三維視角融合下理論與實踐結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容改革研究與探索

摘 要：《單片機原理與應(yīng)用》課程在理論和實踐之間往往出現(xiàn)脫節(jié)，缺乏與實際應(yīng)用相結(jié)合的案例，教學(xué)內(nèi)容更新緩慢，難以跟上技術(shù)進(jìn)步的步伐，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)到的知識很快變得過時，無法滿足將來工作的需求。針對上述問題，本研究構(gòu)建了一個基于三維度視角融合的教學(xué)內(nèi)容體系，從學(xué)術(shù)視角、生活視角、工程視角三個維度推動課程教學(xué)改革。以肇慶新能源汽車產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和專業(yè)人才培養(yǎng)為抓手，以汽車單片機為特色，完善課程體系，涵蓋汽車單片機仿真實驗、學(xué)生競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目三個層次。在教學(xué)中深挖思政元素，將專業(yè)知識和思政教育有機結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的全面素養(yǎng)和社會責(zé)任感。課程的創(chuàng)新改革讓各工科專業(yè)學(xué)生廣泛受益，創(chuàng)新實踐能力顯著增強。

關(guān)鍵詞：單片機原理與應(yīng)用 三維視角融合 課程改革 新工科

1 緒論

隨著科技的飛速發(fā)展和社會的不斷變革，新興科技如信息技術(shù)和人工智能正迅速崛起，嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也日益普及。在新工科的大背景下，教育需求和教學(xué)改革呈現(xiàn)出越來越明顯的趨勢[1-2]。在這個充滿挑戰(zhàn)和機遇的時代，培養(yǎng)具備實踐能力、能夠適應(yīng)未來科技發(fā)展的高素質(zhì)人才成為教育的重要使命[3-4]。作為嵌入式系統(tǒng)的核心組成部分，單片機具有體積小、功能強大、價格低廉、易于應(yīng)用等一系列優(yōu)勢，在工農(nóng)業(yè)、國防、交通、民用等各個領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。掌握單片機的原理與應(yīng)用對于適應(yīng)科技發(fā)展趨勢、把握未來技術(shù)發(fā)展方向至關(guān)重要[5-7]。

《單片機原理與應(yīng)用》課程作為工科類課程的重要組成部分，不僅承載著傳授理論知識的任務(wù)，更注重學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計原理，為實際工程項目的開發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支持[8，9]。傳統(tǒng)的單片機課程更注重理論知識的傳授，然而企業(yè)對人才的需求不再局限于專業(yè)知識，更看重學(xué)生的實踐能力和解決問題的能力[10]。因此，對《單片機原理與應(yīng)用》課程改革具有重要意義。

2 目前教學(xué)中存在的問題

《單片機原理與應(yīng)用》課程的前導(dǎo)課包括《計算機程序設(shè)計》《電工與電子電路》《數(shù)字電路》等，后續(xù)銜接內(nèi)容主要有《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》《新能源汽車技術(shù)》等專業(yè)課及課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計，在新工科專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)過程中起到承上啟下的關(guān)鍵作用。該課程理論性、實踐性和工程性都很強，知識點眾多、課程難度系數(shù)大。目前在教學(xué)過程中，主要存在以下問題：

首先，課程涉及專業(yè)課范圍較廣，需要學(xué)生具有一定的知識面和理論基礎(chǔ)。許多學(xué)生對于前導(dǎo)課程的掌握不夠扎實，需要教師針對前導(dǎo)內(nèi)容進(jìn)行額外復(fù)習(xí)，完成課程知識點之間的過渡，否則就會造成學(xué)生對課程理解不深，影響教學(xué)效果。教師通常以課題講授方式為學(xué)生講解知識點，學(xué)生靠死記硬背的方式完成知識點的學(xué)習(xí)。此外，隨著單片機不斷發(fā)展，新的技術(shù)和方法層出不窮。然而，課程教材和教學(xué)內(nèi)容的更新速度往往跟不上技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)到的知識過時，無法滿足實際工作需求。

其次，理論知識和實際操作往往存在較大的脫節(jié)，缺乏實際應(yīng)用案例。實驗課通常和理論課程分開，學(xué)生只有在上實驗課時才會操作相關(guān)軟件和設(shè)備，理論知識與實驗內(nèi)容沒有達(dá)到很好地融合促進(jìn)。在實驗課中，老師布置的任務(wù)主要來自課本，學(xué)生無法獲得與實際工程相關(guān)的知識和經(jīng)驗。此外，課程實驗室設(shè)備陳舊，無法滿足現(xiàn)代單片機技術(shù)發(fā)展的需求，也限制了學(xué)生對新技術(shù)的學(xué)習(xí)和實踐能力的培養(yǎng)。

第三，教學(xué)內(nèi)容與思政教育的結(jié)合程度不夠。雖然課程嘗試將思政元素融入單片機教學(xué)中，但融合部分往往僅停留在表面層次。任課教師通常針對課程的部分知識點和獨立的思政元素聯(lián)系，思政案例與單片機技術(shù)本身的關(guān)聯(lián)并不緊密，也沒有一個貫穿課程始終的內(nèi)容。這種方式使得教學(xué)內(nèi)容與思政內(nèi)容缺乏深度融合，導(dǎo)致學(xué)生難以理解和領(lǐng)會其深層含義。

3 課程改革措施

3.1 改革思路

《單片機原理與應(yīng)用》是我院機械工程、車輛工程專業(yè)的必修課程，不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)課程起到承前啟后的作用，還為今后從事嵌入式開發(fā)、汽車電子等相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。本課程改革以新工科背景為指導(dǎo)，強調(diào)實踐教學(xué)、創(chuàng)新教育和綜合素養(yǎng)培養(yǎng)。課程利用地方企業(yè)的軟硬件資源、工程項目資源，從學(xué)術(shù)視角、生活視角、工程視角三個維度的不同方面，推動課程理論與實踐教學(xué)改革。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計不拘泥于教材，要“來源于生活，而高于生活”，挖掘生活中的實例并對其加工提煉。遵循由簡到繁、逐層深入、循序漸進(jìn)的方式組織教學(xué)。從“知行合一”思想出發(fā)，強調(diào)“做中學(xué)”，設(shè)計以企業(yè)需求為導(dǎo)向的實驗項目，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過程中將課上學(xué)習(xí)的知識內(nèi)化為自己的知識。注重差異化教學(xué)，根據(jù)課程特點設(shè)計不同層次、不同難度的項目要求，讓學(xué)生根據(jù)自身能力自主選擇，鼓勵學(xué)生個性化學(xué)習(xí)。

3.2 改革實施方法

3.2.1 設(shè)計基于三維視角融合的創(chuàng)新教學(xué)體系

從學(xué)術(shù)視角、生活視角、工程視角三個維度的不同方面，構(gòu)建全方位人才培養(yǎng)體系。在學(xué)術(shù)視角維度上，引入前沿科技如新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、智能制造等知識，拓展單片機在智能化領(lǐng)域的應(yīng)用。在生活視角維度上，挖掘生活中的實例并與理論內(nèi)容結(jié)合，加強與本課程相關(guān)的大學(xué)生競賽等、科技創(chuàng)新等活動的組織、培訓(xùn)工作，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在工程視角維度上，開展校企合作，引入企業(yè)優(yōu)質(zhì)的軟硬件資源，根據(jù)地方產(chǎn)業(yè)特色建立新能源汽車電子、單片機實驗室，將企業(yè)實際需求項目納入課程教學(xué)。

課程遵循“夯實基礎(chǔ)，提高能力，舉一反三”的教學(xué)理念，在教學(xué)過程中采用“問題—理論—方法—思維擴展”的創(chuàng)新教學(xué)法，一方面強化學(xué)生對于基礎(chǔ)知識的積累，另一方面引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)知識與工程應(yīng)用相結(jié)合。將課前、課中和課后聯(lián)系起來，延展課堂教學(xué)。在課堂教學(xué)前，通過班級群等通訊軟件進(jìn)行難點調(diào)查，針對性地在課堂上深入引導(dǎo)學(xué)生理解難點知識；課堂教學(xué)時，利用雨課堂進(jìn)行師生互動，引導(dǎo)學(xué)生分組討論思考題，開展翻轉(zhuǎn)課堂活動；課堂教學(xué)后，利用線上資源進(jìn)行知識擴展，引導(dǎo)學(xué)生了解單片機芯片在我國的發(fā)展情況，增強學(xué)生的民族自豪感和自信心。如圖1所示，通過將科技競賽內(nèi)容、日常生活內(nèi)容與知識點融合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且拓展了單片機在智能汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用。

采用多樣化的教學(xué)形式，利用雨課堂等教學(xué)管理系統(tǒng)，提供豐富的學(xué)習(xí)資源和互動交流的機會。利用信息化技術(shù)，使用投影儀、電子白板等多媒體設(shè)備，展示單片機原理、應(yīng)用案例、實驗演示等，提供視聽化的教學(xué)效果。對課程中枯燥的理論知識配以豐富的動態(tài)畫面，插入與日常生活相關(guān)的引導(dǎo)性發(fā)問、知識細(xì)節(jié)提示等，使多媒體課件在教學(xué)過程中的作用達(dá)到最大化。利用仿真軟件在計算機上進(jìn)行虛擬實驗和調(diào)試，幫助學(xué)生理解課上講解的理論內(nèi)容和實驗過程。通過給同學(xué)們觀看教學(xué)資源，讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行互動討論、實驗操作或項目實踐，提高學(xué)生的參與度和實際應(yīng)用能力。

3.2.2 優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計實驗項目和編寫實驗指導(dǎo)書

以肇慶市深化院校與本地新能源汽車企業(yè)共建實訓(xùn)平臺項目為依托，以肇慶新能源汽車產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和學(xué)校專業(yè)人才培養(yǎng)特色，引入本地企業(yè)優(yōu)秀的資源和實際工程需求，以單片機解決實際問題為引導(dǎo)，以汽車單片機為特色，設(shè)置多個工程案例，完善單片機原理實驗課程體系，涵蓋單片機基礎(chǔ)仿真實驗、汽車單片機實驗以及學(xué)生競賽、科研實踐三個層次。

在實踐過程中，以工程實際問題牽引，引領(lǐng)學(xué)生利用所學(xué)知識自主解決問題。實驗以小組為單位展開，通過小組之間的競賽、投票等方式，充分調(diào)動學(xué)生的積極性與探索性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。任課教師根據(jù)學(xué)生的討論結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并提煉出研究、分析和解決問題的方法。開展“差異化”任務(wù)分配，設(shè)置基礎(chǔ)項目、進(jìn)階項目，滿足不同基礎(chǔ)的學(xué)生。日常教學(xué)活動與學(xué)生競賽、課外科技活動相結(jié)合，積極組織學(xué)生參加全國大學(xué)生智能車競賽、工程實踐能力創(chuàng)新競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“挑戰(zhàn)杯”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新精神，提升課程的挑戰(zhàn)度。

3.2.3 課程思政元素融合

在新工科背景下，將課程思政元素與課程內(nèi)容進(jìn)行深入融合具有重要意義。收集和整理與單片機課程相關(guān)的思政教育素材，利用網(wǎng)上與課程內(nèi)容相關(guān)的優(yōu)秀思政素材例如《百年機遇》《大國交通》等貫穿課程始終，建立一個整體式的思政元素庫，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機技術(shù)的同時增強思政教育的知識素養(yǎng)。思政內(nèi)容主要通過以下幾個方面實施：（1）課堂講授。在理論課程中，強調(diào)工程技術(shù)的社會價值和影響，鼓勵學(xué)生將技術(shù)運用于社會問題、生活問題的解決。（2）案例分析。在案例分析中加入社會責(zé)任、倫理道德等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生思考技術(shù)與社會的關(guān)系。通過查閱文獻(xiàn)了解我國近幾年在芯片及單片機領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感、科技信心及專業(yè)認(rèn)同感。（3）項目驅(qū)動。在實踐課中，將社會熱點需求納入項目，鼓勵學(xué)生從工程技術(shù)角度尋找解決方案。通過對人工智能、新能源汽車等新興技術(shù)領(lǐng)域的討論，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。（4）分組討論。項目實踐中，將學(xué)生分組，模擬工程項目團(tuán)隊。通過團(tuán)隊協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力和溝通能力，強調(diào)團(tuán)隊的重要性。

通過將專業(yè)知識和思政教育有機結(jié)合，取得了良好成效。學(xué)生在課程中不僅獲得了專業(yè)技能，還培養(yǎng)了全面素養(yǎng)和社會責(zé)任感。許多學(xué)生在項目實踐中展現(xiàn)出創(chuàng)新想法，關(guān)注社會問題，在工程實踐能力大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、恩智浦智能車比賽中取得了好成績。

3.2.4 多元化課程考核方式

評估方法圍繞立德樹人的根本任務(wù)，注重考核全程化，標(biāo)準(zhǔn)多元化，維度多面化，方式多樣化，構(gòu)建全方位學(xué)業(yè)評價體系。學(xué)生的成績主要包括課堂參與、作業(yè)、實驗報告、項目成果。評價注重“非標(biāo)準(zhǔn)答案”測試，重在啟發(fā)思維，引領(lǐng)價值。其中，課堂參與部分占20%，根據(jù)學(xué)生完成課堂任務(wù)以及作業(yè)情況評分，鼓勵學(xué)生積極參與課堂討論和交流；實驗部分占20%，注重學(xué)生對于知識的理解和應(yīng)用；綜合項目實踐占40%，以小組為單位進(jìn)行開發(fā)和演示，同學(xué)進(jìn)行互評并配合教師打分，綜合評定每組表現(xiàn)，體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作能力。

4 總結(jié)

單片機課程是一門綜合性應(yīng)用型課程，在教學(xué)過程必須充分將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，通過案例與實驗來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過課后實踐和學(xué)科競賽使得課程學(xué)習(xí)時間得以延伸。經(jīng)過教學(xué)創(chuàng)新改革，使近500名學(xué)生受益，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。學(xué)生的參與度顯著提高，在課程中表現(xiàn)出更大的學(xué)習(xí)積極性和自主性。課程的多元化評價方法激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力，他們在開放性問題和項目實踐中展現(xiàn)出了優(yōu)異的表現(xiàn)。本課程的教學(xué)應(yīng)用不僅限于校內(nèi)，還積極融入校外社會實踐和產(chǎn)業(yè)合作。通過與企業(yè)合作，將實際工程項目納入課程，使學(xué)生在解決實際問題中獲得實際經(jīng)驗，對行業(yè)趨勢有了更深刻的認(rèn)識。在課程團(tuán)隊教師指導(dǎo)下，學(xué)生積極參加各類科研活動和學(xué)科競賽并取得了較好的成績。此外，實踐教學(xué)扎實推進(jìn)，與課程教學(xué)進(jìn)行深度融合。通過改革，課程教學(xué)成效不斷提升，認(rèn)可度不斷增強，在實際的授課中受到學(xué)生一致好評。

基金項目：教育部協(xié)同育人項目“新工科背景下基于三維視角融合的《單片機原理與應(yīng)用》課程教學(xué)改革與實踐”；肇慶學(xué)院校級課程思政改革示范項目（示范課堂）。

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