基于大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽驅(qū)動(dòng)的新工科單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革探究

摘 要：“單片機(jī)”是電子信息類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，也是一門應(yīng)用型課程，其在各級(jí)電子設(shè)計(jì)競賽中均有廣泛應(yīng)用。在新工科背景下，為了迎接新一輪產(chǎn)業(yè)變革及服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，探索多課程知識(shí)融合及多學(xué)科交叉應(yīng)用是單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革的重點(diǎn)。以電子設(shè)計(jì)競賽驅(qū)動(dòng)的新工科單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革具有重要的指導(dǎo)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，十分契合新工科建設(shè)的初衷。文章分析了單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)目前存在的主要問題，并以電子設(shè)計(jì)競賽為驅(qū)動(dòng)探討單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革的主要措施，使單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)更加注重對(duì)大學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，更加注重提高大學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，也更加符合新工科背景下創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。

關(guān)鍵詞：“單片機(jī)”課程；電子設(shè)計(jì)競賽；新工科；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2024）11-0084-03

一、引言

“單片機(jī)”是電子信息類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，是理論和實(shí)踐相結(jié)合、具有較強(qiáng)實(shí)用性、關(guān)乎科技和生活方方面面的一門技術(shù)課程。近年來，諸多高校均對(duì)“單片機(jī)”課程進(jìn)行了相應(yīng)改革，從大綱、教材、教案到實(shí)驗(yàn)課、綜合設(shè)計(jì)課，再到單片機(jī)實(shí)訓(xùn)課程均有所涉及[1]。“單片機(jī)”課程改革的目標(biāo)是突出單片機(jī)本身的應(yīng)用價(jià)值，服務(wù)好科技、服務(wù)好生活，這是包括“單片機(jī)”課程在內(nèi)的諸多應(yīng)用型課程改革的初衷，也完全契合了新工科建設(shè)的宗旨——主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。新工科背景下，探討“單片機(jī)”課程改革，尤其是實(shí)踐教學(xué)改革更應(yīng)注重多學(xué)科、多課程的融合，注重課程的實(shí)踐意義，以及課程內(nèi)容和應(yīng)用的創(chuàng)新[2]。

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是教育部、工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競賽之一，電子設(shè)計(jì)競賽的題目緊跟工業(yè)領(lǐng)域熱點(diǎn)技術(shù)，能夠培養(yǎng)大學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)，提高大學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力，是面向大學(xué)生的群體性科技活動(dòng)，目的在于推動(dòng)高校電子信息類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革及課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作。

大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、新工科建設(shè)和單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革的目標(biāo)高度一致，可以簡單概括為實(shí)踐、應(yīng)用、創(chuàng)新。以新工科建設(shè)為宗旨，以電子設(shè)計(jì)競賽為驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革契合了時(shí)代發(fā)展的需求，具有明確的目標(biāo)導(dǎo)向性，凸顯了課程改革的時(shí)效性，強(qiáng)大的創(chuàng)新需求驅(qū)動(dòng)課程改革可持續(xù)進(jìn)行。

二、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的組織和特點(diǎn)

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽遵循“政府主辦、專家主導(dǎo)、學(xué)生主體、社會(huì)參與”的16字方針，以充分調(diào)動(dòng)高校和大學(xué)生的參與積極性。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是教育部主導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽之一，是面向大學(xué)生的具有廣泛性的科技活動(dòng)，其宗旨是推進(jìn)高校電子信息類學(xué)科課程體系及課程內(nèi)容改革，有助于高校實(shí)施素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力；有助于培養(yǎng)大學(xué)生的綜合素質(zhì)、提高大學(xué)生依托專業(yè)進(jìn)行電子設(shè)計(jì)制作的能力；有助于吸引高校大學(xué)生積極踴躍參加課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，為優(yōu)秀人才的培育創(chuàng)造條件。競賽的特點(diǎn)是，其能夠與理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)建設(shè)緊密結(jié)合，競賽內(nèi)容既有理論設(shè)計(jì)，又有實(shí)際操作，從而全面檢驗(yàn)和強(qiáng)化參賽大學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐創(chuàng)新能力。1994年，全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽首次舉辦，近年來其參賽大學(xué)生規(guī)模已達(dá)到4萬人左右，已成為國內(nèi)規(guī)模最大、參賽范圍最廣、最具影響力的本、?？拼髮W(xué)生的電子設(shè)計(jì)競賽之一。近年來，試題內(nèi)容以電源類、信號(hào)源類、高頻類、放大類、儀器儀表類和控制類為主，具體題目在比賽開始當(dāng)天以官方網(wǎng)站的形式公布，每個(gè)參賽隊(duì)伍只能選擇一個(gè)題目，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所選題目的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制作，然后到官方指定的比賽場地開始正式測試。整個(gè)比賽期間都要在預(yù)先指定的場地內(nèi)進(jìn)行。參賽選手可以查閱資料。設(shè)計(jì)所需的設(shè)備和器件等由參賽學(xué)校自行解決，正式測試的設(shè)備和器件由組委會(huì)提供。

三、單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與電子設(shè)計(jì)競賽能力需求的錯(cuò)位

“單片機(jī)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)以致用的能力可以很快在這門課程中體現(xiàn)出來。以黑龍江大學(xué)為例，從大學(xué)生參加級(jí)校、省級(jí)和全國的電子設(shè)計(jì)競賽的表現(xiàn)來看，部分大學(xué)生存在理論基礎(chǔ)不夠扎實(shí)、實(shí)踐操作能力不強(qiáng)、不能科學(xué)地分析問題和獨(dú)立自主地解決問題等情況，折射出實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）理論與實(shí)踐脫節(jié)

“單片機(jī)”課程包括理論課、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課。由于缺乏靈活多樣的考核方式，當(dāng)前的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)仍采用傳統(tǒng)的考試方式來檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)和應(yīng)用脫節(jié)，無法有效銜接?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)課和理論課是一脈相承的，但由于單片機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)多年來更新較慢，單片機(jī)的新進(jìn)展和新技術(shù)沒有及時(shí)補(bǔ)充到理論課當(dāng)中，使得多年來理論教學(xué)內(nèi)容趨于固化，致使基于理論課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容也沒有得到及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致多年的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一成不變，缺乏挑戰(zhàn)和新意，造成大學(xué)生甚至教師對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)重視不夠，所導(dǎo)致的教學(xué)效果自然不盡理想。在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)階段，就體現(xiàn)出了這種基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)的弊端，如在參加電子設(shè)計(jì)競賽的過程中，部分大學(xué)生在面對(duì)新問題時(shí)無從下手，還需要重新系統(tǒng)地學(xué)習(xí)單片機(jī)的知識(shí)，浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間，增加了競賽的難度，降低了團(tuán)隊(duì)的競爭力。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入不夠

大多數(shù)開設(shè)“單片機(jī)”課程的高校能夠提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)條件，但是部分高校，特別是地方院校存在單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新速度慢、設(shè)備陳舊的現(xiàn)象。例如，部分高校的單片機(jī)多為8051單片機(jī)并采用匯編語言開發(fā)，即便能夠滿足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)需求，但在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和電子設(shè)計(jì)競賽實(shí)訓(xùn)所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地方面則普遍不足。由于綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)涉及的題目和內(nèi)容較多，個(gè)性化差異又很明顯，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求就更高，不僅要有基礎(chǔ)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還要有常用的開發(fā)硬件，如電機(jī)、攝像頭、放大電路、傳感器等。這使得大多數(shù)高校不能為大學(xué)生提供開展綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需的條件，而只能局限于軟件仿真，這就造成了大學(xué)生解決實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn)欠缺，進(jìn)而導(dǎo)致能力不足。然而，分析、排查并最終解決電路實(shí)際問題的能力是參加電子設(shè)計(jì)競賽必須具備的技能，是軟件仿真不能給予的。

（三）教學(xué)內(nèi)容過時(shí)

“單片機(jī)”是高校電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是全國大多數(shù)高校都開設(shè)的一門課程，受眾大學(xué)生很廣。大多數(shù)高校教授的單片機(jī)依然是八位單片機(jī)，這種單片機(jī)自問世以來經(jīng)過數(shù)次產(chǎn)品迭代升級(jí)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，影響深遠(yuǎn)。由于問世時(shí)間較長，內(nèi)容基礎(chǔ)，其成為大多數(shù)“單片機(jī)”課程的首選。但是，這也造成了目前的主流教材和教輔材料內(nèi)容同質(zhì)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，多年來幾乎是千篇一律，導(dǎo)致理論課和實(shí)驗(yàn)課的知識(shí)更新速度較慢，授課內(nèi)容乏善可陳。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容過時(shí)，導(dǎo)致無法與電子設(shè)計(jì)競賽內(nèi)容接軌，進(jìn)而不能反映工程領(lǐng)域熱點(diǎn)問題。

（四）教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方式單一

目前，多數(shù)高?！皢纹瑱C(jī)”課程的授課方式依然是以課堂講授為主，板書、PPT的展示占據(jù)了課堂的大部分時(shí)間。大學(xué)生學(xué)習(xí)這樣一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，卻依然停留在書本、黑板和PPT上，停留在傳統(tǒng)的教學(xué)方式上，這對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，提高融會(huì)貫通的能力極為不利。雖然配套的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)具備實(shí)踐的屬性，但是這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大都源于教材，基礎(chǔ)內(nèi)容更新較慢，較少涉及電子設(shè)計(jì)競賽所需的前沿知識(shí)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過于單一，沒有制定因人而宜的差異化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不能綜合考量大學(xué)生分析問題、解決問題的能力，導(dǎo)致最終的學(xué)習(xí)成效有限，沒有為后續(xù)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和電子設(shè)計(jì)競賽提供有效的能力儲(chǔ)備。

四、新工科單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革的方向和動(dòng)力

為了培養(yǎng)造就一批引領(lǐng)未來科技和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的優(yōu)秀工程技術(shù)人才，為我國提供智力支持和人才保障，教育部提出了新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識(shí)”和“天大行動(dòng)”。電子信息類專業(yè)是工科的重要組成部分，是gRScqgA8TbVLRXUUwGbNfM0uvcR6AUF5lJgG0T2gpdI=新工科建設(shè)的重要方面。“單片機(jī)”及其相關(guān)課程是電子信息類專業(yè)的重要實(shí)踐課程，可以說教好、學(xué)好、用好單片機(jī)將在新工科建設(shè)中發(fā)揮重要作用[3]。新時(shí)代，在面向電子設(shè)計(jì)競賽需求的驅(qū)動(dòng)下，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的時(shí)代召喚下，單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手。

（一）創(chuàng)新課堂教學(xué)方式

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以板書和PPT講授為主，不能激發(fā)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。授課教師要依托單片機(jī)硬件架構(gòu)，從基本應(yīng)用出發(fā)，以案例式教學(xué)和問題分析式教學(xué)主導(dǎo)課堂，改變教師講、學(xué)生聽的傳統(tǒng)模式[4]。讓大學(xué)生參與到教學(xué)中的較好方式是圍繞授課內(nèi)容由教師提出問題，大學(xué)生分析問題，再由教師幫助解決問題。教師可以引入經(jīng)典的電子設(shè)計(jì)競賽案例，并解讀題目，引導(dǎo)大學(xué)生思考題目并提出方案，教師擇優(yōu)點(diǎn)評(píng)并示范完成案例設(shè)計(jì)。整個(gè)教學(xué)過程可以在多媒體教室通過仿真軟件驗(yàn)證的方式完成，可以采用競標(biāo)式、競賽式的方式完成相應(yīng)內(nèi)容，并將大學(xué)生表現(xiàn)作為平時(shí)成績的重要參考，這樣既能夠讓大學(xué)生感受到課堂的活力，又能夠提高他們的參與感和獲得感。

（二）理論與實(shí)踐有效銜接

綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是“單片機(jī)”課程理論與實(shí)踐有效銜接的重要途徑，也是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果和能力的重要載體。目前，大多數(shù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容依然存在更新較慢、題目陳舊等問題。順應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步和需求的提高，及時(shí)更新綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目是亟須解決的問題。高校要著眼當(dāng)前熱點(diǎn)應(yīng)用，尤其是近5年的各級(jí)電子設(shè)計(jì)競賽內(nèi)容，擇優(yōu)列入綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，從而增加以問題為導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，淘汰那些多年沉積已被新技術(shù)淘汰的落后題目，以注重提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力為宗旨，持續(xù)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)。

（三）提高科技前沿知識(shí)的比例

近年來，人工智能和大數(shù)據(jù)的興起對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)提出了新的要求。單片機(jī)自問世以來，雖然硬件技術(shù)經(jīng)過若干次迭代已有長足進(jìn)步，但是目前的教學(xué)內(nèi)容依然是依托相對(duì)落后的技術(shù)產(chǎn)品展開。因此，各高校應(yīng)適時(shí)更新老家內(nèi)容，讓新型單片機(jī)知識(shí)進(jìn)大綱、進(jìn)教材、進(jìn)課堂、進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。任課教師應(yīng)適時(shí)增加當(dāng)前電子設(shè)計(jì)競賽中單片機(jī)的主要應(yīng)用案例，并結(jié)合具體案例更新編程思想和程序，體現(xiàn)單片機(jī)的前沿性和實(shí)用性。

（四）加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)力度

開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室是高校培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的重要陣地[5]，應(yīng)發(fā)揮創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)和電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)中的“橋頭堡”作用，同時(shí)要加大創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)力度，保證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量、面積和相關(guān)的硬件配套措施完備。由于近幾年的電子設(shè)計(jì)競賽緊密關(guān)聯(lián)當(dāng)前科技發(fā)展主題，設(shè)計(jì)內(nèi)容融入了前沿知識(shí)和先進(jìn)的芯片技術(shù)，這就需要各高校及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，使大學(xué)生在平時(shí)的訓(xùn)練中有更多機(jī)會(huì)接觸前沿知識(shí)和設(shè)備，同時(shí)要加大創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的覆蓋面，讓更多低年級(jí)大學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。受眾大學(xué)生的廣度最終決定了電子設(shè)計(jì)競賽成績的高度，只有更多的大學(xué)生尤其是低年級(jí)的大學(xué)生積極參與到電子設(shè)計(jì)競賽中來，才能充分調(diào)動(dòng)大學(xué)生的參與熱情，發(fā)揮大學(xué)生的聰明才智，保持電子設(shè)計(jì)競賽的活力。高校要發(fā)揮高年級(jí)大學(xué)生的傳幫帶作用，高年級(jí)和低年級(jí)的大學(xué)生交叉組隊(duì)，共同學(xué)習(xí)，最終把創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室打造成學(xué)習(xí)、傳承、實(shí)踐、創(chuàng)新的陣地。

（五）擴(kuò)大電子設(shè)計(jì)競賽的覆蓋面

以賽促學(xué)是有效的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方式。工科院校應(yīng)加大校內(nèi)電子設(shè)計(jì)競賽的覆蓋面，讓更多的大學(xué)生參與其中，感受電子設(shè)計(jì)競賽的規(guī)則、形式和氛圍。通過多種形式的競賽使大學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、最終通過自己的努力解決問題的能力，同時(shí)還鍛煉了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，而這些能力是課堂無法給予的。當(dāng)參與的大學(xué)生達(dá)到一定規(guī)模后，又能夠反向提高課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的效果，最終達(dá)到以賽促學(xué)的良性循環(huán)并形成長效機(jī)制。

（六）發(fā)揮指導(dǎo)教師的模范引領(lǐng)作用

電子設(shè)計(jì)競賽指導(dǎo)教師，尤其是多年從事電子設(shè)計(jì)競賽指導(dǎo)工作的教師，具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是真正的雙師型教師。高校應(yīng)增加此類教師的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，特別是增加對(duì)低年級(jí)大學(xué)生的單片機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，讓知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育階段發(fā)揮重要作用；鼓勵(lì)專家型教師依托創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室開設(shè)電子設(shè)計(jì)選修課，且課程要兼顧基礎(chǔ)與應(yīng)用，理論與實(shí)踐；鼓勵(lì)大學(xué)生跨學(xué)院、跨專業(yè)選修相關(guān)課程，做到學(xué)科交叉、相互借鑒，培養(yǎng)出大批參加電子設(shè)計(jì)競賽的潛在力量。

五、結(jié)束語

當(dāng)今世界正處于百年未有之大變局，新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮奔涌而至，推動(dòng)著高等教育的快速發(fā)展。面對(duì)大數(shù)據(jù)、人工智能等新興熱門領(lǐng)域，高校應(yīng)緊跟時(shí)代步伐，加大對(duì)新興專業(yè)大學(xué)生的教育和培養(yǎng)力度。在新工科建設(shè)大背景下，對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)的課程進(jìn)行升級(jí)改造也勢(shì)在必行。改造不等于拋棄，相反更應(yīng)得到重視?！皢纹瑱C(jī)”是本科階段計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)和信息科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的入門課程，也是重要的基礎(chǔ)學(xué)科。改革和升級(jí)要找好切入點(diǎn)，不能為了改而改，要見實(shí)效、見成績。而以電子設(shè)計(jì)競賽為目的的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革，既能體現(xiàn)新工科的建設(shè)初衷，又能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新、實(shí)踐驅(qū)動(dòng)課程發(fā)展，是一舉多得的、有效的改革措施。

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■ 編輯∕丁俊玲