現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院工程實踐課程改革與探索
——以單片機原理及應(yīng)用為例

張向群，張 柯，杜根遠

（許昌學院信息工程學院，河南許昌 461000）

0 引言

新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國當前工程教育改革的主流方向。由于培養(yǎng)新工科人才需要借助和依托于平臺或載體，為此現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院便催生出了符合新工科培養(yǎng)的新型辦學機制，已逐步成為培養(yǎng)新工科人才、建設(shè)高水平應(yīng)用型大學的重要載體。其中，單片機原理及應(yīng)用是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院一門面向應(yīng)用、理論性和實踐性較強的課程，對學生學習核心專業(yè)課程、完成畢業(yè)設(shè)計、參加各類競賽等提供了有力支持，對提升工程素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力具有重大作用。因此，如何打破傳統(tǒng)教學對單片機課程的限制，落實國際工程認證教育理念，適應(yīng)新工科專業(yè)人才培養(yǎng)，是目前需要深入探索及解決的問題。

近年來，許多高校對單片機課程進行了改革和實踐。師紅宇等提出了啟發(fā)學生自主探索的實驗教學方式，以大數(shù)據(jù)為依托，構(gòu)建評價、反饋平臺，提高了實驗教學效果，但教學方式僅限于實驗方面。吳陽等對單片機的課程內(nèi)容和教學方法、手段、考核方式進行改革，激發(fā)了學生的學習興趣，但未能將理論與實踐相結(jié)合。龍順宇等提出了新工科+PBL 模式的單片機項目式教學，將項目教學方法與其它學科相關(guān)聯(lián)，但僅局限于項目式教學。馮新剛等將單片機課程理論教學、實驗和課程設(shè)計相結(jié)合，分為小項目、中項目、大項目貫穿于整個課程內(nèi)容，但未能將實驗與生活場景相聯(lián)系。王建軍提出面向產(chǎn)業(yè)構(gòu)建實踐課程共同體，提高過程性評價在學生成績的占分比例以培育新工科應(yīng)用型工程人才，但缺乏具體的教學模式。上述措施取得了一定的效果，但均存在局限性，未能以學生發(fā)展為中心和成果導(dǎo)向為理念，還是局限于以知識傳遞為主的教學方式，并未將理論與實踐結(jié)合起來。

本文在新工科背景下，基于OBE 教學理念，對現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)學院單片機原理及應(yīng)用課程進行改革和實踐。以學生自主發(fā)展為目標，以學生發(fā)展為中心和成果導(dǎo)向理念，實施全方位的教學建設(shè)與改革。在經(jīng)過多年教學探索后，建立了以完成具體生活場景作品為目標，基于OBE 理念的教學模式。通過將虛擬仿真引入教學過程中，以賽促學，提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，從根本上解決了傳統(tǒng)教學方式以教師講授為主導(dǎo)的教學弊端。

現(xiàn)階段，在學習單片機原理及應(yīng)用時，學生普遍存在的問題包括思維活躍低、學習興趣不高及動手能力差，無法綜合運用所學知識做出合格的作品。此外，由于學生之間能力差異較大，部分差生基礎(chǔ)薄弱，課堂參與度較低。針對以上情況，本文以新工科實踐需要為先導(dǎo)、以單片機課程內(nèi)容和教學目標為基礎(chǔ)進行教學改革，努力營造真實的教學環(huán)境，使學生在實踐中鍛煉自身的動手能力，實現(xiàn)自主發(fā)展。

1 教學模式改革

教學模式改革主要體現(xiàn)在教學內(nèi)容重構(gòu)，而教學內(nèi)容重構(gòu)則主要表現(xiàn)為將按章節(jié)分類的舊學科教學體系重構(gòu)為項目教學體系。其中，項目又分為小項目、中項目、大項目，每個項目對應(yīng)不同的知識點，難度也從易到難。例如，首先從最容易的信號燈項目開始，然后是中等難度的電子時鐘項目，最后到難度較大的綜合項目空調(diào)控制系統(tǒng)。項目可以是一些生活場景，以激發(fā)學生的學習興趣，例如先讓學生點亮一盞燈，然后顯示流水燈，最后完成十字路口的交通信號燈設(shè)計。并且，根據(jù)全國藍橋杯單片機程序設(shè)計與開發(fā)大賽內(nèi)容修訂教學大綱和內(nèi)容，立足行業(yè)，突出實踐，以賽促學，鼓勵學生參加相關(guān)科技比賽，并將比賽成績納入課程成績。此外，采用線上、線下混合式教學方式改革以教師為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學模式，解決傳統(tǒng)教學方式講授知識點的弊端，使學生學習不再受固定時間、地點的約束，實現(xiàn)了以學生為主體的現(xiàn)代化教學模式。

2 教學改革具體措施

2.1 項目驅(qū)動

本文以知識、能力、思維、情感、思想五位一體的教學目標，結(jié)合許昌學院信息工程學院對應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)目標，在教學模式中以任務(wù)驅(qū)動式為主，構(gòu)建學生自主學習的翻轉(zhuǎn)課堂教學組織模式。讓學生兩人一組，自由組合、自主探究、自由選題、提交作品、書寫作品設(shè)計報告、答辯考核，教師會給定一些題目，但鼓勵學生提出新的作品題目，培養(yǎng)學生的目標和成果導(dǎo)向意識。并且，對于創(chuàng)新能力較強的學生，鼓勵他們做出更好的作品進行課外比賽；對于中等學生，給定題目庫，讓學生從中進行選擇；對于基礎(chǔ)較差的學生，則需要特別指導(dǎo)，針對性的與學生商探討選題。

在課程改革之前，單片機原理及應(yīng)用一直采用傳統(tǒng)筆試進行考核，平時成績和實驗占總成績的30%，試卷成績占70%。然而，這種傳統(tǒng)考核方式無法全面、客觀地反映學生的學習情況，未能體現(xiàn)新工科對學生工程實踐能力的培養(yǎng)。因此，本文對現(xiàn)有考核方式進行改革，在成績認定方面，采取平時成績占30%，實驗成績占50%，報告成績占20%的綜合評定方式，根據(jù)學生的課堂參與度、對作品認知程度、現(xiàn)場答辯效果等過程性表現(xiàn)、團隊合作、創(chuàng)新程度、功能、課程報告書、小組pk 等方面考核學生，使課程評分更公正、合理。

2.2 理論應(yīng)用與教學實驗相結(jié)合

通過將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到理論教學中，對重難點問題進行仿真模擬實驗（見圖1），讓學生能夠直觀看實驗結(jié)果，使課堂教學更生動。

此外，利用虛擬仿真軟件進行實驗教學。虛擬仿真實驗具有以下優(yōu)點：①為實際電路實驗作鋪墊；②讓學生先進行虛擬儀器仿真，可有效避免操作失誤造成電子設(shè)備、芯片、儀器損壞；③學生自行設(shè)計的綜合性創(chuàng)新作品，可能由于一些芯片或電子器件無法購買從而無法開展實驗，可先進行虛擬軟件仿真?？傊?，虛實結(jié)合的方式具有以下優(yōu)點：①學生可隨時隨地進行學習，不受實驗資源和場地限制；②學生在做完硬件實驗后，可利用軟件仿真實驗進行分析對比，通過修改實驗參數(shù)，進行方案論證、結(jié)果觀察；③有利于學生在硬件電子設(shè)備和儀器匱乏的情況下，完成綜合性創(chuàng)新課程設(shè)計。

Fig.1 Virtual simulation software demonstration圖1 虛擬仿真軟件演示

2.3 學生工程實踐能力培養(yǎng)

單片機課程貼近生活實際，具有很強的工程實踐性，這些特點決定了在課程教學過程中必須重視實驗。然而，現(xiàn)階段由于實驗設(shè)備價格較高、實驗儀器笨重等原因，在一定程度上限制了學生的學習時間。并且，大多數(shù)院校在實驗教學上，按照教科書流程進行操作，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

為此，許昌學院信息工程學院課程組將傳統(tǒng)試驗箱（笨重、價格貴，只能固定在實驗室學習）換成便于提拿的單片機實驗板（小巧、靈活、學生隨時隨地學習、價格低），讓學生在空板上進行元器件連接、焊接等操作，結(jié)合硬件調(diào)試、軟件編程、虛擬仿真、軟硬件綜合調(diào)試等方式進行實驗，便于學生利用課外時間在圖書館、宿舍等地點隨時隨地學習。并且，本文以藍橋杯、電子設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、校內(nèi)機器人、工程技能大賽等為導(dǎo)向，通過梳理大賽過程中所考察的知識點，將課程內(nèi)容緊密結(jié)合大賽題目進行實驗教學，使學生在實踐過程中提高自身的工程實踐能力。

2.4 教學與科研相融合

許昌學院信息工程學院課程組積極將科研和教學相結(jié)合，以單片機為控制器研制超聲氣體傳感器測量聲學氣體的弛豫信號。已經(jīng)申請了國家自然科學基金面上項目和河南省科技廳項目。

基于單片機技術(shù)申請了“一種基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及裝置（ZL 201710375855.6）”和“一種氫氣聲轉(zhuǎn)動弛豫探測方法（ZL 201810308054.2）”兩個發(fā)明專利，并且分別在2020 年2 月和6 月獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)。

2.5 積極開展課程思政

在課程改革過程中，引入思政內(nèi)容。例如，從單片機芯片屬于高科技芯片產(chǎn)品入手引入思政內(nèi)容，中國在芯片研發(fā)上領(lǐng)域與國外仍存在較大差距，近期中美貿(mào)易爭端中一些企業(yè)被動受罰也是因為核心技術(shù)受制于人，從芯片核心技術(shù)研發(fā)方面鼓勵學生努力學習，爭取未來解決這些卡脖子技術(shù)。此外，以單片機專業(yè)著名的兩個人物周立功（建立單片機公司）和郭天祥（學好單片機課程，編寫單片機教材，參加科技比賽，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)）為例，增強學生的專業(yè)認同感，提高學生學習動力。

在課程教學過程中，以培養(yǎng)學生工程實踐能力為切入點，著重培養(yǎng)學生單片機基礎(chǔ)知識、工程實踐能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力，激發(fā)學生學習熱情，將創(chuàng)新精神、工匠精神、工程素養(yǎng)、道德情操、社會責任感等價值理念傳授給學生，幫助學生建立正確的人生觀、價值觀和自我認同，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和責任心、激發(fā)其學習的內(nèi)動力，建立為國家和民族奮斗的信念。

3 教學改革成效

經(jīng)過教學改革后，學生學習積極性大幅提升，許昌學院信息工程學院2020-2021 學年2019 級學生單片機課程考試成績相較于2018 級學生成績有著大幅度提升。如表1 所示，2018 級、2019 級一班學生的平均成績分別為69.20、84.57 分；2018 級、2019 級二班學生的平均成績分別為71.30、87.42 分，可以看出課改后的課程平均成績提高了約10分，課程目標達成度較高。

Table 1 Comparison of grades of 2018 and 2019 students表1 2018級與2019級學生的成績比較

以許昌學院信息工程學院2020-2021 學年2019 級學生為例檢驗教學改革效果，將72 人以兩人分為一組進行試驗，共產(chǎn)生36 個作品。其中，8 名學生的作品將進一步完善，參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目；10 名學生作品將參加挑戰(zhàn)杯大學生課外科技作品競賽；5 名學生的作品將申請實用新型發(fā)明專利。

此外，有8 名學生參加了藍橋杯單片機設(shè)計與開發(fā)編程大賽，4 人獲得藍橋杯河南省賽區(qū)一、二、三等獎，1 人獲得全國總決賽二等獎。根據(jù)教務(wù)處近兩年統(tǒng)計的學生評教結(jié)果顯示，該課程學生評價分數(shù)較高，被評為優(yōu)秀課程。圖2為部分學生的優(yōu)秀作品。

Fig.2 Display of students'excellent works圖2 學生優(yōu)秀作品展示

4 結(jié)語

本文通過分析傳統(tǒng)單片機教學中存在的問題，改革現(xiàn)有教學內(nèi)容和模式。通過以賽促學、結(jié)合教學和實踐等方式，著重培養(yǎng)學生的工程實踐能力，鼓勵學生參與課程相關(guān)的競賽，以提高學生學習積極性。經(jīng)過教學實踐表明，構(gòu)建的單片機原理及應(yīng)用課程教學模式符合新工科人才培養(yǎng)需要，有助于提高學生的工程實踐能力，為課程改革提供了具體的實踐模式，課程教學效果較好，學生積極性顯著提高。