基于大学生电子设计竞赛驱动的新工科单片机实践教学改革探究

摘 要：“单片机”是电子信息类专业一门重要的基础课程，也是一门应用型课程，其在各级电子设计竞赛中均有广泛应用。在新工科背景下，为了迎接新一轮产业变革及服务创新驱动发展战略，探索多课程知识融合及多学科交叉应用是单片机实践教学改革的重点。以电子设计竞赛驱动的新工科单片机实践教学改革具有重要的指导价值和现实意义，十分契合新工科建设的初衷。文章分析了单片机实践教学目前存在的主要问题，并以电子设计竞赛为驱动探讨单片机实践教学改革的主要措施，使单片机实践教学更加注重对大学生实践能力的培养，更加注重提高大学生利用所学知识解决实际工程问题的能力，也更加符合新工科背景下创新型人才的培养需求。

关键词：“单片机”课程；电子设计竞赛；新工科；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2024）11-0084-03

一、引言

“单片机”是电子信息类专业一门重要的基础课程，是理论和实践相结合、具有较强实用性、关乎科技和生活方方面面的一门技术课程。近年来，诸多高校均对“单片机”课程进行了相应改革，从大纲、教材、教案到实验课、综合设计课，再到单片机实训课程均有所涉及[1]。“单片机”课程改革的目标是突出单片机本身的应用价值，服务好科技、服务好生活，这是包括“单片机”课程在内的诸多应用型课程改革的初衷，也完全契合了新工科建设的宗旨——主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略。新工科背景下，探讨“单片机”课程改革，尤其是实践教学改革更应注重多学科、多课程的融合，注重课程的实践意义，以及课程内容和应用的创新[2]。

全国大学生电子设计竞赛是教育部、工业和信息化部共同发起的大学生学科竞赛之一，电子设计竞赛的题目紧跟工业领域热点技术，能够培养大学生的工程实践素质，提高大学生分析、解决实际问题的能力，是面向大学生的群体性科技活动，目的在于推动高校电子信息类学科课程体系和课程内容的改革及课程教学和实验室建设工作。

大学生电子设计竞赛、新工科建设和单片机实践教学改革的目标高度一致，可以简单概括为实践、应用、创新。以新工科建设为宗旨，以电子设计竞赛为驱动的单片机实践教学改革契合了时代发展的需求，具有明确的目标导向性，凸显了课程改革的时效性，强大的创新需求驱动课程改革可持续进行。

二、全国大学生电子设计竞赛的组织和特点

全国大学生电子设计竞赛遵循“政府主办、专家主导、学生主体、社会参与”的16字方针，以充分调动高校和大学生的参与积极性。全国大学生电子设计竞赛是教育部主导的大学生科技竞赛之一，是面向大学生的具有广泛性的科技活动，其宗旨是推进高校电子信息类学科课程体系及课程内容改革，有助于高校实施素质教育，培养大学生的实践创新能力、团队协作能力和解决实际工程技术问题的能力；有助于培养大学生的综合素质、提高大学生依托专业进行电子设计制作的能力；有助于吸引高校大学生积极踊跃参加课外科技创新活动，为优秀人才的培育创造条件。竞赛的特点是，其能够与理论联系实际的学风建设紧密结合，竞赛内容既有理论设计，又有实际操作，从而全面检验和强化参赛大学生的理论基础和实践创新能力。1994年，全国大学生电子设计竞赛首次举办，近年来其参赛大学生规模已达到4万人左右，已成为国内规模最大、参赛范围最广、最具影响力的本、专科大学生的电子设计竞赛之一。近年来，试题内容以电源类、信号源类、高频类、放大类、仪器仪表类和控制类为主，具体题目在比赛开始当天以官方网站的形式公布，每个参赛队伍只能选择一个题目，并在规定的时间内完成所选题目的设计、验证和制作，然后到官方指定的比赛场地开始正式测试。整个比赛期间都要在预先指定的场地内进行。参赛选手可以查阅资料。设计所需的设备和器件等由参赛学校自行解决，正式测试的设备和器件由组委会提供。

三、单片机实践教学内容与电子设计竞赛能力需求的错位

“单片机”是一门实践性很强的课程，学以致用的能力可以很快在这门课程中体现出来。以黑龙江大学为例，从大学生参加级校、省级和全国的电子设计竞赛的表现来看，部分大学生存在理论基础不够扎实、实践操作能力不强、不能科学地分析问题和独立自主地解决问题等情况，折射出实践教学中存在的问题，具体体现在以下几个方面。

（一）理论与实践脱节

“单片机”课程包括理论课、基础实验课和综合设计实验课。由于缺乏灵活多样的考核方式，当前的理论教学与实践教学仍采用传统的考试方式来检验学习效果，导致课程学习和应用脱节，无法有效衔接。基础实验课和理论课是一脉相承的，但由于单片机基础理论知识多年来更新较慢，单片机的新进展和新技术没有及时补充到理论课当中，使得多年来理论教学内容趋于固化，致使基于理论课程的基础实验课内容也没有得到及时补充，导致多年的实验内容一成不变，缺乏挑战和新意，造成大学生甚至教师对基础实验重视不够，所导致的教学效果自然不尽理想。在综合设计实验阶段，就体现出了这种基础知识不扎实的弊端，如在参加电子设计竞赛的过程中，部分大学生在面对新问题时无从下手，还需要重新系统地学习单片机的知识，浪费了宝贵的时间，增加了竞赛的难度，降低了团队的竞争力。

（二）实验设备投入不够

大多数开设“单片机”课程的高校能够提供基础实验所需的实验条件，但是部分高校，特别是地方院校存在单片机基础实验设备更新速度慢、设备陈旧的现象。例如，部分高校的单片机多为8051单片机并采用汇编语言开发，即便能够满足基础实验需求，但在综合设计实验和电子设计竞赛实训所需要的实验设备和场地方面则普遍不足。由于综合设计实验涉及的题目和内容较多，个性化差异又很明显，所以对实验条件的要求就更高，不仅要有基础的单片机实验系统，还要有常用的开发硬件，如电机、摄像头、放大电路、传感器等。这使得大多数高校不能为大学生提供开展综合设计实验所需的条件，而只能局限于软件仿真，这就造成了大学生解决实际问题的经验欠缺，进而导致能力不足。然而，分析、排查并最终解决电路实际问题的能力是参加电子设计竞赛必须具备的技能，是软件仿真不能给予的。

（三）教学内容过时

“单片机”是高校电子信息类专业的基础课程，是全国大多数高校都开设的一门课程，受众大学生很广。大多数高校教授的单片机依然是八位单片机，这种单片机自问世以来经过数次产品迭代升级，应用领域广泛，影响深远。由于问世时间较长，内容基础，其成为大多数“单片机”课程的首选。但是，这也造成了目前的主流教材和教辅材料内容同质化现象比较严重，多年来几乎是千篇一律，导致理论课和实验课的知识更新速度较慢，授课内容乏善可陈。实践教学内容过时，导致无法与电子设计竞赛内容接轨，进而不能反映工程领域热点问题。

（四）教学方法和评价方式单一

目前，多数高校“单片机”课程的授课方式依然是以课堂讲授为主，板书、PPT的展示占据了课堂的大部分时间。大学生学习这样一门实践性很强的专业课，却依然停留在书本、黑板和PPT上，停留在传统的教学方式上，这对培养大学生的主动学习意识，提高融会贯通的能力极为不利。虽然配套的基础实验具备实践的属性，但是这些实验内容大都源于教材，基础内容更新较慢，较少涉及电子设计竞赛所需的前沿知识。同时，实验课的评价标准过于单一，没有制定因人而宜的差异化评价标准，不能综合考量大学生分析问题、解决问题的能力，导致最终的学习成效有限，没有为后续的综合设计实验和电子设计竞赛提供有效的能力储备。

四、新工科单片机实践教学改革的方向和动力

为了培养造就一批引领未来科技和产业升级的优秀工程技术人才，为我国提供智力支持和人才保障，教育部提出了新工科建设的“复旦共识”和“天大行动”。电子信息类专业是工科的重要组成部分，是gRScqgA8TbVLRXUUwGbNfM0uvcR6AUF5lJgG0T2gpdI=新工科建设的重要方面。“单片机”及其相关课程是电子信息类专业的重要实践课程，可以说教好、学好、用好单片机将在新工科建设中发挥重要作用[3]。新时代，在面向电子设计竞赛需求的驱动下，在培养创新型人才的时代召唤下，单片机实践教学改革应从以下几个方面着手。

（一）创新课堂教学方式

传统的课堂教学以板书和PPT讲授为主，不能激发大学生的学习兴趣。授课教师要依托单片机硬件架构，从基本应用出发，以案例式教学和问题分析式教学主导课堂，改变教师讲、学生听的传统模式[4]。让大学生参与到教学中的较好方式是围绕授课内容由教师提出问题，大学生分析问题，再由教师帮助解决问题。教师可以引入经典的电子设计竞赛案例，并解读题目，引导大学生思考题目并提出方案，教师择优点评并示范完成案例设计。整个教学过程可以在多媒体教室通过仿真软件验证的方式完成，可以采用竞标式、竞赛式的方式完成相应内容，并将大学生表现作为平时成绩的重要参考，这样既能够让大学生感受到课堂的活力，又能够提高他们的参与感和获得感。

（二）理论与实践有效衔接

综合设计实验是“单片机”课程理论与实践有效衔接的重要途径，也是检验学生学习效果和能力的重要载体。目前，大多数综合设计实验的内容依然存在更新较慢、题目陈旧等问题。顺应技术的进步和需求的提高，及时更新综合设计实验题目是亟须解决的问题。高校要着眼当前热点应用，尤其是近5年的各级电子设计竞赛内容，择优列入综合设计实验中，从而增加以问题为导向的课程设计内容，淘汰那些多年沉积已被新技术淘汰的落后题目，以注重提高学生解决实际问题的能力为宗旨，持续进行教学内容的改进。

（三）提高科技前沿知识的比例

近年来，人工智能和大数据的兴起对传统的计算机产业提出了新的要求。单片机自问世以来，虽然硬件技术经过若干次迭代已有长足进步，但是目前的教学内容依然是依托相对落后的技术产品展开。因此，各高校应适时更新老家内容，让新型单片机知识进大纲、进教材、进课堂、进实验室。任课教师应适时增加当前电子设计竞赛中单片机的主要应用案例，并结合具体案例更新编程思想和程序，体现单片机的前沿性和实用性。

（四）加强创新实验室建设力度

开放性创新实验室是高校培养应用型创新人才的重要阵地[5]，应发挥创新实验室在单片机实践教学和电子设计竞赛培训中的“桥头堡”作用，同时要加大创新实验室的建设力度，保证创新实验室的数量、面积和相关的硬件配套措施完备。由于近几年的电子设计竞赛紧密关联当前科技发展主题，设计内容融入了前沿知识和先进的芯片技术，这就需要各高校及时更新实验室设备，使大学生在平时的训练中有更多机会接触前沿知识和设备，同时要加大创新实验室的覆盖面，让更多低年级大学生进入实验室。受众大学生的广度最终决定了电子设计竞赛成绩的高度，只有更多的大学生尤其是低年级的大学生积极参与到电子设计竞赛中来，才能充分调动大学生的参与热情，发挥大学生的聪明才智，保持电子设计竞赛的活力。高校要发挥高年级大学生的传帮带作用，高年级和低年级的大学生交叉组队，共同学习，最终把创新实验室打造成学习、传承、实践、创新的阵地。

（五）扩大电子设计竞赛的覆盖面

以赛促学是有效的单片机实践教学方式。工科院校应加大校内电子设计竞赛的覆盖面，让更多的大学生参与其中，感受电子设计竞赛的规则、形式和氛围。通过多种形式的竞赛使大学生具备发现问题、分析问题、最终通过自己的努力解决问题的能力，同时还锻炼了团队协作的能力，而这些能力是课堂无法给予的。当参与的大学生达到一定规模后，又能够反向提高课堂教学和实践教学的效果，最终达到以赛促学的良性循环并形成长效机制。

（六）发挥指导教师的模范引领作用

电子设计竞赛指导教师，尤其是多年从事电子设计竞赛指导工作的教师，具有扎实的理论基础和丰富的实践经验，是真正的双师型教师。高校应增加此类教师的基础教学内容，特别是增加对低年级大学生的单片机基础教学，让知识和经验在基础教育阶段发挥重要作用；鼓励专家型教师依托创新实验室开设电子设计选修课，且课程要兼顾基础与应用，理论与实践；鼓励大学生跨学院、跨专业选修相关课程，做到学科交叉、相互借鉴，培养出大批参加电子设计竞赛的潜在力量。

五、结束语

当今世界正处于百年未有之大变局，新科技革命和产业变革的浪潮奔涌而至，推动着高等教育的快速发展。面对大数据、人工智能等新兴热门领域，高校应紧跟时代步伐，加大对新兴专业大学生的教育和培养力度。在新工科建设大背景下，对传统工科专业的课程进行升级改造也势在必行。改造不等于抛弃，相反更应得到重视。“单片机”是本科阶段计算机软硬件知识和信息科学知识学习的入门课程，也是重要的基础学科。改革和升级要找好切入点，不能为了改而改，要见实效、见成绩。而以电子设计竞赛为目的的单片机实践教学改革，既能体现新工科的建设初衷，又能实现创新、实践驱动课程发展，是一举多得的、有效的改革措施。

参考文献：

[1] 孟艳艳，贾长洪，刘萌，等.以专业核心素养为导向的专业实践课程教学改革研究：以STM32单片机应用开发课程为例[J].高教学刊，2022，8（2）：150-153.

[2] 皮大能，杨青胜，南光群，等.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[J].湖北师范大学学报（自然科学版），2021，41（1）：93-100.

[3] 李佳佳，贺伟，刘晓芳，等.新工科背景下单片机课程教学的研究与探索[J/OL].教育现代化，2019，6（24）：80-81，95[2024-02-21]. https：//navi.cnki.net/knavi/journals/JYXD/detail？uniplatform=NZKPT.

[4] 于天河，卢迪，薛楠.电子设计实践互联网+与翻转课堂教学模式研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2018，72（5）：63-64.

[5] 李英俊，孙淑琴，于世钧，等.多种模式开放实验室培养创新人才的探索与实践[J].实验室研究与探索，2007（3）：121-124，147.

■ 编辑∕丁俊玲