新工科背景下“一仿二板三拓”的單片機教學新模式

摘 要 文章基于新工科建設，針對單片機原理與應用課程的工程特點，構(gòu)建分難度、多層次的實踐體系，并以工程項目為牽引，提出“一仿二板三拓”的單片機教學新模式，旨在提升學生高階實踐技能，培養(yǎng)學生舉一反三、創(chuàng)新思維和解決復雜問題的能力。

關(guān)鍵詞 新工科；單片機；混合式；教學改革

中圖分類號：G424"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.021

A New Teaching Mode for Single-chip Microcontrollers under the Background of

\"One Imitation， Two Boards， Three Expansions\" in the Context of New Engineering Disciplines

XUE Yuli1，2， LIU Xin1，2， LI Ming1，2

（1. School of Information Engineering， Shandong Youth University of Political Science， Jinan， Shandong 250103;

2. Shandong Province Intelligent Information Control New Technology Research and Development Center for Higher Education Institutions， Jinan， Shandong 250103;

Abstract Based on the construction of new engineering disciplines and the engineering characteristics of the course on microcontroller principles and applications， this article constructs a practical system with difficulty and multiple levels. Taking engineering projects as the driving force， it proposes a new teaching mode for microcontrollers called \"one imitation， two boards， and three expansions\"， which enhances students' high-level practical skills， cultivates their ability to draw analogies， innovate thinking， and solve complex problems.

Keywords new engineering; single-chip; mixed; teaching reform

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機被廣泛應用于智能產(chǎn)品、智能控制、家用電器、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等諸多領域。在電子信息工程專業(yè)的課程設計、畢業(yè)設計、學科競賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，單片機是使用最廣泛的微處理器。

新工科建設用新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展高等工程教育改革，“新工科”的提出與建設對高校工科課程改革提出了新要求。為此，許多教師開始探索新工科背景下單片機課程的教學改革 [1-5]。本文結(jié)合當前的工程教育專業(yè)認證背景，在OBE理念指導下確定教學目標，構(gòu)建分層次的混合式實踐教學體系，提出“一仿二板三拓”的教學新模式，全方位培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決復雜工程問題的能力。

1" 課程總體設計

1.1" 確定課程對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

結(jié)合行業(yè)調(diào)研和學校人才培養(yǎng)定位，山東青年政治學院電子信息工程專業(yè)確定了學生的培養(yǎng)目標和12項畢業(yè)要求，并將其分解為34個二級指標點。單片機原理與應用課程4個二級指標點的支撐關(guān)系見表1。

表1""" “單片機原理與應用”課程對畢業(yè)要求指標點的支撐關(guān)系

1.2" 課程目標制定

根據(jù)OBE理念的反向設計原則，筆者為課程支撐的4個二級指標點制定了與之對應的課程目標，并且設計了相應的評價方式（見表2，p63）。

1.3" 教學內(nèi)容重構(gòu)

課堂教學內(nèi)容重構(gòu)遵循三個原則：一是內(nèi)容符合認知和行業(yè)的崗位能力要求；二是模塊之間互相關(guān)聯(lián)，有序遞進；三是融合現(xiàn)代技術(shù)，體現(xiàn)教學高階性。著重提高以“單片機設計與應用能力”為主線的核心技術(shù)學時數(shù)，將課程主要內(nèi)容劃分為7個模塊，采用理論與實踐訓練相結(jié)合的方式開展教學。教學內(nèi)容總體框架如圖1所示。

圖1""" 教學內(nèi)容總體框架

1.4" 教學過程設計

整個教學過程設計分為線上（課前預習、課后作業(yè)）、線下（課中實踐）兩個環(huán)節(jié)。每個模塊的教學步驟：線上完成課前預習，對本模塊有個初步的了解，線下講解核心知識點，教師引導學生完成“一仿二板三拓”螺旋上升的實踐訓練，課后將作業(yè)上傳到線上教學平臺，學生獲得分析問題、解決問題、創(chuàng)新拓展的實踐能力。

2" 教學模式的創(chuàng)新

2.1" 構(gòu)建線上線下混合式教學

教師在組織教學時，線上布置課前預習視頻，將本模塊的初步知識和實際生活應用展示給學生，讓學生對所學內(nèi)容有初步了解，激發(fā)學習的積極性。線下教師講解核心知識點，分析電路的工作原理，講解核心代碼的編程思維，學生利用Proteus進行仿真，完成基本的實驗；然后，教師引導學生觀察實例電路圖和單片機開發(fā)板原理圖的異同，啟發(fā)學生在實例代碼的基礎上調(diào)整部分代碼，在單片機開發(fā)板上實現(xiàn)同樣的實驗結(jié)果；最后，拓展學生的思維，聯(lián)想生活中的類似問題，指導學生將實驗拓展到其他應用場景。

2.2" “一仿二板三拓”螺旋上升推進項目，提升學生高階實踐技能

按照高素質(zhì)應用型人才培養(yǎng)的特點和規(guī)律，在教學的各個環(huán)節(jié)中充分融入“兩性一度”理念（如圖2所示）。

圖2""" 教學環(huán)節(jié)中融入“兩性一度”理念

2.2.1" 軟件仿真

以典型應用電路為載體，引導學生分析課本實例的電路原理、編寫代碼，在Proteus上搭建電路，將hex文件燒錄到仿真單片機，觀察仿真效果。仿真效果與預期不符時，指導學生分析出現(xiàn)問題的原因，修改代碼，直至電路運行效果符合實際需求。通過軟件仿真培養(yǎng)學生的電路分析能力和基礎實踐能力。

2.2.2" 開發(fā)板實現(xiàn)

軟件仿真只是給了一個仿真結(jié)果，如何在實際硬件電路上實現(xiàn)？針對該問題，引導學生分析開發(fā)板電路與課本實例電路的不同。根據(jù)電路的不同，引導學生在軟件仿真代碼基礎上做適當調(diào)整。燒錄代碼到開發(fā)板，調(diào)試直至效果實現(xiàn)，這一步實現(xiàn)了軟件仿真到硬件電路實現(xiàn)，提升了學生舉一反三的能力，為后續(xù)利用其他例程解決實際問題提供了基本方法。

2.2.3nbsp; 高階拓展

在軟件仿真和開發(fā)板實踐的基礎上，實現(xiàn)高階拓展，主要通過兩種方式：①整合功能模塊，考慮到實際使用的各種細節(jié)，使其更趨近實際應用；②針對生活實際問題，進行系統(tǒng)設計，通過小組討論、頭腦風暴，拓展學生的思維，植入創(chuàng)新的種子，促進其理解創(chuàng)新的本質(zhì)。

通過“一仿二板三拓”螺旋上升推進項目，構(gòu)建全面、遞進的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，提升學生高階實踐技能，培養(yǎng)綜合運用知識解決應用問題的能力。

2.3" 教學設計階梯化，既體現(xiàn)個性化，又存在挑戰(zhàn)度

根據(jù)“能力導向、項目驅(qū)動”的課程建設模式，結(jié)合單片機原理與應用課程特點及學生基礎知識水平的差異，設置分難度、多層次的實踐體系，具體分為基礎性實驗、拓展性實驗和綜合性實驗，難度逐級遞增，如圖3所示?；A性實驗以運行例程為主，讓學生初步感受程序設計與運行、結(jié)果調(diào)試的整個過程，并對整體軟硬件框架有所了解。拓展性實驗是對基礎性實驗模塊進行延伸拓展，綜合多個模塊功能解決一個實際工程問題。考慮到學有余力學生的需求，課程設置了2―3個綜合性實驗，如智能溫度控制系統(tǒng)設計、家庭防盜報警系統(tǒng)設計和電子密碼鎖設計等，題目較為開放，涉及實際工程中的問題，難度也較大，學生可以根據(jù)自身知識掌握程度進行設計。

圖3""" 分難度、多層次的實踐體系

2.4" 建設網(wǎng)絡教學資源，補齊學生短板

為更好地進行線上線下混合式教學，讓數(shù)字化資源輔助線下教學，在“超星泛雅”平臺建設并逐步完善單片機原理與應用課程的網(wǎng)絡教學資源。其提供了16講的課前預習視頻、課中錄制視頻和課件、課后拓展資料。一方面，可以通過明晰課前、課中、課后的內(nèi)容，開展線上線下混合式教學，做到課前預習知大概、課中實踐提技能、課后拓展闊眼界；另一方面，將課中錄制視頻上傳到平臺，有利于學習能力較弱的學生課后回放，跟上整個班級的進度，補齊學生短板。

3" 課程考核評價

課程考核采用全過程考核評價，根據(jù)單片機原理與應用課程的特點，構(gòu)建“平時+期末、線上+線下”綜合考核評價體系，讓學生在整個學習過程中動起來、忙起來。綜合評價考核體系見表3。

4" 結(jié)語

經(jīng)過多年的教學改革與實踐，我校單片機原理與應用課程已成長為校級線上線下混合式教學一流課程，立項了省級教學改革研究項目。在進行課堂教學設計時，遵循“由簡單到復雜、由軟件仿真到硬件實踐、由一般場景到特殊應用”的認知順序；教學實施時，課程團隊使用“一仿二板三拓”螺旋上升推進項目，提升學生高階實踐技能，培養(yǎng)了學生舉一反三、創(chuàng)新和解決復雜問題的能力。單片機已成為我校電子信息工程專業(yè)學生進行科技活動、學科競賽、畢業(yè)設計的主要技術(shù)工具。近五年學生參加學科競賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的人數(shù)呈上升趨勢，極大地調(diào)動了學生開展實踐創(chuàng)新的積極性。

基金項目：山東省本科教學改革研究項目（M2022246、M2023024）；山東青年政治學院教學改革研究項目（JGZD202205、JGZD2301、JGYB202218）；山東青年政治學院教學成果獎培育項目（CGPY202208）；山東青年政治學院一流本科課程（2023YLKC10、2021YLKC04）。

參考文獻

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