基于專業(yè)認(rèn)證背景下單片機(jī)課程教學(xué)改革探索

丁電寬 李立新 李艾華

[摘 要] 工程教育專業(yè)認(rèn)證是保障工程教育質(zhì)量的重要手段，通過對國家級精品在線課程“單片機(jī)原理及接口技術(shù)”進(jìn)行教學(xué)改革和探索。進(jìn)一步重構(gòu)實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，通過“工程師制”模式開展了項(xiàng)目案例式教學(xué)，引入了虛擬仿真平臺實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，教學(xué)練做一體化，科研成果反哺教學(xué)，并結(jié)合學(xué)科競賽實(shí)現(xiàn)賽課合一，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，建立健全跟蹤反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)課程改革的閉環(huán)控制。探索出一條能夠持續(xù)改進(jìn)的以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為核心的課程改革之路。

[關(guān)鍵詞] 專業(yè)認(rèn)證;單片機(jī)原理及接口技術(shù);教學(xué)改革;工程師制

[基金項(xiàng)目] 2019年度安陽師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于專業(yè)認(rèn)證背景的電子信息工程專業(yè)建設(shè)的研究與實(shí)踐”（ASJY-2019-CYB-020）

[作者簡介] 丁電寬（1971—），男，河南濮陽人，碩士，安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院副教授，主要從事嵌入式技術(shù)、智能控制技術(shù)等研究;李立新（1966—），男，河南安陽人，學(xué)士，安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院教授，主要從事單片機(jī)技術(shù)研究;李艾華（1965—），女，山東濟(jì)南人，碩士，安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院高級工程師，主要從事微控制器及數(shù)字電路設(shè)計(jì)研究。

[中圖分類號] G462 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0101-04 [收稿日期] 2021-10-12

2016年6月2日，我國成為第18個(gè)《華盛頓協(xié)議》正式成員國，截至2020年底，全國共有257所高等學(xué)校的1600個(gè)專業(yè)通過了工程教育專業(yè)認(rèn)證[1]。實(shí)施工程教育專業(yè)認(rèn)證是教育部“十二五”期間本科教育教學(xué)改革工程的重要工作之一，也是“十三五”期間的重點(diǎn)推進(jìn)任務(wù)[2]，在“十四五”開篇之年，繼續(xù)推動(dòng)本科工程教育專業(yè)認(rèn)證仍是高校的重點(diǎn)工作之一。但是，目前單片機(jī)的實(shí)踐教學(xué)方式脫離了工程教育的培養(yǎng)要求，學(xué)生缺乏現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)思想和方法，缺乏綜合運(yùn)用多方面知識解決實(shí)際工程的能力[3]。為契合專業(yè)認(rèn)證的大背景，安陽師范學(xué)院在積極推進(jìn)師范專業(yè)認(rèn)證的同時(shí)，也積極推進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。電子信息工程和電氣工程及其自動(dòng)化兩個(gè)工科專業(yè)正面臨進(jìn)行工程教育專業(yè)認(rèn)證任務(wù)。為培養(yǎng)國際互認(rèn)的工程科技人才，課程教學(xué)改革應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為主線，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和實(shí)踐性[4]。

一、課程介紹

“單片機(jī)原理及接口技術(shù)”是我校電子信息工程和電氣工程及其自動(dòng)化兩個(gè)專業(yè)的專業(yè)必修課程。該課程經(jīng)過多年建設(shè)，于2015年評為省級精品資源共享課程，2017年評為省級精品在線開放課程，2019年評為國家級精品在線開放課程。截至目前，已在中國大學(xué)MOOC上運(yùn)行了8個(gè)學(xué)期，選課學(xué)生達(dá)5萬余人。

“單片機(jī)原理及接口技術(shù)”是一門工程實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，突出應(yīng)用、技能和實(shí)踐。該課程以MCS-51單片機(jī)為核心，系統(tǒng)介紹單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、中斷、定時(shí)和串口通信系統(tǒng)、系統(tǒng)擴(kuò)展與接口技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)等。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在熟練掌握單片機(jī)原理、結(jié)構(gòu)、單片機(jī)指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)、功能部件、接口擴(kuò)展等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，能夠利用Keil、Proteus等軟件平臺進(jìn)行基于51單片機(jī)的開發(fā)，使學(xué)生學(xué)會(huì)一種單片機(jī)（8051），掌握一類單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技能，熟悉一批常見的工程案例，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合運(yùn)用單片機(jī)知識解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力，提高就業(yè)競爭力。

二、基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的單片機(jī)課程教學(xué)改革

（一）加強(qiáng)課程思政建設(shè)

高校人才培養(yǎng)首先要德才兼?zhèn)鋄5]，作為高校教師不但要清楚教書育人是教師的本分，更要清楚為誰培養(yǎng)人、培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人，要明白培養(yǎng)的人才要為中國特色社會(huì)主義服務(wù)，做到教書與育人相得益彰，充分發(fā)揮課程育人功能。作為主講內(nèi)容為單片機(jī)系統(tǒng)芯片的課程，分析中國芯片研發(fā)與國外的差距，積極推廣國產(chǎn)單片機(jī)芯片宏晶科技的STC系列微處理器，以及在電路制板中，積極推廣國產(chǎn)立創(chuàng)EDA電路制板軟件，彰顯國產(chǎn)單片機(jī)和國產(chǎn)制板軟件的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感、科技自信心及專業(yè)認(rèn)同感。結(jié)合學(xué)生在課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練過程中的電路制作、調(diào)試及編程訓(xùn)練，挖掘?qū)W生的職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)規(guī)范、行為習(xí)慣、工程倫理及大國工匠方面的思政元素。通過課程思政增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，讓學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，端正價(jià)值取向，讓學(xué)生深刻認(rèn)識到自己肩負(fù)著國家繁榮昌盛的責(zé)任，激勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)將來報(bào)效國家。

（二）依托國家級精品在線課程，開展混合式教學(xué)

工程教育專業(yè)認(rèn)證理念是“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”，在授課過程中，以生為本，先學(xué)后教，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，推動(dòng)從“教”轉(zhuǎn)向“學(xué)”，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體，教師指導(dǎo)為輔”的理念[6]。結(jié)合國家級精品在線開放課程，實(shí)現(xiàn)線上和線下同步，課程每學(xué)年開設(shè)2次，分為春季學(xué)期和秋季學(xué)期。一般每周一發(fā)布新內(nèi)容，提前指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，如何充分利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱資料等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。課前通過問卷形式讓學(xué)生反饋在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，再對問題進(jìn)行整理歸納，做好線下課程設(shè)計(jì)，針對問題梳理知識點(diǎn)，通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)、案例教學(xué)、探究式教學(xué)開展混合式教學(xué)。在次周發(fā)布新學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)，同時(shí)發(fā)布上一周的單元測試和單元作業(yè)，以便學(xué)生及時(shí)復(fù)習(xí)鞏固上周所學(xué)內(nèi)容和教師檢查上周學(xué)習(xí)情況。線上線下混合式教學(xué)過程中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主能動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，圍繞學(xué)生“學(xué)到了什么、是否學(xué)會(huì)了、學(xué)會(huì)了是否會(huì)用”開展教學(xué)設(shè)計(jì)，真正體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念。

（三）采用“工程師制”模式，開展項(xiàng)目案例式教學(xué)

工程師應(yīng)具備的關(guān)鍵特征包括：分析能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)造力、溝通能力、商務(wù)與管理能力、倫理道德和終身學(xué)習(xí)能力[7]。在教學(xué)過程中，通過引入工程案例開展項(xiàng)目案例式教學(xué)。每4位學(xué)生為一組，實(shí)行“工程師制”模式，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，每個(gè)人承擔(dān)不同角色，分別擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理、軟件工程師、硬件工程師和科研秘書;在課堂上，學(xué)生也按照不同角色坐到各自分配好的位置上，明確分工，各司其職，培養(yǎng)學(xué)生的擔(dān)當(dāng)意識。通過不同工程項(xiàng)目，各自角色輪換，讓學(xué)生感受到不同崗位的職責(zé)，讓每個(gè)學(xué)生的能力得到全面提升，體現(xiàn)工程教育認(rèn)證是“面向全體學(xué)生”的思想。通過“工程師制”的執(zhí)行，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)規(guī)范、團(tuán)隊(duì)意識、溝通協(xié)作能力及項(xiàng)目管理的能力。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，和工程實(shí)踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和創(chuàng)造力，提高學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，達(dá)到工程教育認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)。

（四）重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

為加強(qiáng)學(xué)生在課程實(shí)踐能力培養(yǎng)方面，突出以學(xué)生為中心，把課堂還給學(xué)生，單片機(jī)課程近三次大綱修訂情況詳見表1，從表中可以看出，理論學(xué)時(shí)由原來的56學(xué)時(shí)減為45學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)由原來的14學(xué)時(shí)增加到24學(xué)時(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)由原來的11學(xué)時(shí)修訂為1學(xué)分獨(dú)立的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，另外還有一個(gè)2學(xué)分的綜合課程設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由原來以演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)逐步拓展到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐環(huán)節(jié)由原來以虛擬仿真為主修改為在仿真基礎(chǔ)上，學(xué)生還需要依托立創(chuàng)EDA完成電路板的設(shè)計(jì)、器件選型及采購、焊接、編程、調(diào)試及軟硬件聯(lián)調(diào)的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，最后完成設(shè)計(jì)報(bào)告。在這個(gè)過程中，結(jié)合“工程師制”，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，各不同角色成員協(xié)同作戰(zhàn)，不僅掌握了單片機(jī)的開發(fā)過程，而且掌握了如何選擇器件、如何查看芯片手冊、如何繪制電路原理圖和PCB圖、如何使用儀器儀表進(jìn)行調(diào)試電路;而且學(xué)會(huì)了編程的架構(gòu)、設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫，學(xué)會(huì)了交流溝通和項(xiàng)目管理。最后根據(jù)每小組作品完成情況、調(diào)試情況、功能實(shí)現(xiàn)、報(bào)告的撰寫及現(xiàn)場答辯幾個(gè)環(huán)節(jié)綜合評分。

（五）虛實(shí)結(jié)合，邊學(xué)邊做，學(xué)用結(jié)合

課堂上學(xué)生帶電腦進(jìn)教室，以“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”為載體，將理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，依托Proteus虛擬仿真平臺，把一個(gè)個(gè)工程案例進(jìn)行了虛擬仿真，把抽象的工程案例通過直觀的虛擬仿真展現(xiàn)在學(xué)生面前，邊講解邊操作，打破了傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解[8]。近幾年的實(shí)踐證明，提高了學(xué)生到課率的同時(shí)，提高了學(xué)生的聽課率，學(xué)習(xí)效果有了明顯改善。

通過翻轉(zhuǎn)課堂、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等教學(xué)模式改革，堅(jiān)持“學(xué)以致用”原則，突出實(shí)踐，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);力求使學(xué)生達(dá)到懂原理、會(huì)設(shè)計(jì)、能制作、能應(yīng)用的學(xué)習(xí)效果，達(dá)到重技能的培養(yǎng)目的。課題組還開發(fā)出兩套開發(fā)板，能夠保證各個(gè)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的實(shí)例化，學(xué)生自己動(dòng)手焊接和調(diào)試，真正實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的學(xué)習(xí)，有效實(shí)現(xiàn)了真正的學(xué)用結(jié)合，“教、學(xué)、練、做”一體化改革。

（六）賽課合一，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

依托藍(lán)橋杯（單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)）、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”等學(xué)科競賽平臺，整合競賽考核知識點(diǎn)，把課程內(nèi)容和學(xué)科競賽結(jié)合起來，課內(nèi)和課外結(jié)合起來，課堂同賽場，賽場如課堂，實(shí)現(xiàn)賽課合一。學(xué)生在此過程中，能進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，規(guī)劃好自己職業(yè)方向，同時(shí)，學(xué)生的動(dòng)手能力和工程創(chuàng)新實(shí)踐能力都得到了較好的鍛煉。通過學(xué)科競賽，既增加了學(xué)生自信，還促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，開闊了學(xué)生眼界、豐富了學(xué)生的知識，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（七）科研成果反哺本科教學(xué)

把教師課題或科研成果分解成若干小課題，每個(gè)小課題可以獨(dú)立作為單片機(jī)課程設(shè)計(jì)題目，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一定的功能。同時(shí)，教師團(tuán)隊(duì)積極吸納本科生參與研究課題，讓更多的學(xué)生參與到解決實(shí)際問題的行列中，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜的工程能力，實(shí)現(xiàn)科研成果融入課堂反哺本科教學(xué)，對學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力的提高起到了很大作用。

（八）建立健全跟蹤反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)課程可持續(xù)改進(jìn)

為做好工程教育認(rèn)證，學(xué)院制定了“畢業(yè)生跟蹤反饋機(jī)制辦法”，加強(qiáng)對學(xué)生畢業(yè)后跟蹤指導(dǎo)。課程團(tuán)隊(duì)和畢業(yè)生建有多渠道的聯(lián)系方式，通過微信、QQ或郵件等形式，定期和學(xué)生進(jìn)行交流溝通，解答學(xué)生在工作崗位上遇到的困惑或難題，并了解他們的工作崗位對單片機(jī)知識的需求，通過多次交流溝通，評價(jià)學(xué)生對知識的需求及崗位、社會(huì)對知識的需求，并把需求及時(shí)反饋到教學(xué)過程中，修訂課程大綱，力爭讓在校學(xué)生能接受最新穎、最先進(jìn)、最實(shí)用的專業(yè)知識，提升學(xué)生畢業(yè)的社會(huì)適應(yīng)度[9]，實(shí)現(xiàn)課程可持續(xù)改進(jìn)和課程的閉環(huán)控制，做到“學(xué)生今天所學(xué)的就是明天所用的”，讓學(xué)生能跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，跟上時(shí)代的發(fā)展。

結(jié)語

結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，依托國家級精品在線課程，對我?！皢纹瑱C(jī)原理及接口技術(shù)”課程進(jìn)行教學(xué)改革和探索。融入課程思政元素，重構(gòu)實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，強(qiáng)化了實(shí)踐教學(xué)。以“工程師制”模式開展項(xiàng)目案例式教學(xué)，引入虛擬仿真，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，引入學(xué)科競賽，整合課程內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)賽課的統(tǒng)一，科研成果反哺教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，探索出一條能夠持續(xù)改進(jìn)的以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為核心的課程改革之路。

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Exploration of the Teaching Reform of SCM Courses under the Background of

Professional Certification

DING Dian-kuan， LI Li-xin， LI Ai-hua

（School of Physics & Electrical Engineering， Anyang Normal University， Anyang，

Henan 455000， China）

Abstract： Engineering education professional certification is an important means to ensure the quality of engineering education. Through the teaching reform and exploration of the national high-quality online course of MCU Principle and Interface Technology， this paper further reconstructs the content of practice links， carries out the project case teaching through the “engineer system” mode， introduces a virtual simulation platform to realize the combination of virtuality and reality， the integration of teaching， learning， practicing and doing actual work， the support of feedback of scientific research achievements to teaching， and the integration of competitions and course teaching combined with the discipline competitions， in order to strengthen the cultivation of students’ engineering practical ability and innovation ability， establish and improve the tracking and feedback mechanism to realize the closed-loop control of curriculum reform. This paper tries to explore a way of curriculum reform that can be continuously improved to take the cultivation of students’ engineering practical ability as the core.

Key words： professional certification; SCM Principle and Interface Technology; teaching reform; engineer system