“第二课堂”引领下的嵌入式课程教学探索与研究

王敏旺 邓利军

摘 要：现代社会对人才的创新意识和实践能力要求越来越高，高校培养学生的主要方法和途径是课堂教学，课堂教学传授知识效率高，但在培养学生创新意识和实践能力方面有明显不足。学科竞赛活动是培养学生创新意识和实践能力的主阵地，但参与竞赛活动的学生毕竟是少数，效率较低。为了提升学生创新意识和实践能力的平均水平，在车辆工程专业嵌入式课程中，将课堂教学和学科竞赛结合起来，即把学科竞赛融入到课堂教学中，优势互补，实现高效率培养学生创新意识和实践能力的目标。

关键词：学科竞赛；课堂教学；嵌入式；创新意识；实践能力

中图分类号：G642  文献标识码：A

1 概述

创新是促进社会可持续发展的最大驱动力，经过几十年发展，我国科学技术水平已有显著提升，但在一些关键技术方面仍面临着“卡脖子”的困境，具有创新实践能力的人才是影响科技进步、突破科技封锁的关键因素。高校的主要职能之一就是培养社会需要的人才，培养具有创新意识和实践能力的人才是现阶段高校教学改革的重要方向之一。［12］通过各種学科竞赛，高校培养了许多具有创新实践能力的优秀人才，但学生的创新实践能力的平均水平仍然较低，大部分学生的创新实践能力没有得到充分的锻炼和提升。

南京信息工程大学的唐镭将教学组织形式总结为“第一课堂”“第二课堂”和“第三课堂”三种类型。［3］“第一课堂”是班级集体授课，其优势在于知识传授效率高，容易组织实施，但弊端也很明显。“第二课堂”是学科竞赛活动，能够显著提升学生的创新意识和工程实践能力，但参赛的学生毕竟是少数，从培养人数来说效率很低。“第三课堂”是基于网络的虚拟课堂，正处于快速发展阶段，尚未达成共识。现阶段，“第一课堂”培养的大学生越来越不能满足企业和社会对人才创新实践能力的要求，“第二课堂”虽然能改善这个缺陷，但效率太低。通过“第一课堂”和“第二课堂”的深入融合，可以高效率、全覆盖地培养具有创新实践能力的大学毕业生。

陈新欣以大学生电子设计竞赛为契机，对电气专业的专业课程做部分改革，将电子设计竞赛融入平时的正常教学中，重视“323”课程教学，既要完成正常教学，又要达到电子设计竞赛需要具备的基本知识和技能的传授。［4］赵丽红将竞赛引入教学中，收集历届比赛案例，构建教学案例数据库，开展案例化教学，以达到“以赛促学、以赛促教”的目的。［5］以上两个案例都是将竞赛中的知识融入教学中，属于内容融合，既可以不断更新教学内容，又为学生参加竞赛奠定了基础。但内容融合缺少了竞赛的重要属性“赛”，只有在竞争中才能激发学生的创新意识，深化学生的实践能力。

本文探讨以“第二课堂”为引领，以培养学生创新实践能力为重要目标的“第一课堂”教学方法。从内容和形式两个方面，将竞赛融入到课堂教学中，实现课中学、课中赛。

2 课程基础

嵌入式系统是以应用为中心，以现代计算机技术为基础，根据需求灵活组织软硬件模块的专用计算机系统。汽车是嵌入式系统的主要应用场景之一，随着汽车智能化、电气化的发展，应用于汽车上的嵌入式系统种类更加丰富、功能更为强大。单片机原理及应用是学习嵌入式系统的基础课程，其主要内容为：单片机的基本结构、单片机工作原理、中断系统、定时计数器、串口等，以及一些常用的外设，如数码管、矩阵键盘、蜂鸣器、步进电机等。课程由理论课和实验课组成，以往的课时安排中，理论课时较实验课时多，学生的编程能力和单片机开发板应用能力没有得到充分锻炼。因课时所限，实验内容也只能聚焦于单片机系统的基本功能，难以开展学科前沿探索和解决汽车工程实际问题。课程教学局限于基础知识的学习，没有体现出对学生创新意识和实践能力的重点培养和提升。

本次研究以单片机课程为依托，以汽车嵌入式系统应用为特色，以工程认证毕业要求指标点为导向，将竞赛融入教学中，在发挥班级集体授课培养效率高的基础上，弥补班级集体授课在培养学生创新实践能力方面的不足。单片机系统易于操作，价格便宜，因其能充分锻炼学生的工程实践能力和培养学生的创新意识，许多学科竞赛都与单片机系统有关。相比于其他课程，单片机课程更易于与竞赛结合。竞赛的题目来源于实际工程项目，结合了学科前沿技术和社会热点。在竞赛的引领下，持续地将新知识、新技能更新和优化到教学内容中，学生既掌握了基础知识，也能紧跟时代潮流。

学生参加竞赛的高峰期是大学一年级和二年级，进入大学三年级后，开始专业课程的学习，学习任务繁重，同时很多同学也开始了研究生备考。车辆工程专业中单片机课程为专业限选课，开设于第5学期。将竞赛引入课程，可以继续发挥竞赛在培养人才创新实践能力方面的优势。在大学前两年里，主动参加竞赛的通常是班级里比较优秀的同学，通过参加竞赛，这些同学的创新实践能力得到了锻炼，变得更加优秀，但更多的同学并没有参加竞赛，竞赛这项活动也很难做到覆盖所有学生。课堂教学活动与竞赛有显著区别，所有学生都必须参加课堂教学，在课堂教学中引入竞赛环节，这样就能让所有的学生都能参与到竞赛中，有效地把课堂培养效率高和竞赛培养学生创新实践能力的优势结合起来，所有学生的创新实践能力都能得到锻炼，提升学生创新实践能力的平均水平。

3 实施方案

在“第二课堂”的引领下，从内容和形式两个方面对传统教学进行调整。在教学内容上，不断地将竞赛中出现的新知识、新方法、新理念更新到日常教学中，使教学内容能够紧跟行业发展。在组织形式上，引入课内竞赛，采用相对评分，针对性地锻炼学生创新实践能力。

为了能够开展课内竞赛，需要对课程进行调整。将竞赛引入课内，相比于传统教学，增加了课内的学习内容，也增加了课内的实验内容，因此需要对课程内容和学时安排进行调整。单片机课程中的部分内容较为简单，学生自学就可以掌握，可以调整到课前学生自学完成。课前发布自学指南，学生根据自学指南进行自学并完成自学笔记，同时将自学过程中难以理解的问题记录下来，以自学笔记的形式考核学生的自学效果，可以避免自学流于形式。部分内容转移到课前，课堂上就留出了时间，可以用于学习新增的竞赛相关内容。单片机课程有48学时，其中32个理论学时、16个实验学时，实验学时偏少，不足以支撑课内竞赛的开展。增加单片机实验学时所占比例，将课时调整为16个理论学时和32个实验学时，更多的实验学时可以给学生更多的实践机会，也更适合于开展课内竞赛。

大学生学科竞赛项目繁多，内容丰富。与单片机及汽车嵌入式系统相关的竞赛约有15项，其中A类竞赛13项，B类竞赛2项。其中，全国大学生智能汽车竞赛与单片机课程和汽车专业结合紧密，并且智能汽车结构相对简单、价格便宜，也适于在课程中应用。因此，选择全国大学生智能汽车竞赛作为课程融合的主要对象，将竞赛的内容和形式都融入课程中。智能汽车竞赛包括竞速比赛和创意比赛两大类，竞速赛按难度分为9个组别，适合不同水平的学生参赛，其中四轮电磁组和四轮摄像头组适合在课堂上开展。四轮电磁组可以使用电磁传感器和光电传感器检测赛道，赛道上铺设电磁引导线，车模在赛道上运行两周后返回车库。四轮摄像头组可以使用红外光电传感器、摄像头、超声传感器检测赛道，赛道采用黑色边线，车模从车库出发在赛道上往返一周后返回车库。这两项竞赛中使用的电磁传感器、光电传感器、超声传感器等部件原理简单、价格便宜，适合在课堂上进行学习和使用，以这两个组别作为课内竞赛的主要参考对象。

以汽车嵌入式系统应用为特色的单片机课程内容可以分为两大部分，基础知识和工程應用。单片机型号层出不穷，但所涉及的基本工作原理并未发生较大变化，所以基础知识的更新速度较慢。单片机的应用场景随着时代发展及汽车产业的发展快速变化，为了能够让学生跟上时代步伐，满足社会需求，就必须对单片机课程中的工程应用部分进行持续更新。竞赛内容体现了实际工程问题，结合了社会热点和知识前沿，将竞赛内容转化为问题或案例，不断地更新到课程中，保证课程的新鲜度，使学生具备解决当前实际工程问题的能力。跟踪15项学科竞赛，把竞赛中出现的学科前沿知识和当前工程实际问题转化为知识点，融入单片机课程知识体系中，为培养学生的创新意识和实践能力打下基础。

为了在课内开展四轮车竞速比赛，需要将四轮车相关基础知识融入单片机课程中。依据单片机课程内容和课时要求，将四轮电磁组和四轮摄像头组竞赛要求简化，简化后四轮车主要由单片机最小系统、电机驱动模块、传感器模块组成。单片机最小系统采用C51系列单片机，与课程知识体系保持一致，通过进一步的深入应用，使学生达到熟练使用C51系列单片机的目的。电机驱动模块使用L298N芯片，驱动带减速机构的直流电机，L298N芯片工作原理相对简单，资料丰富，便于学生学习。传感器模块主要包含寻迹传感器和避障传感器，这两种传感器结构简单，便于安装。在课程中的单片机应用章节添加电机驱动模块和传感器模块知识点，作为基础内容在课堂上进行集中学习，为开展四轮小车比赛做准备。

单片机课程含有课内实验学时，以往的做法是开展验证型或综合型实验，在教师的指导下学生独立完成全部实验内容。在此环节引入竞赛机制，开展四轮小车竞速赛。竞速赛分为两个阶段，基础学习阶段和自由发挥阶段。在基础学习阶段，以四轮车可以在赛道上行驶为目标，设置多个知识节点，带领学生逐步掌握控制四轮小车的方法。在自由发挥阶段，以取得最短竞赛时间为目标，学生自己进行探索，此时老师身份发生转变，由引领者变为竞赛顾问，只在学生需要的时候提供必要的帮助。课程中的实验内容比较基础，在实验条件允许的情况下，通常以学生个体为单位，要求学生独立完成，这样能够保证每个学生都有充足的练习机会。四轮小车竞赛以小组形式开展，学生自由组队合作完成。相比于课内实验，竞赛的难度更大，以小组的形式开展可以提高效率，以利用好课堂时间。小组形式也能锻炼学生的团队合作能力，激发学生的学习热情。四轮小车竞赛采用相对评分，根据小组成绩在全班所处的相对位置进行评分，成绩最好的得分最高，成绩最差的得分最低。相比于绝对评分方式，相对评分方式能激发学生潜力，吸引学生不断探索，不断挑战更好的比赛成绩。适度的竞争可以有效提升学生的学习兴趣，促使他们去思考并寻找新的方法、新的思路以赢得比赛。

在竞赛的引领下，持续更新教学内容，开展具有竞争性的实验课程，使实验更接近于实战。将竞赛与课程在形式和内容上进行深度融合，在学生理解并掌握单片机通用知识的基础上，培养学生的创新意识，提升学生的工程实践能力，提升学生的团队合作能力。

结语

目前课堂授课仍为课程实施的主要形式，为了提升学生的创新实践能力，需要对课程内容以及组织形式进行改革。以“第二课堂”为引领，优化“第一课堂”的内容和形式，高效率、全覆盖地培养学生的创新实践能力。对课程内容进行创新，将竞赛内容不断更新优化到课程内容中，保证课程内容与时代同步。对组织形式进行创新，模仿全国大学生智能汽车竞赛，在课程内开展四轮小车竞赛并采用小组的形式，培养学生的创新实践能力和团队合作能力。这种方法适合于推广到其他与竞赛联系紧密的课程，发挥竞赛在培养学生创新实践能力方面的优势。

参考文献：

［1］李玉道，张广玲，尹力，等.以科技竞赛为载体大学生创新能力培养探讨［J］.实验室科学，2022，25（04）：223226.

［2］花蕾，王晓东.应用型高校本科生专业导师制培养模式探索——以同济大学浙江学院土木工程系为例［J］.高教学刊，2022，8（24）：168171+175.

［3］唐镭，张现红.多元融合：大学课堂教学的组织形式变革和实践策略［J］.阅江学刊，2018，10（02）：8187+146147.

［4］陈新欣.电子竞赛引领应用型本科专业课程改革的探索［J］.科技创新导报，2019，16（02）：232+234.

［5］赵丽红，郭熙，罗志军，等.学科竞赛驱动下的GIS专业课“课程思政”实践教学改革探索［J］.教育现代化，2020，7（52）：6266.

基金项目：“机电汽车”湖北省优势特色学科群开放基金（ZDSYS202219）；湖北文理学院2020年教学研究项目——新工科背景下科教协同在车辆工程专业人才培养中的探索与实践（JY2020039）

作者简介：王敏旺（1986— ），男，湖北襄阳人，硕士研究生，讲师，研究方向：新能源汽车电池组管理及驱动电机控制。