“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革創(chuàng)新與實(shí)踐

摘"要：“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是電子信息類和儀器類專業(yè)的專業(yè)核心課程，是一門面向應(yīng)用、具有較強(qiáng)實(shí)踐性與綜合性的課程。針對學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、教練分離、實(shí)踐教學(xué)手段單一、深度學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力不足等教學(xué)問題，在現(xiàn)有課程體系的基礎(chǔ)上，提出面向新工科的“三結(jié)合、四促進(jìn)、五評價(jià)”的教學(xué)改革方案。教學(xué)創(chuàng)新改革激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，提升了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。單片機(jī)教學(xué)改革的思路和方法對其他應(yīng)用型學(xué)科教學(xué)改革起到了示范和推廣作用。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；教學(xué)改革；實(shí)踐能力提升；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著科技的迅速發(fā)展，企業(yè)對電子類專業(yè)技術(shù)人才提出了更為嚴(yán)格的要求，大學(xué)生在畢業(yè)前就要具有一定的實(shí)踐動手能力和開發(fā)設(shè)計(jì)能力?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”是現(xiàn)代電子智能儀器儀表及智能系統(tǒng)的重要組成部分，學(xué)習(xí)本課程可以使學(xué)生掌握一種實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品智能化控制的方法。因此，在學(xué)習(xí)單片機(jī)課程時(shí)除了基本理論知識的學(xué)習(xí)，更要注重實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在現(xiàn)有課程體系的基礎(chǔ)上，有針對性地進(jìn)行教學(xué)改革，是必要也是必須的。

1"教學(xué)問題分析

針對學(xué)生特點(diǎn)和傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)模式，總結(jié)出以下教學(xué)過程中存在的問題。

1.1"學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)動力不足

學(xué)生在學(xué)習(xí)方式上仍延續(xù)傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式，在課堂上一味依賴教師的講授，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)能力弱化，學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力不足。

1.2"教學(xué)手段單一，學(xué)習(xí)缺乏興趣

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，以教師為中心，學(xué)生屬于被動的接受者，在該模式下，學(xué)生只能被動地接受知識，久而久之，就會缺乏學(xué)習(xí)的主動性，更無法體會到主動學(xué)習(xí)的樂趣。

1.3"實(shí)踐內(nèi)容單一，項(xiàng)目缺乏創(chuàng)新

隨著教育重心由教向?qū)W進(jìn)行轉(zhuǎn)變，學(xué)生對內(nèi)容的感知變得越來越重要，選擇什么樣的教學(xué)內(nèi)容就顯得非常重要。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容陳舊，方法單一，手段落后。

1.4"創(chuàng)新思維不足，創(chuàng)新能力欠缺

單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性、設(shè)計(jì)性和綜合性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)重視課本知識和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，忽視了學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)。

2"教學(xué)創(chuàng)新理念與思路

吳永軍教授［1］指出創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)是對常規(guī)的突破，一是對舊有的理論進(jìn)行突破，以解釋新的現(xiàn)象，指導(dǎo)新的實(shí)踐；二是對已有的方法進(jìn)行突破，尋找新的方法以解決舊有的問題或新出現(xiàn)的矛盾和問題。因此，在單片機(jī)教學(xué)改革中要打破舊的教學(xué)模式和更新教學(xué)內(nèi)容。

2.1"打破理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)邊界

理論實(shí)踐一體化教學(xué)從知行合一、手腦并用的教育理念出發(fā)，打破理論課與實(shí)踐課的界限，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融為一體，能很好地解決理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的問題，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，調(diào)動學(xué)生的興趣，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體參與作用。

2.2"利用網(wǎng)上資源豐富線下課堂

當(dāng)今社會，教育資源泛在化，學(xué)校不再是獲取知識的唯一場所；同時(shí)，技術(shù)賦能化，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)都在為教育賦能［2］。充分利用網(wǎng)上資源豐富線下課堂是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流。

2.3"課內(nèi)知識與課外學(xué)科競賽融合

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，信息大爆炸，知識不像過去那樣割裂，所以對知識的整合能力顯得更加重要。在課內(nèi)將課程內(nèi)容密切結(jié)合學(xué)科競賽知識進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，在課外鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽項(xiàng)目。通過競賽形式將單片機(jī)知識與其他學(xué)科知識進(jìn)行整合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。

2.4"改革考核機(jī)制，豐富考核維度

為進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效提高教學(xué)質(zhì)量，需要加強(qiáng)教學(xué)過程中的考核?？己藨?yīng)以能力水平為主要指標(biāo)，重視專業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)技能的考核。改變原有單一評價(jià)方式，從多個維度進(jìn)行綜合性評價(jià)。

3"創(chuàng)新方法與舉措

3.1"教學(xué)方式新變化——“三結(jié)合”

（1）理論與實(shí)踐一體化教學(xué)［3］，理實(shí)一體化教學(xué)不是將教學(xué)過程簡單化，而是對教學(xué)過程提出了更高的要求。學(xué)校要有與專業(yè)和規(guī)模相適應(yīng)的硬件設(shè)備和學(xué)習(xí)環(huán)境，要有相應(yīng)的教材和實(shí)踐項(xiàng)目支撐，要有過硬的師資隊(duì)伍。

①學(xué)習(xí)環(huán)境的轉(zhuǎn)變。教學(xué)活動由原來的多媒體教室轉(zhuǎn)移到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室中配有多媒體教學(xué)設(shè)備，能夠滿足日常的理論教學(xué)活動。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建上除了學(xué)生端和教師端的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備外，還配有自主研發(fā)的單片機(jī)學(xué)習(xí)開發(fā)板，不但可以滿足日常的實(shí)踐教學(xué)，還可以作為校內(nèi)外學(xué)科競賽的實(shí)訓(xùn)平臺。

②實(shí)踐項(xiàng)目的提煉。在保留原課程知識體系完整的前提下，打破章節(jié)界限，設(shè)計(jì)貼近日常生活的項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容。將書本知識與生活應(yīng)用結(jié)合起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性［45］。

③師資隊(duì)伍建設(shè)。單片機(jī)教學(xué)團(tuán)隊(duì)除了擔(dān)任單片機(jī)教學(xué)活動，還承擔(dān)著單片機(jī)類學(xué)科競賽的組織、培訓(xùn)、指導(dǎo)和選拔的工作。通過校外學(xué)科競賽指導(dǎo)培訓(xùn)，提升團(tuán)隊(duì)教師大賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到以賽促教的教學(xué)目的。

（2）線上與線下混合式教學(xué)，借助線上資源，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，拓寬學(xué)習(xí)知識面；幫助教師補(bǔ)充教學(xué)資源，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性［68］。線上與線下混合式教學(xué)主要從以下4個方面進(jìn)行混合。

線上自學(xué)：線上自學(xué)內(nèi)容包括2個部分：第一，利用慕課資源布置章節(jié)學(xué)習(xí)知識點(diǎn)，通過這種方式為線下課打基礎(chǔ)、做鋪墊；第二，項(xiàng)目的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)節(jié)奏，可以通過看視頻講座、聽播客、閱讀電子書、與其他同學(xué)網(wǎng)上討論等多種形式完成。

課前測試：在開始線下課前，教師通過云班課平臺發(fā)布課前測試，主要針對線上自學(xué)章節(jié)知識點(diǎn)情況進(jìn)行摸底，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而有針對性地指導(dǎo)線下課的講解內(nèi)容。

翻轉(zhuǎn)課堂［9］：主要針對線上自學(xué)項(xiàng)目情況進(jìn)行摸底。教師與學(xué)生轉(zhuǎn)換角色，讓學(xué)生講解項(xiàng)目設(shè)計(jì)的編程思路、軟硬件實(shí)現(xiàn)過程、項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)等，教師對學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方法給出點(diǎn)評和建議。這種模式延展了課內(nèi)教學(xué)的時(shí)間和空間，使教師有更多的時(shí)間與學(xué)生交流，指導(dǎo)學(xué)習(xí)情況。

課后思考：根據(jù)課堂反饋，布置課后的延展性學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生可以通過課上所學(xué)或利用網(wǎng)上資源進(jìn)行自主分析和學(xué)習(xí)，提升實(shí)踐能力。

（3）課內(nèi)與課外促進(jìn)式教學(xué)，以賽促學(xué)，以賽促教［1011］。依托“藍(lán)橋杯”學(xué)科競賽平臺，結(jié)合人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，采用微項(xiàng)目式驅(qū)動教學(xué)。基本流程是項(xiàng)目任務(wù)解讀、項(xiàng)目功能分析、項(xiàng)目功能實(shí)現(xiàn)、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)分享及項(xiàng)目成果評比，提升學(xué)生的實(shí)踐動手能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

3.2"教學(xué)手段新變化——“四促進(jìn)”

“四促進(jìn)”即分組教學(xué)促協(xié)作、分級教學(xué)促平衡、項(xiàng)目教學(xué)促提升、競賽教學(xué)促實(shí)踐。每一種教學(xué)手段對應(yīng)解決不同的教學(xué)問題，如圖1所示。

分組教學(xué)：在課內(nèi)，以分組形式組織討論和學(xué)習(xí)；在課外，以分組形式進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)，通過分組增加團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)作能力。

分級教學(xué)：針對學(xué)習(xí)目標(biāo)、內(nèi)容的多樣性和學(xué)習(xí)者個體的差異性，實(shí)施兩分級教學(xué)。大分級：不同專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容分級；小分級：同一專業(yè)學(xué)生分級。將學(xué)生分為3個級別：優(yōu)、良、中。在課程學(xué)習(xí)時(shí)，重點(diǎn)培養(yǎng)優(yōu)等生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和良等生的拔高能力，重點(diǎn)關(guān)注中等生對于書本知識的掌握和理解情況。

項(xiàng)目教學(xué)：針對單片機(jī)課程的綜合性和實(shí)踐性，提煉出3個綜合項(xiàng)目，以項(xiàng)目形式開展課堂教學(xué)，打破章節(jié)界限。項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容如圖2所示。

競賽教學(xué)：將學(xué)科競賽試題引入課堂教學(xué)相關(guān)單元，主要是“藍(lán)橋杯”單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)組別的省賽和國賽試題。

3.3"教學(xué)考核新變化——“五評價(jià)”

“五評價(jià)”：線上自學(xué)測試性評價(jià)、線下課堂過程性評價(jià)、項(xiàng)目成果階段性評價(jià)、動手能力表現(xiàn)性評價(jià)、期末成績綜合性評價(jià)。

4"課程教學(xué)改革成效

本課程通過教學(xué)改革實(shí)踐，取得了階段性成果。

4.1"提升了畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量

在2023屆畢業(yè)設(shè)計(jì)中，電子信息類專業(yè)學(xué)生50%以上選擇了以單片機(jī)為控制核心的畢業(yè)題目。從畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成質(zhì)量看，從以往的軟件仿真和開發(fā)板演示到現(xiàn)在的電路板設(shè)計(jì)和成品實(shí)現(xiàn)，完成了質(zhì)的飛躍。以單片機(jī)為控制核心的畢業(yè)設(shè)計(jì)連續(xù)三年被評為校級優(yōu)秀畢業(yè)論文。

4.2"增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)科競賽能力

目前參加的單片機(jī)類競賽項(xiàng)目共有3個，極大地豐富了課外實(shí)踐活動，為學(xué)生的實(shí)踐能力提升奠定了基礎(chǔ)。

“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽的“單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)”組別是直接的個人類比賽項(xiàng)目，三年來我校學(xué)生獲獎等級不斷提高，獲獎人數(shù)也在不斷增加，

全國大學(xué)生智能汽車競賽是一個綜合性強(qiáng)、難度大的團(tuán)隊(duì)比賽，三年來參加的競賽組別和人數(shù)在不斷擴(kuò)大。2023年組建了三支隊(duì)伍參賽，獲得了華南賽區(qū)一、二、三等獎的好成績，刷新了我校獲獎紀(jì)錄。

“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽是一個科技創(chuàng)新型的比賽。2023年，我校第一次參加該競賽，獲得了2項(xiàng)湖北省團(tuán)體三等獎的成績。

4.3"為后續(xù)課程奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

作為專業(yè)基礎(chǔ)課，單片機(jī)課程使學(xué)生掌握了嵌入式開發(fā)的全部過程，包括功能分析、模塊劃分、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、電路板焊接與調(diào)試等，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)STM32單片機(jī)或其他嵌入式系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

結(jié)語

通過以上多種形式的教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力，提升了學(xué)生單片機(jī)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。單片機(jī)課程教學(xué)改革的思路和方法已在全校進(jìn)行推廣，為學(xué)校其他課程的改革提供了思路和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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基金項(xiàng)目：武漢文理學(xué)院2024年校級教（科）研立項(xiàng)項(xiàng)目（2024xzk10）

作者簡介：葉玉杰（1980—"），女，滿族，遼寧開原人，碩士研究生，講師，研究方向：單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)；韓彩霞（1974—"），女，漢族，遼寧西豐縣人，碩士研究生，教授，研究方向：單片機(jī)學(xué)科競賽。