新工科背景下单片机原理及应用课程教学模式改革研究

李晓娟 李建科 胡良 曾文献 王亚超

摘 要：以加强课程建设培养新工科人才作为出发点，激发学生兴趣为导向，并结合课程思政的建设目标，通过引入大学生电子设计大赛和蓝桥杯大赛中的代表性案例，采用竞赛项目驱动教学模式，实现“教师讲授为主”转变为“学生参与为主，教师指导为辅”的教学做一体化的教学模式。教学内容上将专业知识与思政元素有机结合，赋予专业知识思政价值导向，加强学生人生观与价值观的引领，要求“学为学、学为人”，通过情操陶冶达到培养高尚人格的目的。通过采取过程性考核机制，充分融入明辨性思维能力培养，提高学生的综合能力。

关键词：教学模式改革；PBL；单片机；过程性考核

1 概述

随着大数据、“互联网+”等先进信息技术的快速发展，智慧教学已经进入传统课堂，成为教师不可缺少的教学手段［1］。单片机原理及应用课程是一门应用性和实践性极强的课程，集合了C语言程序设计、数字电子技术和电路与电子技术等多门课程的重要知识点。该课程不仅包含基本概念、基本原理等众多知识点，逻辑性强且内容抽象，还具有理论与实践、软件与硬件多重结合的特点。传统的以教师讲解为主，学生被动式接受的授课方式已经暴露出诸多不足，不能满足教学提升的要求［23］。主要表现在以下几个方面：首先是学生学习过程中没有学习动力，普遍反映课程理论知识的讲授枯燥乏味，实验课程的教学形式过于单一，大部分实验项目通过Keil C和Proteus仿真软件实现，学生动手能力得不到锻炼；其次表现在课程铺垫与课程实践环节的缺失，课程内涵和外延不够丰富；最后是考核方式过于单一，无法有效地反映学生综合表现。以上问

题导致该课程的教学已经无法满足当前工科类专业应用型人才培养需求。为了满足国家智能制造2025发展规划的要求，单片机原理及应用课程对基础芯片应用能力的培养水平还需要更进一步的提升［4］。

在新的教育时代，每一位一线授课教师还要认真领悟习近平新时代中国特色社会主义思想及十九大精神。课程教学要实现教书育人，新工科人才的培养需要做到德才兼备。德育培养不仅是思想政治类课程的职责，每门课程也都应该结合自身的课程内容，充分发挥其思政育人的功能。单片机原理及应用课程是一门主要讲授单片机芯片应用与编程的课程。单片机系列芯片属于高科技芯片产品，我国在芯片研发上与国外仍存在一些差距。因此，本课程的思政内容切入点从芯片核心技术入手，并引入一些为祖国发展辛勤付出的科研工作者事迹等。为了改进单片机课程的教学效果，并实现相应的培养目标，必然要进行课程改革和建设。教学改革中我们坚持以培养学生实践动手能力为主线，将教、学、做一体化教学模式有机融入“雨课堂”“学习通”等智慧教学平台，从教学资源设计、教学活动组织、课程思政内容融合、过程性考核4个方面进行深入研究探索，形成一种知识学习离散化、技能掌握集中化的线上线下混合式教学模式，以适应企业对人才培养的需求。

2 单片机原理及应用课程教学模式改革

2.1 理论教学模式改革

传统教学中重理论而轻实践，通过引入有较大影响的全国电子设计大赛和蓝桥杯大赛中的代表性案例，采用案例驱动教学（PBL）模式，通过“杂”问激发学生的思考兴趣、引导构建问题框架；通过“精”问引导技术方案思考、确定技术方案可行性；最后通过“追”问攻克技术实现的难点、审视和反思技术方案，实现由“教师为主”转变为“学生为主导，教师为辅导”，形成图1所示的教学做一体化的教学模式。单片机课程的讲授不能再是老師的一言堂，不能再是填鸭式教育，教与学要形成双向的，老师应充当一位引领者，引导学生进入知识领域，教会学生寻求和探索知识。全方位开展启发式讲授、互动式交流、探究式讨论的课堂教学改革，加强师生和生生之间的深度交流对话，启发学生独立思考，激励学生勇于、善于表达，进而促成学生明辨性思维能力的提高。

授课过程中采用丰富的教学案例（物品分拣搬送装置、自动循迹小车、四旋翼自主飞行器探测跟踪系统等）来分析所涉及的单片机原理及应用相关知识。学习主要围绕“初步接触→产生兴趣→深入了解→理解掌握→简单实践→熟悉操作→加深认识→应用创新”几个维度展开，打破教学过程脱离实际的人才培养方式，让学生尽早接触工程现实问题，增强学生的创新能力和意识。同时，在专业知识学习过程中，将前辈先贤的事迹融入理论授课过程中，将“九层之台，起于累土”的精神传达给学生，强调基础理论知识不断积累的重要性；“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，从国际芯片发展及应用现状出发，激发起每一名同学的深切爱国主义情怀，提升他们的主人翁意识，树立起学生学习先进技术的目标；“不积跬步，无以至千里”，培养学生艰苦奋斗的工匠精神和敬业意识，激励学生热爱生活、热爱学习，自觉形成良好的学习习惯和道德情操。

除了课堂上充分融入思政元素外，课下积极开展教师思政意识加强工作，进行课程思政团队建设。以增强教师队伍育人意识与育人能力为核心目标，通过创新实操训练、思政教学常规训练和科学的思政队伍评价体系，从德育素养培养入手，全面提高教师队伍的整体思政意识，促进“课程思政”团队建设工作健康发展。创建互帮互助、合作发展的思政教师与专业教师合作发展模式，实现课程“1+1>2”的建设效果。厘清教学内容与思政元素的对应关系，优化课程教学内容，在专业教育中找准思政教育的切入点，做到潜移默化，寓教于乐。同时，要紧紧围绕课程教学的思想目标，在梳理两者关系的过程中，注重教学内容与主流价值的同频共振。

2.2 线上平台扩展教学

单片机课程采用线下教学和线上学习相结合的混合教学模式。线上课程包括课程相关视频、章节参考文献、章节练习测试题、科技前言技术介绍、案例展示及讨论交流等几个环节。通过数字课程建设，学生的学习时间和地点将不再限制于课堂和实验室中，打破时间和空间的限制。通过学习平台线上学习与提问，讨论区发帖、回帖等方式解决学生理论学习中的困惑，实现多维交叉的时域与空间域，让学生找到个性化的学习方式，适合于自己的习惯。课程教学实现了从普惠教育向以学生为主体，普惠+个性化培养相结合的现代化教学生态的转变。

课程视频将每一章的知识点分割成若干个小节，为同学讲解基本原理及模块设计思路方法，同时配备有实际操作演示。每个章节提供相关的参考文献帮助同学详细阅读理解，扩展知识面。练习测试题则强化巩固所学习的知识点，检验学习效果，有助于进行线下动手实践。通过线上同学间、师生间的学习交流及同学作业的互评机制有助于学生开阔思路，活跃思维。将单片机系统发展的前沿科技进行录制，同时将教学过程中的经典项目案例和先进技术应用案例等视频在视频网站上录播，为学生多手段、多频次、多途径地展示先进单片机系统的场景应用案例。拓宽学生的视野和知识面，引导学生认真思考，主动参与，将实践与创新有机融合，使学生认识到学海无涯，任何知识都可以深入挖掘，学得更细、更深、更广，增强学生毕业后社会适应的能力。

2.3 实验课教学模式改革

传统实验课程存在教师设计多、学生分工合作及主动创新少，以及课程设计与大型实验项目限定条件多、学生自主发挥独立思维余地少等问题［56］。通过借鉴全国/省级大学生电子设计大赛、蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛的理念，打破实践教学中存在的演示性和验证性实验多、综合设计性实验少的局面，构成图2所示的实验教学体系。实验教学内容将结合大学生电子设计竞赛，用比赛来调动学生的积极性。

将全班学生划分为多个设计小组，组建形成学习团队，根据竞赛项目案例进行团队小组实践教学，协作完成设计任务。协作过程中，小组同学可取长补短，在提高效率的同时，让学生学会团队协作，学会权衡集体价值和个人价值，增加学生们的团队合作精神和协作能力。实验课后期组织学生们参加河北经贸大学举办的智能车挑战赛，将课堂上获取的理论知识熟练地应用到实际的工程项目中，深化理论知识，便于学生学以致用，锻炼学生的钻研精神，达到培养学生项目方案设计、单片机系统搭建及程序编写等综合能力的目的。

2.4 课程考核模式改革

传统单片机课程的考试内容局限于课本中的基础理论知识，综合多个知识点的设计型题目较少，通过利用现有的全国大学生电子设计大赛和蓝桥杯大赛案例，选取实际型和综合型较强的案例，增强對学生分析问题和解决问题能力的考核，形成图3所示的基于过程性考核的机制，适当减少期末成绩的占比。同时，在期末考试中，减少基础理论知识和简单章节实验编程题的占比，增加设计型实验题目。通过采用PBL项目，增强学生们的主角意识，同时提高学生的探究能力、逻辑、科学分析和解决问题的能力、个人或团队思想及成果的展示能力、团队协作能力及知识归纳能力等。

除此之外，还要让学生通过分组的形式自由展示单片机应用领域的科技前言报告，以加强学生的团队协作能力。小组成员课下共同完成题目的选择、参考文献的搜集、PPT的制作，课上分享论点及答疑与展示，充分调动学生的学习积极性、主动性与探索性。从选题、遇到问题、思考与讨论、解决问题，到课堂展示工程问题的单片机知识相关原理、关键问题及可能的解决方案这一过程，就是学生深入理解与掌握科技前言技术的过程。最后，根据学生理论课、实验课及线上互动平台的参与度，对项目的解析答辩效果、科技前言报告展示等过程性表现，综合评定平时成绩。

结语

为了加强新工科人才的培养，本文将竞赛案例、明辨性思维和课程思政内容融入单片机原理及应用课程的教学中，以激发学生兴趣、引导学生自主思考和探究为导向，进行了教学改革探讨。自本教学项目改革以来，课题组教师对课程教学大纲、教案和实验大纲进行修订，教学方法和考核方式有了很大改善。通过引入雨课堂、学习通等信息手段，开放单片机实验室设备，使学生与实验箱/开发板“直接对话”，激发其学习激情，化被动学习为主动学习，对学生后续专业课学习、毕业设计书写及就业能力提升大有裨益。

参考文献：

［1］马清.“互联网+”下高校智慧课堂教学模式设计研究［J］.电脑知识与技术，2021，17（26）：228229+242.

［2］姜忠爱，蔡卫国，牛春亮.单片机原理与应用教学模式与课程思政改革研究［J］.高教学刊，2020（09）：129131.

［3］石晶瑜，刘东升，张丽萍.“课程体系—实验—课外科技活动”三位一体提升程序设计类课程质量［J］.计算机教育，2010（07）：102104.

［4］孙柏林.中国“智能制造”发展之路——《智能制造发展规划（2016—2020年）》解读［J］.电气时代，2017（05）：3944.

［5］郭云林.重视电子竞赛推进教学改革［J］.电气电子教学学报，2003，25（1）：6366.

［6］王彩红，焦素敏.基于OBE理念的电路与电子技术课程建设研究［J］.教育教学论坛，2020（35）：262263.

基金项目：国家新工科研究与实践项目，面向新财经的信息技术新工科发展模式探索与实践——以河北经贸大学为例（项目编号：EJSJRJ20201310）；河北经贸大学校级教学研究项目，新财经背景下单片机原理及应用课程教学模式研究（项目编号：2021JYY42）

作者简介：李晓娟（1987— ），女，汉族，河北衡水人，博士，讲师，研究方向：人工智能、高等教育。