基于单片机原理与应用的一流本科课程建设研究与实践

朱玉红

(兰州工业学院 教学质量管理处，甘肃 兰州 730050)

课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量[1]。深化教育教学改革，必须把教学改革成果落实到课程建设上。我校机械设计制造及自动化本科专业开设“单片机原理及应用”课程，授课对象是三年级本科生，至今已开设10年。一直以来，课程组老师在多年的教学积累的基础上，系统总结了该课程教和学中存在的短板、瓶颈问题，对标应用性人才的专业培养目标和一流课程高阶性、创新性、挑战度“两性一度”的要求，开展了课程建设和教学改革的实践。

1 课程教学存在的主要问题

经过多轮的教学实践与反思，总结出“单片机原理与应用”课程教学中存在如下教学症结：一是学时少，内容多，学生感觉课程内容抽象难懂。机械设计制造及自动化专业该课程理论教学时数仅36学时，实验4学时。但教学内容比较多，若按传统满堂灌的教学方式，学生难以消化学习内容，学习兴趣不高，产生畏难情绪，课程进行到接口技术相关内容时，学生反映基本在听“天书”，课程卷面及格率低；二是教师只完成了“教会”，而忽略了学生是否“学会”与“会用”。老师一味地注重完成教学时数，完成讲课内容，无暇顾及学生是否掌握知识点，学会应用；三是只注重课堂教学，没有调动学生课外学习思考的主动性和积极性等。学生对学习内容因不懂而产生畏惧心理，失去对课程学习的积极性和主动性[2]。而唯一可以让学生动手实践的实验课仅在单片机实验平台连线，缺少线路设计环节，致使实验教学收效甚微。例如，机械设计制造及自动化专业实验学时4学时，仅做两个实验项目，没有安排课程设计环节。本课程教学过程中所凸显出的产出不明、内容陈旧、手段单一、重教轻用、学而不会用的问题迫切需要解决。

2 更新教学观念，修订课程教学大纲

2.1 更新教学观念

树立“以学生为中心、产出导向、持续改进”的先进理念。首先教师要不断学习单片机应用的新技术、新知识，开阔专业视野，更新专业知识结构，扩大专业知识面，提升专业水平，这样才能更好地扮演组织者、引导者、解疑释惑者的角色[3]。其次，教师自我评价教学效果，要从学生知识点的增长、分析思考问题的思维能力或解决问题的综合能力是否得到提升的获得感的角度进行评价[4]。再次，根据学生喜欢动手操作和制作，反感纯理论知识灌输的实际情况，结合教学内容，教师需要设计一些小的动手制作的题目，要求学生利用课外时间完成题目，通过动手实践消化理论知识，完成学习要求[5]。做到本次课程的学习让学生在课外下一番功夫，才能达到课程目标。

2.2 修订课程教学大纲

依据专业人才培养方案，对接企业岗位技能要求和职业素质需求，确定课程教学任务，形成知识、能力、素质三维课程目标体系。一是明确了课程教学任务。通过课堂教学、实验教学、软件仿真和实物制作等环节，以MCS-51单片机为背景机，使学生掌握单片机基本知识、Keil C软件编程、 Proteus软件仿真、中断系统、定时/计数器、并行I/O端口、串行通信接口、单片机系统扩展、常用外围接口芯片、单片机开发板设计、PCB印刷电路板设计等知识。掌握单片机系统各主要环节和应用特点，为后续学习数控加工设备、智能制造等机械自动加工控制技术打下必要的基础。二是确定了课程目标。课程目标包括知识与技能目标和思政育人目标两部分。知识与技能目标主要内容：掌握单片机的基本结构与工作原理。熟悉单片机人机接口和指令系统，培养学生根据机械工程问题扩展人机接口并编制控制程序的能力；理解单片机的工作和应用特点，培养学生将单片机控制技术应用于机械产品的总体方案设计中，提高机械产品的自动化、智能化程度；熟悉单片机的性能特点，培养学生根据机械产品的控制要求和性能指标确定单片机实验方案和进行实验的能力，并根据实验结果分析机械产品控制方案的合理性和可行性的能力；掌握Keil C软件编程、 Proteus软件仿真等专业知识，并通过文献检索、资料查询及运用现代技术获取信息的方法，对机械控制类的工程问题进行识别、表达和分析，以获得有效结论，培养学生问题分析能力。实现对C语言编程程序的逻辑分析及修改改进；掌握单片机开发板设计、PCB印刷电路板设计等专业知识，能够针机械控制方面的问题，确定合理的设计目标和解决方案，设计满足需求的控制单元(部件)、系统或相关工艺流程，解决工程问题，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素，提升学生设计、开发机械控制系统的能力。思政育人目标主要内容：通过融入课程思政育人元素，厚植家国情怀、社会主义核心价值观和社会责任感；培养学生具备从事单片机技术相关行业工作的专业素养、文化素养和团队协作精神，塑造专注、创新、完美的工匠精神；结合目前国际国内单片机技术的发展趋势及现状，培养学生基于单片机技术的设计、开发与创新创业能力。三是建立了课程目标对毕业要求的支撑关系。

图1 课程目标制定逻辑框图

3 课程与教学改革的主要举措

3.1 立足“两性一度”，优化教学内容

一是改变单纯汇编语言编程内容，引入C语言在Keil C软件中编写程序。采用Proteus ISIS电路设计及仿真软件，在软件中直接调用设计所需电子元器件，通过连线即可实现单片机系统电路原理图设计。采用Keil C软件编写单片机系统所需程序并调试。将Keil C软件编写程序装载到Proteus软件中的单片机中，联合仿真，检查是否达到设计预期效果。三是重组教学内容，将指令系统、汇编语言程序设计、半导体存储器的内容归为一个模块内容。将中断系统、定时计数器、接口技术等内容归为一个模块；三是紧跟前沿，结合技术发展持续改进更新内容，注重实际应用案例引入，做到理论教学对应应用案例，例如，基于公话网的单片机远程数据传输系统、单片机控制的全自动洗衣机、交通灯控制、步进电机控制系统、水塔水位控制系统、电脑时钟、USB数据传输、条形码应用等应用案例。使学生获得大量单片机应用开发经验。四是课程实验由原来的单片机实验平台连线完成，改革为采用电路设计、程序编程和电路板焊接方式开展，增强课程实践性，达到学生可以独立制作单片机测控系统电路板的教学效果。五是注重课程思政，积累课程思政案例，实现课程育人功能。六是丰富了教学资源建设。建有多媒体教学课件1套、30个应用开发案例、试题和练习题库1套，MOOC、精品资源等网络课程资源，建有单片机创新应用零起点工作室。

3.2 立足“两性一度”，改革教学模式

一是采用动画技术优化教学PPT，使教学内容呈现效果形象生动。二是采用理论教学与应用案例开发演示相结合的方式教学，每学一个知识点，对应一个案例开发，增加学生开发应用经验，提升知识应用能力。三是课堂教学与课外一人一题实物制作相结合，增加学生学习度。四是延伸课堂教学，使课程教学与学生创新创业教育、学科竞赛结合起来。创建单片机创新应用工作室——零起点工作室，积极组织学生进行智能产品制作、单片机应用开发训练，促进学生的应用创新能力的培养，让学生学起来，动起来，增加学习的挑战度。

3.3 立足“两性一度”，完善课程评价方式

设计了课堂讨论小组闯关练习；课中实验完成；课后质疑答题；课外作品制作等多种形式的形成性评价，完善过程评价。课程考核及分数占比情况为：过程考核50%、课外实物制作20%、期末考试20%三部分构成。其中过程考核构成及分数占比为：课堂闯关练习10%、作业练习20%、课堂实操练习30%、课堂考勤10%、课程实验30%。侧重对课程实施后达到结果和学生的成长性评价，关注学生的学习是否有参与、收获和发展，实现了与课程目标达成的期末考试总结性评价。

3.4 立足“两性一度”，组织实施课程教学

本门课程依据课程大纲组织教学实施，如图2所示。课程教学按照成果导向教育理念进行教学设计，开展课程教学组织与实施。实现“低、中、高”三个维度教学目标：即“记忆、理解”的低阶目标，侧重于对基本知识的初步掌握。“应用、综合”的中阶目标，侧重于理论应用于实践的训练。 “创新、实践”的高阶目标，侧重于创新思维和实践能力的训练与提升。形成课堂讲练结合实现基本能力训练+课程实验实现理论联系实际应用思维和动手能力训练+课外实物制作实现创新思维和应用实践能力训练的进阶式教学模式。

图2 教学实施过程

按照课前+课程中+课后+课外四方面组织实施教学。课程开课前，教师要进行学情分析，查阅单片机课程前导课程试卷分析，了解学生知识薄弱点，布置学生预习内容和网络资源课的学习内容，同时在课程教学中加强薄弱内容的教与学；课程在教学过程中，采用探究式课堂和讲练结合方式，按“理论知识精讲+案例讲解+分组讨论+闯关练习+总结精讲”的小循环模式，有效建立起案例驱动+探究研讨+动手动脑的课堂教学环境。通过小组研讨，让学生通过团队合作交流沟通，让学生合作意识强起来。教学过程中设计课堂思政环节，起到融物细无声的育人作用；课程中完成规定的实验内容，增进对理论知识的理解掌握，提升软件设计和单片机功能部件的应用能力；课后布置作业和网络资源学习内容，学生巩固学习内容；课外要求学生每人完成一个单片机控制实物制作，从绘制原理图、购买元器件、制作电路板、编程与程序调试整个过程全由学生自己完成，适当增负，让学生课余忙起来，学生能力高起来。

4 课程建设成效

该课程进过多年的校级一流课程建设，以“两性一度”为建设目标，取得了一定建设成效。一是修订了课程教学大纲；二是建立了“低、中、高”三个维度教学目标：即“记忆、理解”的低阶目标，侧重于对基本知识的初步掌握；“应用、综合”的中阶目标，侧重于理论联系实际的训练；“创新、实践”的高阶目标，侧重于创新思维和实践能力的训练与提升；形成课堂讲练结合实现基本能力训练+课程实验实现理论联系实际和动手能力训练+课外实物制作实现创新思维和应用实践能力训练的进阶式教学模式；激发了学生的学习热情，让学生动起来、忙起来。三是提高学生考试成绩。学生卷面及格率基本稳定在87%左右。四是适当增负，调动学生学习积极性，课外一人一题实物制作完成率100%。五是学生参与第二课堂活动的兴趣和主动性大大增强。通过在零起点单片机工作室的练习和学习，学生参加各级各类学科竞赛获大学生创新创业省级项目4项，获得学科竞赛A类、B类竞赛省级奖项7项。发表论文4篇，实用新型专利4项。教学效果得到学生和教学督导广泛认可，起到较好的示范效应。

5 结语

智能化时代，技术的飞速发展和应用在一定程度上也对《单片机原理与应用》课程教学提出了新的要求，贯彻立德树人教育根本任务，立足“两性一度”进行课程建设是一项持之以恒、持续改进的工作。优质的课程才能实现专业人才毕业要求和培养目标，才能支撑高等教育教学质量的全面提高，培养学生成为服务于社会的创新型人才[6]。