以“學科競賽為平臺、應用能力培養為核心”單片機課程教學改革的研究

鄭洪慶，程 蔚，蔡 凡，韓之剛，張洪杰

（閩南理工學院，福建 石獅362700）

隨著新一輪科技革命與產業變革，對未來新興產業和新經濟對人才的能力提出高要求。以培養應用創新型人才為目標，借助學科競賽這平臺，加強學生的動手能力，分析、解決問題的能力及創新能力[1]。對于電子信息類的學生來說，單片機是一門很重要的必修課程。結合我校電子信息工程專業的需求和定位，依托2017年福建省本科重大教改項目，對單片機課程進行改革。提出以學科競賽為平臺，以應用能力培養為目的的課程教學模式。

1 單片機教學現狀

1.1 理論課時較多，缺乏實踐

目前大部分高校的單片機教學是先理論再實驗，理論課只講不做，實驗課只做不講，理論和實驗在時間和空間上斷檔。另外，課堂上知識點多，學生遇到問題無法在課堂上解決，日積月累造成學生失去學習動力[2]。

1.2 設備陳舊，缺乏應用創新

傳統的單片機實驗室一般采用實驗箱，雖然比較全面，但形式固化更新速度慢，不利于學生接觸新技術[3]。實驗箱自身開發能力較弱，學生想完成設計性和綜合性設計時，受到時間和地點的限制，無法提升創新實踐。

1.3 單片機課程與其他相關課程缺乏聯系

單片機應用開發一般離不開傳感器，控制算法等。涉及這些內容的課程的授課教師與單片機授課教師不同，教學內容、計劃缺乏整合，教師之間缺少溝通，不能將知識進行整合教學[4]，很容易造成學生知識的孤立，不能掌握系統的專業知識和技能，無法培養學生職業素養。

1.4 競賽資源不足，缺乏引領

學生希望通過參加各類學科競賽提高自身的創新實踐能力，但競賽資源不足[5]。比如教師指導不到位，教師自身能力，課程內容限制，教學過程中沒有引領學生學習高級的芯片以及學生自學能力等[6]。

2 單片機課程教學改革實踐

2.1 基于學科競賽平臺的重構教學內容

2.1.1 “電子設計競賽”平臺

電子設計競賽題目涉及電子信息類的相關課程包括電路、模電、數電、傳感器、自動控制原理，單片機等，涉及知識面廣，對基礎知識要求高[7]。選擇合適的傳感器及元件，設計電路，制作電路板，焊接電路，編寫程序，采用不同的控制算法完成對象控制。在訓練和競賽中，接觸到新技術和新器件，對理論教學和實驗教學提出了新的要求[8]。在理論教學中增加電子涉及的新技術和新器件的應用等，在實驗教學中，摒棄陳舊的實驗內容，如分立元件的電路實驗，增加集成運放的各種應用、電子線路仿真設計等內容，豐富實驗內容。

2.1.2 “藍橋杯”全國軟件與信息技術專業人才大賽

大賽單片機組，主要針對配套的開發平臺，完成題目的程序設計，達到鍛煉學生單片機開發的能力。主要涉及的模塊有：單片機、數碼管、鍵盤、各類傳感器、A/D和D/A、電機驅動等。

課程群內容重構及學期安排如圖1所示。

圖1 單片機課程群內容重構及學期安排

2.2 口袋版單片機開發平臺

針對單片機原有實驗箱存在的問題，開發口袋版單片機開發板，促進理論與實踐的銜接，拓展實驗項目，延展學生實踐時間和空間，引領學生自主學習更高級的芯片。

以學科競賽為平臺，開發口袋版單片機開發板。主要包括：

（1）基礎模塊：矩陣/獨立按鍵、最小系統、中斷系統、A/D與D/A、UART模塊等。

（2）拓展模塊：DS18B20 溫度、DS1302、AT24C02、超聲波測距、PWM電機驅動、紅外收發及兼容高級單片機芯片-STM32等。

通過模塊的有機結合，組成由易到難，由淺到深的項目。具體項目如表1所示。

表1 口袋版開發板的基本項目

2.3 教學模式改革

2.3.1 項目驅動式+翻轉課堂教學

目前大部分大學生處于被灌輸狀態，缺少自主學習能力培養，遇到問題時，不知道從何處解決[9]。采用項目驅動式+翻轉課堂教學模式，每周或每兩周之前，布置并分析下周要完成的項目，學生利用課后時間結合線上課程和口袋版開發板，選擇傳感器，設計電路，編寫程序，驗證想法，完成項目。遇到問題時，小組內成員交流討論，通過查閱資料，解決問題。解決不了的問題，在翻轉課堂上，提出由大家一起討論。此模式一方面提高學生分析、設計、解決問題的能力；另一方面提高課堂教學效率，和學生一起解決問題，激發學生的思考、分析問題的能力。

2.3.2 線上線下混合式教學

借助互聯網優勢，建立線上課程，擴展單片機開發內容。以工程實踐為主，制作微課教學視頻，如使用KEIL軟件創建工程，編寫單片機程序，程序下載與調試，流水燈，串口通信，溫度記錄器，超聲波測距等工程訓練實踐項目的教學視頻。在理論教學中增加高級單片機芯片的講解，為學生學習高級單片機芯片做好過渡。學生通過電腦或手機隨時隨地觀看學習。打破原來只能在固定的教室和固定的時間學習[10]。通過學生課后自主學習和操作，提高工程實踐能力，鍛煉自主學習能力。

2.3.3 組織課外興趣小組

組織課外興趣小組，在新生入學后進行引導并納新，采取傳幫帶方法，大一大二大三組成梯隊，引導學生自學模電、數電，組合口袋版單片機開發板，學習單片機知識，為后續應用打下基礎，組合參加學科競賽逐步培養學生的工程實踐能力，培養團隊合作能力。

2.4 以應用能力為主的評價體系

傳統的考核方式僅以一份期末試卷為主，學生只注重理論知識學習，減少動力實踐，無法全面考核學生單片機設計開發能力[11]。如果注重學生實踐動手能力，會激發學生單片機開發能力，但理論知識會弱化[12]。因此考核方式很重要。本文采用“235”考核方式，20%為翻轉課堂及線上課程的分數，30%為期末理論知識的考核，50%期末前幾周布置的大項目設計的成績。通過多元化的考核方式，注重學生應用能力的考核。

2.5 教師團隊建設

學科競賽涉及內容廣泛，對指導教師提出更高的要求，改變原來教師只負責一兩門課程的現狀，從長遠看，需要建設一支具有“學科交叉融合”、理論知識扎實、工程實踐經驗豐富的導師隊伍，提升教師的業務水平。教師一方面需要根據知識體系提取教學內容，根據相應的教學方法把知識傳授給學生，并參加學科競賽的培訓和指導工作。另一方面根據學生掌握情況和學科競賽知識的改變微調教學內容與方法，做到閉環控制，如圖2所示。

圖2 “負反饋”教學內容重構

通過校內學習與企業實踐相結合，對教學內容進行重構，對理論和實踐環節進行教學資源整合，強化工程實踐能力的企業實訓環節，培養學生項目實踐能力，明確每門課程在人才培養中的作用。做好核心課程建設規劃，細化并落實基本專業能力和核心專業能力。

3 運行與成效

閩南理工學院是一所地方性民辦本科院校，剛升本不久。學生素質和教師水平參差不齊，基礎比較弱，通過參加形式多樣的學科競賽，進一步提高學生單片機綜合應用能力和創新實踐能力。近兩年來，積極引導學生參加學科競賽，注重學生實踐創新能力的培養和教師團隊的組建。近兩年的各類學科競賽中取得較好的成績，如表2所示。

表2 近兩年學生參加的學科競賽

從表中可以看出，這兩年學生參加部分學科競賽，并取得一定的成績，并且成績逐年提高。

4 結束語

改變傳統的教學模式，以“學科競賽為平臺，應用能力培養為核心”，重構單片機課程群的教學內容及課程計劃，利用互聯網優勢，線上線下混合式教學，采用項目驅動式+翻轉課堂教學式，改變傳統的考核模式，建立一支具有“學科交叉融合”、理論知識扎實、工程實踐經驗豐富的導師隊伍，旨在培養具有較強的工程實踐能力和創新意識的應用型人才。通過對本課程的教學模式改革，提高了學生的自主學習能力，單片機設計與開發能力，增加了學生的學習積極性，提升了參加學科競賽的成績。