科背景下最终需求与各高校提升教学水平、优化不同专业培养方式和结构，培养解决工程实际问题能力人才的需求极为一致。

综合性高校工程教育部门为实现工程教育创新和改革，需加速新工科发展和建设步伐。新工科是培养综合型、复合型人才的重要部分[4]，可充分培养具有动态适应能力、创新型、符合未来产业需求的高水平工程型人才。发展新工科主要包括对现有工科专业创新、改革以及发展新型工科专业两部分。

新工科背景已应用于我国土木、机械等众多专业中，将新工科背景应用于电气工程及其自动化专业，对单片机原理与应用课程理论教学方法改革与实践具有必要性。

2 单片机原理与应用课程教学内容及教学现状

2.1 单片机原理与应用课程教学内容及教学目标

单片机原理与应用课程教学目标以及教学内容如表1所示。

表1 课程教学内容以及教学目标

单片机原理与应用课程是各大工科高校电气工程及其自动化专业的极为重要的基础课程，该课程结合自动化技术、计算机和电子等多方向技术，具有极高的应用型和实践性，是电气工程及其自动化专业学生日后学习专业课程的重要基础。通过该课程培养应用型人才极为必要，应用型培养模式可提升学生创新能力和工程素养，令所培养学生更具有发现、分析与解决问题能力[5]，实现学生的“学以致用”。该课程中实践教学占有重要地位，通过课程的教学方法改革可提升学生的实践学习能力。

2.2 单片机原理与应用课程教学现状

通过单片机原理与应用课程实现运行维护及调试电气设备与控制系统的学习，使学习该课程的学生满足新工科背景下本科院校及各大企业对学生的需求。该课程牵涉内容众多，与众多课程实现高效融合与交叉。单片机原理与应用课程交叉融合情况如图2所示。

图2 课程交叉融合情况

从图2可以看出，该课程具有极强的应用性与实践性。目前，该课程实际教学时，具有较低的工程化以及产业化程度，教学内容未将实践、实验与教学内容有效结合，学生学习该课程无法获取较高的工程应用问题解决能力。单片机原理与应用课程教学现状如下：

1)课程工程化和产业化程度较低

制造业伴随新工业革命到来，竞争格局和发展态势迫切需要调整，工业领域智能化和自动化需求较高，单片机技术需充分结合软件技术、自动化控制等技术，令所开发新型产品可应用于不同场合[6]。以往的课程设计较为滞后，无法满足电气控制需求。

传统的教学模式仅需针对单片机知识点和电气控制需求实现教学，并未考虑单片机实际应用需求，课程中包含众多学科的交叉融合，学生学习该课程并不能提升发散思维能力和创新能力。未来的单片机技术发展需求较高，传统课程体系结构无法适应单片机技术发展。充分考虑新工科背景的工程化和产业化需求，应及时改革与调整工程教育，明确综合性知识水平的重要性，充分体现单片机技术以及电气领域产业发展需求，改革教学内容以及课程体系。

2)实践与理论脱节

单片机原理与应用课程以微机原理、自动控制原理等课程为基础，主要分为单片机和电气控制两部分。电气控制和单片机分别作为课程基础以及对电气控制的补充，两者虽具有一定的相似性，但又存在差异，该课程是单片机与电气控制的良好结合。

目前的课程讲授仍以以往陈旧课程为主，并未考虑目前广泛应用于工业系统中的新型电气控制元件，变频器、软启动等属于电气系统中的新型电气控制设备，该课程目前并未考虑控制设备的理论课程。课程编排单片机技术较为固化，依据知识点结构编排教学内容[7]，知识点与知识点间较为松散，具有较差的连贯性，课程所选取案例较为单一，并未充分考虑工程实践内容，对提升学生工程应用能力并未重视。

课程教学内容重理论轻实践教学。对课程中的电气控制部分教学，仅重点介绍电气控制线路识图、制图、电器部件选型等内容；对于课程中的单片机技术教学，未考虑具有较高实际需求的自动化控制问题，仅重视单片机编程指令介绍。

传统课程教学时，集中讲解教材内容的知识点，通常情况下讲解的内容过于抽象，课堂讲授内容时仅考虑理论教学内容，并未将理论内容与实践内容相结合，未充分引入实验内容，无法实现教学内容的理论与实践内容的一体化教学。目前，单片机实验应用中通常选取插线式实验装置，学生动手实际操作内容较少，无法实现电子元器件的实际工程应用，降低学生的实际应用水平培养，学生学习课程后无法获取良好的实践知识，学习教学理论知识过于抽象，无法良好理解知识内容。

3)缺乏教学模式的创新

目前，课程教学虽采用PPT等方式授课，改变了传统的板书教学方式，但该课程具有较高的实践性，涉及理论范围较广，传统教学模式无法展示新工科背景所需的全方位和多角度教学特征。

传统教学模式过去以课本为主，课程内工程应用以及基本原理过于表面化和概念化，缺乏与时俱进的工程实践应用视频库以及相关应用案例库，课程较为单调与枯燥，缺乏生动性，导致学生们学习兴趣较低。目前课程教学方式仍以教师授课、学生听课为主，教学课件包含较大信息量，过多的教学内容以及紧凑的教学课时，令学生具有较低的逻辑性，学生上课过程中过于疲倦，降低原有兴趣，学习效率较差[8]。课程中所包含实验操作案例较少，并未充分考虑工程应用，工程实践教学能力较低，学生不具有自由发挥空间，课程缺少实践时间，无法发挥实际应用性能。

4)校企融合度较低

目前的高校与企业联系较少，未重视学生的实践性，校园与企业之间的融合度较低，令课程发挥水平较低，无法满足单片机原理与应用课程的工程应用与实践需求。

3 新工科背景下理论教学方法改革与实践

针对目前单片机原理与应用课程教学过程中所存在问题，结合新工科背景，充分考虑工科院校以及应用型企业需求，结合高校应用型本科建设，以培养具有创新能力、实践能力水平学生为目标，提出新工科背景下单片机原理与应用课程教育方法改革与实践内容。通过不同方向的理论教学方法改革与实践，提升学生的综合素质，使学生具有较高的实践创新能力，成为创新型人才。

3.1 优化教学手段

课程教学时可将学生分为不同小组，将课程理论与实践相结合，优化教学模式，通过设置问题导向发掘学生学习与思考能力，实现教学手段优化，提升教学效果。课程中电气控制教学过程中包括众多电气元器件相关内容，可将电气元器件实物代入课程中，将实物与结构原理图相结合，通过多媒体教学和图片等教学手段实现课程教学；课程中控制电路和主电路教学过程中，可将视频、成品、多媒体、动画等众多手段相结合[9]，提升课程生动性；课程中单片机教学部分中，应充分考虑单片机理论知识，通过视频、多媒体等手段讲授单片机应用背景与原理；课程中编程调试部分，可通过硬件编程调试、单片机软件仿真等方式实现教学。通过综合教学手段，将较为枯燥的理论知识生动化，令教学内容更加形象简单，提升学生学习兴趣，实现最终教学目的。

国家近年来重视教育改革，不断压缩工科院校各专业课程学时，高校需在较少学时内完成教学大纲内课程内容，教学效果下降明显，通过丰富教学手段可提升学生对理论知识的接受能力，提升教学效率。

目前，多媒体教学方式已应用于教学手段中，不具有创新性，可从多媒体课件创新提升学生学习兴趣，课件内容展示方式以及课件内容应进行充分研究。讲解课程中单片机内容时，仅通过PPT讲解，学生无法扩展至单片机如何获取指令和数据如何变成各项指令，通过动画形式展示，缩短学生理解CPU解译与指令的时间。让学生在网络中搜寻电器元部件，以课堂讲解方式，锻炼学生的实践水平扩展学生视野，提升教学效率。目前虚拟现实技术发展迅速[10]，可将众多虚拟现实技术等高科技技术应用于课程教学中，丰富学生课堂学习内容。学生还可以通过精品课程和网络论坛等方式学习课程相关理论知识。

3.2 改革考核方式

学生的课程学习情况可通过课程考核检验，课程检验结果可体现学生的学习方向。课程教学方法的改革和实践可为学生提供良好的学习环境，考核方式可作为评价学生课程学习效果的重要标尺。单片机原理与应用课程具有较高的应用性，通过考核方式的改变可提升学生的学习积极性。课程教学方法改革与实践中课程考核方式极为重要，可改变学生的点名方式，以往通过点名册方式点名，学生所缺课程无法补课[11]，学生容易产生懈怠感。通过屏幕的Excel表格方式点名，学生可明确该课程缺课情况，监督与提醒专业课程同学。

传统课程教学中期末考试与平时分数比例为7∶3，理论课程占最终成绩比例较高，学生过于重视教学理论课程，忽略实践动手能力和实验课程。新工科背景下课程理论教学方法改革与实践应重视实践动手能力，选取理论实践一体化教学方式，充分结合理论知识与实践动手能力，针对现有考核方式进行深层次改革。改革后的考核方式应将实践动手能力作为重点导向方向，各实践单元可依据平时成绩∶理论考核∶实践操作∶创新能力∶实践报告为1∶2∶5∶1∶1的比例进行考核。将教学配合程度、团队协作能力、平时考勤部分作为平时成绩考核内容；将课程内容中的理论单元知识作为课程最终理论考核部分；将元器件检测、选择、安装以及电气线路接线、布置和编制单片机程序以及控制柜和配电箱制作、相关硬软件调试作为考核部分，培养学生的工程管理以及图纸绘制等方面，利用学生的理论知识综合运用水平以及创新能力考察学生学习水平；从学生实践报告的格式规范程度、报告深度等方面考察学生实践报告部分。针对考核成绩不过关的学生，应采用补考与重修方式重新考核学生。考核成绩为优秀的学生，可推荐该学生参与大学生创新创业训练计划、企业实习等，提升学生创新能力以及学习能力，令学生从课程中获取丰富的理论知识和实践水平。

3.3 建设校企合作的产学研平台

新工科背景下，校园与企业合作是培养创新性人才的重要途径，提升学生实践水平的重要方式，该课程理论教学方法改革与实践可通过建设产学研平台实现，该教学方式已成为新工科背景下创新发展的重要部分，为学校提供实训平台。学校通过企业提供岗位和实训平台，企业可通过学校提供人才培养基地和实验创新基地，二者实现良好结合，实现共赢[12]。

新工科背景下极为重视创新型人才的培养，校园与企业合作研究科研项目，企业与校园分别提供经费和人才，实现共同进步的创新技术。该方式可将学生的创新结果通过企业生产经营中体现，促进企业生产与发展。产学研平台如图3所示。

图3 产学研平台

新工科背景下，校园与企业合作培养创新型人才，利用双方合作，通过企业所提供众多方面的支持，将学校所学理论知识转化为创新型技术和科研成果。

3.4 加强教学创新

新工科背景以培养创新型人才为目标实现教学方法的改革与实践，时代不断变化，教学方式不断改革，教学方法需时刻创新才可适应时代变化。

教师是教学方法改革与实践的主导者，高质量的师资教学队伍建设可培养良好学风，通过教学形式的创新提升教学水平和教学效果。高校教师可从讲授课程、学术交流、编写教案以及专题研讨等方法提升自身素质，从而培养学生的创新水平。

单片机是变化极快、需适应时代变化的电路集成芯片，教师应积极参加与单片机和电气相关的学术团体会议以及产品发布会；学校应该鼓励学生积极参与全国性技能竞赛、各项科研活动和学生的科技创新活动，通过众多活动提升学生的实践经验[13]，积累理论知识，教师通过参与众多活动积累众多教学素材。学校应为高校教师提供众多考察和进修机会，令教师拓宽眼界，积累丰富的教学经验，培养正确的教学理念。

新工科背景下创新型教育是高校的重要教学目标，培养创新型人才可提升国家生产力和发展水平。课程教学过程中，学生通过该课程学习，将单片机思维应用于生活中，利用单片机思维解决控制相关问题。高校可将设计性、综合性等项目应用于课程设计选题和作业中，使创新型人才培养贯彻于课程全部生活中，培养学生动手和动脑能力。课程应通过实验室等方式培养学生参与科技创新活动，提升学生的创新素质，为高校课程教学创新提供动力，通过高等教育创新教学方式提升学生学习素质。

课程的教学创新和改革是培养课程生命力的源泉以及推动课程发展的重要方式。教师从根本上实现创新，学生才可深层次明确单片机原理、实际应用方法，通过众多实践创新能力明确单片机制造方法，令单片机应用于更多控制系统中，通过教学方法改革与实践培养众多高素质创新型人才[14]，令所培养人才满足新经济、新产业、新技术发展需求。

3.5 建立实践教学体系

该课程可通过课程设计、课程实验、毕业设计和科技竞赛几方面推动实践教学，不同教学环节存在较高独立性，并且可实现从简至繁的循序渐进学习，使学生通过该课程学习具有较高工程实践能力。该课程实践教学体系如图4所示。

图4 实践教学体系

具体分析该课程实践教学体系如下：

1)课程实验平台

所研究课程主要包括综合型、设计型以及验证型实验，学生们学习单片机的工作原理，并通过内部资源和外部资源来巩固加深此课程知识。学生可通过Keil集成开发环境和proteus仿真平台实现课程所需软件和硬件的联合调试。学生将理论知识转化为实践应用可通过设计型实验实现，设计型实验可提升学生学习理论知识兴趣，学生通过设计实物提升成就感，培养学生学习热情。课程的功能模块、单元电路和单片机应用系统的设计可通过综合型实验完成，通过综合型实验提升学生对于所学课程的综合使用水平。

2)课程实训平台

学生可通过课程实训平台明确单片机等电气元器件实物的运用。教师通过该平台布置课程实训任务，将学生分为不同小组，各小组分配不同任务，学生可充分利用网络、图书馆等资源查阅资料，设计系统方案和电路图。不同小组可通过对比与讲解方式获取最终合理方案，实现仿真电路绘制，依据所绘制电路制作实物。学生可从购买至焊接组装实现系统全部设计，培养实践能力。制作过程中对于较为贵重的电子器件可选取插拔的连接方式，避免电子器件浪费[15]，提升可重复利用率。

课程实训是课程教学内容中极为重要的实践环节，可提升学生学习单片机系统的整体性，课程实训可将课程中包括的各项零散内容高效结合，依据教师所制定设计题目，对单片机课程相关内容有效练习，为毕业设计提供基础。

3)科研创新平台

学生的科学研究水平和创新思维可通过科研创新平台实现，高校教师可充分调动学生利用该平台共同研究科研课题，建立创新型实验项目，学生可将所研究实验扩展为毕业设计题目。高校教师应充分利用该平台，鼓励高校学生积极参与众多课程相关竞赛，通过竞赛培养学生综合运用专业知识的能力，学生在各项竞赛中取得成绩将提升成就感，推动创新型人才培养步伐。

3.6 实验验证

为了验证新工科背景下单片机原理与应用课程理论教学方法改革与实践的可行性与有效性，设计了对照实验。随机选择同一所学校学习《单机原理与应用》的80名学生，分为2组，每组40名学生。一组采用基于单片机原理与应用理论教学的改革方法，一组采用原始教学方法，分别对《单片机原理与应用》的教学课程实验，授课教师保持一致。统计两组学生的期末考试成绩，结果如表2所示。

表2 实验效果对比

由表2可知，不同教学方法下成绩差别较大。实验组比对照组平均分高10.3分。不及格率，实验组比对照组低了29.82%；优、良、中、及格成绩，实验组比对照组分别高2.38%、19.52%、7.42%、2.78%.结果表明，经过基于单片机原理教学改革方法后，可有效提高教学成绩，说明“新工科背景下单片机原理与应用课程理论教学方法改革与实践”具有一定的可行性与有效性。

4 结论

新工科背景是以产业更新和经济发展为背景，具有较高的动态性。新工科背景下针对单片机原理与应用课程改革与实践对于培养应用型人才、推动工程教育发展具有较高意义。新工科背景下单片机原理与应用课程理论教学方法改革与实践需以学生作为主体，通过教学模式等方面改革与创新，获取更高的教学效果，并且通过实验验证了本文中的方法对其他课程同样具有的有效性与可行性。

单片机原理与应用课程改革与实践需重视校企合作模式、强化产学研平台，充分考虑各大高校培养人才需求，实现新工科实践教学高效改革。所研究课程理论教学方法改革与实践同样可应用于其他课程改革与建设中，具有较高的借鉴效果。