課程思政背景下“單片機原理”課程教學(xué)改革探索

［摘 要］ “單片機原理”是電氣工程及其自動化專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課程。在課程思政教育背景下，分析了單片機原理的課程思政特征，制定了本課程的課程思政目標，分別從宏觀維度和微觀維度出發(fā)，基于課程知識點挖掘課程中天然自帶的課程思政元素，詳細闡述了三個典型課程思政案例。在教學(xué)實施與改進方面進行了探索，組建產(chǎn)學(xué)研用賽結(jié)合型的課程教學(xué)團隊，引入課程思政考核占比，提升課程思政育人實效，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、哲學(xué)思維和工匠精神。

［關(guān)鍵詞］ 課程思政；單片機；教學(xué)模式；教學(xué)案例；持續(xù)改進

［基金項目］ 2022年度上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院教學(xué)發(fā)展研究項目“教學(xué)競賽驅(qū)動下高校青年教師教學(xué)能力提升路徑探索”

［作者簡介］ 羅 （1986—），男，山西萬榮人，工學(xué)博士，上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事大功率電力電子變流器研究；夏 鯤（1980—），男，上海人，博士，上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院副院長，教授，主要從事高效電力電子設(shè)備及其故障檢測技術(shù)、精密電機控制和測量技術(shù)研究；袁慶慶（1987—），女，江蘇啟東人，博士，上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院副主任，副教授，主要從事電機高性能控制、新能源并網(wǎng)控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）17-0101-04 ［收稿日期］ 2022-11-06

引言

2020年5月，教育部印發(fā)的《全國高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》明確指出，工學(xué)類專業(yè)課程，要注重強化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔當［1］。2022年7月，教育部等十部門印發(fā)了《全面推進“大思政課”建設(shè)的工作方案》，對“大思政課”建設(shè)工作進行了全面部署，為落實“大思政課”提供了明確的工作思路和方法［2］。“單片機原理”是上海理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課程，是一門面向工程應(yīng)用、實踐性與綜合性較強的課程［3］。同時，該課程也是一門理論及實踐并重的專業(yè)必修課，具有知識點多、技術(shù)更新快、實踐性強等特點。本課程以89C51單片機為典型機，介紹51系列單片機的基本概念、基本原理、硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、中斷系統(tǒng)、定制器、擴展技術(shù)以及單片機應(yīng)用技術(shù)。學(xué)生通過對本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握單片機的基本原理、核心功能、匯編語言編程技術(shù)以及常用系統(tǒng)接口擴展技術(shù)，具備設(shè)計一個具有一定應(yīng)用規(guī)模單片機系統(tǒng)的能力。本文分別從宏觀維度和微觀維度出發(fā)，在課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法運用和教學(xué)過程實施等方面進行探索，提升課程思政育人實效。

一、課程思政特征分析

“單片機原理”課程的特點是理論知識點多，核心概念較抽象，對單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解以及硬件和軟件的結(jié)合應(yīng)用是教學(xué)重點和難點［4］。課程思政教育需要與課程內(nèi)容緊密結(jié)合，對課程內(nèi)容進行全面梳理和知識重構(gòu)［5］。將所挖掘的思政元素有機融入課程教學(xué)，制定社會主義核心價值觀、家國情懷、工程倫理、工匠精神、樂學(xué)善思等課程思政目標，理論聯(lián)系實際，充分發(fā)揮實踐教學(xué)的重要作用，形成知識引領(lǐng)、思政貫穿、面向?qū)嵺`的課程目標體系，達到教學(xué)目標和思政育人目標的一致，使學(xué)生學(xué)有所得、學(xué)有所悟、學(xué)有所思。

通過問卷調(diào)查、課堂觀察、課后談話、教學(xué)反饋等方式，基于學(xué)生自身特點、先修課程基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)環(huán)境、行業(yè)熟悉程度等方面全面分析課程優(yōu)勢和教學(xué)難點，為思政元素融入和教學(xué)方案制定奠定基礎(chǔ)?；谡n程思政目標，將國家發(fā)展戰(zhàn)略與專業(yè)知識融合、行業(yè)標準規(guī)范與工程案例融合、職業(yè)精神與學(xué)識修養(yǎng)融合，理論實踐并重，為教學(xué)活動開展制定豐富的課程思政案例庫。

從宏觀上分析，單片機隸屬于芯片領(lǐng)域，以中國航天發(fā)展史為切入點，宇航芯片是中國空間站上實現(xiàn)關(guān)鍵功能的最小個體，但對航天任務(wù)的成敗意義重大。隨著我國航天事業(yè)不斷發(fā)展，一大批國產(chǎn)宇航高端芯片應(yīng)運而生，宇航芯片的性能和可靠性穩(wěn)步提高，開啟了“中國芯”的飛天之路。夢天實驗艙成功發(fā)射后，三艙組成的中國“天宮”空間站全面建成，我國已實現(xiàn)宇航級芯片100%自主可控，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感。居安思危，讓我們思考我國芯片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，存在的“卡脖子”難題以及巨大的發(fā)展機遇。我們都是中華民族的一員，都肩負著國家發(fā)展的歷史使命，大到整個學(xué)術(shù)界，小到每一名大學(xué)生，我們對自身學(xué)習(xí)和學(xué)術(shù)的定位都將會影響到社會未來的發(fā)展。通過課程思政教育，不僅讓學(xué)生對專業(yè)課學(xué)習(xí)更為明確，更要讓學(xué)生對自身有更加準確的定位，勇?lián)鷷r代使命，不負期許不負青春。通過介紹代表性國產(chǎn)單片機芯片的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)階段人們對于國產(chǎn)單片機產(chǎn)品的需求以及市場環(huán)境變化趨勢，讓學(xué)生對國產(chǎn)單片機的發(fā)展現(xiàn)狀有清晰的認識。將課程思政元素有機融入單片機原理課程教學(xué)中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機知識，提高自己實踐動手能力的同時，也感受到國產(chǎn)單片機芯片產(chǎn)業(yè)的日益強大，將愛黨、愛國、愛人民的情懷扎根于心中，成為擔當民族復(fù)興大任的時代新人。

從微觀上分析，單片機的核心功能與系統(tǒng)觀、哲學(xué)觀、方法論中的原則與思想天然契合，充分挖掘后可以訓(xùn)練學(xué)生的哲學(xué)思維，培養(yǎng)“工匠精神”。硬件和軟件是完整的單片機系統(tǒng)相互依存的兩部分：硬件是單片機系統(tǒng)軟件賴以工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件的正常工作是單片機硬件發(fā)揮性能的重要途徑，單片機必須具備完善的硬件和高效的軟件才能充分發(fā)揮性能。通常，在進行開發(fā)前，需要根據(jù)單片機系統(tǒng)的運行速度、成本、可靠性和研制周期等要求來確定硬件和軟件功能的劃分。因此，在課程學(xué)習(xí)時，要讓學(xué)生清楚單片機系統(tǒng)硬件和軟件的辯證統(tǒng)一關(guān)系，上升到方法論，訓(xùn)練學(xué)生的哲學(xué)思維。將單片機的一些核心功能與積極向上的人生觀和價值觀結(jié)合，單片機的中斷可以讓學(xué)生認識到合理安排時間的重要性，學(xué)會統(tǒng)籌規(guī)劃，高效利用時間。早期的單片機沒有中斷功能，與外設(shè)交換數(shù)據(jù)只能采用程序控制傳送方式，主機長時間處于等待狀態(tài)，工作效率低，時間被浪費。中斷功能使單片機具有實時處理功能，可以按重要程度及時處理隨機發(fā)生的事件，無須長時間無效等待。單片機的定時器在單片機的工作運行過程中有定時或事件計數(shù)功能，常常會被應(yīng)用于時間控制、程序延時、對外部時間計數(shù)和檢測等場合。通過對單片機定時器的學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生建立惜時勤勉的人生觀，高效利用時間，提升自身的綜合能力。

二、課程思政案例設(shè)計

（一）思政案例：小小“中國芯”，大大“航天夢”

2022年10月31日，中國在海南文昌航天發(fā)射場運用長征五號B運載火箭，將中國空間站三艙主體艙段中的最后一個艙段——夢天實驗艙成功發(fā)射升空，隨后夢天實驗艙與天和核心艙進行快速交會對接，三艙組成的“天宮”空間站全面建成，天上宮闕今始成，古人對浩瀚宇宙的向往在社會主義中國變?yōu)榱爽F(xiàn)實。1993年美國牽頭組織建造國際空間站時，中國就曾經(jīng)遞交申請，但被拒之門外。如今中國憑借自己的力量獨立開發(fā)了“天宮”空間站，并且已與19個國家和地區(qū)達成46項太空合作協(xié)議。隨著我國航天事業(yè)不斷推進發(fā)展，一大批國產(chǎn)宇航高端芯片應(yīng)運而生，宇航芯片的性能和可靠性穩(wěn)步提高，開啟了“中國芯”的飛天之路。目前我國已實現(xiàn)宇航級芯片100%自主可控，這是全體中國人的驕傲。小小“中國芯”，大大“航天夢”。

（二）思政案例：居安思危，發(fā)展國產(chǎn)單片機

居安思危，我國消費級芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)到了最迫切的關(guān)鍵時期。宇航級芯片全面國產(chǎn)化讓我們欣喜，但我們也要清醒地意識到，在消費級芯片的發(fā)展上我們?nèi)源嬖诙贪?，面對“卡脖子”難題，我們應(yīng)該怎么辦？黨的二十大報告指出，以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，集聚力量進行原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，堅決打贏關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅戰(zhàn)［6］。一代人有一代人的長征路，一代人有一代人的使命擔當，我們身處砥礪奮進的新時代，當厚植家國情懷，立勇攀科技高峰的壯志。課堂上，向?qū)W生展示宏晶科技推出的89C52單片機開發(fā)板，并進行功能演示，引出我國是全球最大的芯片消費市場，學(xué)生在學(xué)習(xí)和將來的科研或者工作中，在性能滿足的前提下，盡量選用國產(chǎn)芯片，為國產(chǎn)芯片的發(fā)展貢獻一份力量。

（三）思政案例：統(tǒng)籌規(guī)劃，高效安排時間

我國宇航級芯片已經(jīng)實現(xiàn)了獨立自主可控，為實現(xiàn)中國航天夢提供了有力支撐。以“天宮”空間站為例，空間站上的控制芯片應(yīng)對錯綜復(fù)雜的控制要求，并且對于一些隨機的突發(fā)事件及時處理，引導(dǎo)學(xué)生思考這是如何實現(xiàn)的。以單片機為代表控制芯片在發(fā)展初期，CPU與外部設(shè)備之間的信息交互采用查詢傳送方式。由于外設(shè)工作速度通常比CPU慢很多，在連續(xù)數(shù)據(jù)傳送時，CPU完成一次數(shù)據(jù)傳送后需要等待很長時間再進行下一次傳送，在等待時間內(nèi)CPU不能進行其他操作。很顯然，查詢傳送方式浪費了一種很重要的資源：時間。中斷功能的出現(xiàn)使單片機具有實時處理功能，可以按重要程度及時處理隨機發(fā)生的事件，無須長時間無效等待?？臻g站上控制芯片的中斷功能可以通過分時操作啟動多個外設(shè)同時工作，提高實時數(shù)據(jù)的處理時效，系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、越限信息和故障信息可以通過中斷立刻通知CPU，進而對系統(tǒng)實時正確的調(diào)節(jié)和控制。學(xué)生要掌握單片機中斷功能的重要作用和使用方法，反映到日常生活中，學(xué)生要學(xué)會統(tǒng)籌規(guī)劃方法，按重要性順序辦事，高效利用時間，合理規(guī)劃自己的大學(xué)生涯。

三、教學(xué)實施與改進

堅持基于學(xué)情、創(chuàng)新方法、實踐檢驗的教學(xué)理念，積極組織學(xué)生參加藍橋杯單片機組、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動，從實踐中來，到實踐中去，將競賽中的拓展知識點、軟硬件調(diào)試經(jīng)驗、作品展示方法等內(nèi)容及時反饋到課程理論教學(xué)中，把實踐作為檢驗課程思政教學(xué)成效的重要標準。構(gòu)建價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”的課程教學(xué)團隊和教學(xué)資源，滿足新時代大學(xué)生對新型教學(xué)方式和課程素材的需求。課程配套資源建設(shè)包括：選用李朝青等編著的《單片機原理及接口技術(shù)（第5版）》作為課程教材，該教材第1版至第5版已印刷50余次。教學(xué)團隊編著了應(yīng)用型本科規(guī)劃教材《電氣工程技術(shù)實訓(xùn)教程》，其中第七模塊《單片機原理及應(yīng)用實訓(xùn)》作為本課程配套的實驗教學(xué)內(nèi)容。基于超星平臺和一網(wǎng)暢學(xué)平臺建設(shè)課程配套的教學(xué)課件、思政案例庫、課后習(xí)題、芯片技術(shù)手冊、測試題庫和教學(xué)視頻等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，結(jié)合單片機原理課程特點進行科學(xué)合理的組織設(shè)計，將在線平臺資源和線下課堂教學(xué)融會貫通，滿足線上線下融合式教學(xué)理念。課程配套實驗環(huán)境包括Protues仿真平臺、單片機開發(fā)板以及創(chuàng)新性實驗平臺，能滿足認識型、驗證型以及設(shè)計型實驗教學(xué)需求。針對單片機實驗教學(xué)，基于Protues仿真平臺的實驗課程資源與線下實踐相比，學(xué)生缺乏動手實踐機會。一方面完善仿真實驗資源，按照由淺入深的原則組織驗證性和設(shè)計性實驗，形成遞進式線上實驗資源庫；另一方面，通過虛實結(jié)合的方式將線上實驗資源與線下開發(fā)板實驗融合映射，開課前為學(xué)生配備單片機口袋實驗室，形成可移動式的實踐教學(xué)新模式，為動手能力培養(yǎng)創(chuàng)造硬件條件。課程配套有產(chǎn)學(xué)研用賽結(jié)合型的師資隊伍，教學(xué)團隊是“榜樣100”全國優(yōu)秀大學(xué)生社團——EE-CUSP電子設(shè)計社團的固定教師，可以滿足課程理論教學(xué)和“雙創(chuàng)”競賽實踐能力培養(yǎng)的要求。

課程堅持過程性加結(jié)果性考核體系，并創(chuàng)新引入課程思政占比（10%），從小組討論、交流發(fā)言、思政報告、案例反思四方面考核課程思政教學(xué)成效。構(gòu)建“課前準備、課中實施、課后總結(jié)”的全過程教學(xué)反思與持續(xù)改進機制，教學(xué)完成后及時進行教學(xué)反思，根據(jù)課上問答、課后談話、答疑反饋、隨堂測試、期末考試等手段不斷優(yōu)化完善教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)理念。

1.課堂中的成功之處：記錄學(xué)生接受程度高的教學(xué)部分，分析課程思政和教學(xué)知識點與教學(xué)方法的關(guān)聯(lián)性。

2.課堂中的失誤：記錄學(xué)生接受程度低的教學(xué)部分，通過課后談話、請教名師等方式選擇合適的教學(xué)方法進行持續(xù)改進。

3.課堂中的靈感：記錄事先沒有準備，但效果很好的教學(xué)部分，進行總結(jié)并運用到日后的教學(xué)實施中。

4.課堂中的困惑：記錄課堂上不明確的教學(xué)部分，通過查閱資料和咨詢老教師進行及時學(xué)習(xí)，并運用到日后的教學(xué)實踐中。

結(jié)語

本文從宏觀維度和微觀維度出發(fā)，全面分析了“單片機原理”課程的思政特征，基于課程中天然自帶的思政元素設(shè)計了典型課程思政案例，對課程思政背景下“單片機原理”課程的教學(xué)實施與持續(xù)改進進行了探索。通過課程教學(xué)改革培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、哲學(xué)思維和工匠精神，促進學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展，爭做擔當民族復(fù)興大任的時代新人。

參考文獻

［1］教育部關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知：教高〔2020〕3號［A/OL］.（2020-06-05）［2022-11-02］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html？eqid=a2f7c9f80002888f0000000364269908.

［2］教育部等十部門關(guān)于印發(fā)《全面推進“大思政課”建設(shè)的工作方案》的通知：教社科〔2022〕3號［A/OL］.（2022-07-25）［2022-10-16］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-08/24/content_5706623.htm.

［3］李朝青，盧晉，王志勇，等.單片機原理及接口技術(shù)［M］.5版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2017：21-23.

［4］趙仁濤，李穎宏，關(guān)叢榮，等.單片機原理及應(yīng)用課堂與實踐教學(xué)改革與探討［J］.教育教學(xué)論壇，2020（42）：156-158.

［5］楊芳，劉丹丹，王計元，等.《單片機原理及應(yīng)用》課程思政教學(xué)改革探索［J］.中國電力教育，2021（S1）：180-181.

［6］習(xí)近平：高舉中國特色社會主義偉大旗幟 為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家而團結(jié)奮斗：在中國共產(chǎn)黨第二十次全國代表大會上的報告［EB/OL］.（2022-10-25）［2022-11-02］.http：//www.gov.cn/xinwen/2022-10/25/content_5721685.htm.

Exploration on the Teaching Reform of Microcontroller Principles under the Background of “Curriculum Ideology and Politics ”

LUO Wei， XIA Kun， YUAN Qing-qing

（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Microcontroller principles is the basic course for undergraduates majoring in electrical engineering and automation. Under the background of curriculum ideology and politics， this paper analyzes the curriculum ideology and politics characteristics of the Microcontroller principles， and develops the curriculum ideology and politics objectives of the course. Respectively from the macro and micro dimensions， this paper fully excavates the natural ideological and political elements in the curriculum， and elaborates three typical cases of curriculum ideology and politics. The paper explores the teaching implementation and improvement， and establishes a course teaching team that combines industry-university-research-application-competition. Then， the proportion of curriculum ideology and politics is introduced， improving the effectiveness of curriculum ideology and politics cultivating students’ patriotism， philosophical thinking and craftsman spirit.

Key words： curriculum ideology and politics; microcontroller; teaching mode; teaching case