新工科背景下校企教研合作教學模式分析
——以嵌入式單片機原理及應用課程教學為例

袁越陽

（湖南城市學院 機械與電氣工程學院，湖南 益陽 413099）

0 引言

相對于傳統(tǒng)以技能為主的工科人才，新工科背景下新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的是實踐能力強、創(chuàng)新能力強的科學技術(shù)人才[1-2]。以微控制器控制單元核心的嵌入式系統(tǒng)，是推動新工科專業(yè)發(fā)展和提高科技含量的專業(yè)課程之一[3-5]。自20 世紀80 年代以來，嵌入式單片機技術(shù)在我國各個控制領(lǐng)域得到了廣泛應用，已成為大部分高學生的必修課，這為我國近些年來的科學技術(shù)的發(fā)展培養(yǎng)了大量人才。為了更好地支撐我國快速發(fā)展的新經(jīng)濟，培養(yǎng)新型創(chuàng)新人才，新工科背景下的智能制造時代要求我國高等工程教育有必要進行全面和深刻改革和創(chuàng)新。在培育工程人才的過程中，新工科要求教學和學習更注重新素養(yǎng)、空間感、關(guān)聯(lián)力、想象力、宏思維和批評性思維等方面的能力的培育[6-7]。

在嵌入式單片機教學方面，傳統(tǒng)的教學主要是以課堂講授、課后習題為主，以教師按教材授課和學生聽課為主[8-10]。采用傳統(tǒng)的教學方法最大的弊端在于難以激發(fā)學生的主動性、創(chuàng)造性，難以提高學生的綜合實踐能力。本文基于對嵌入式單片機人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求，為培養(yǎng)適應于新工科專業(yè)需求的應用型人才，將嵌入式單片機課程教學內(nèi)容與企業(yè)實際項目開發(fā)需求相結(jié)合，探索分析讓“學生在實踐中學習，在學習中實踐”的教學模式。

1 校企教研合作模式設(shè)計

校企合作教學模式以市場對創(chuàng)新實踐人才的需要為導向，從用人單位的需求出發(fā)，著力于培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，讓學生在理論與實踐、科學與技術(shù)、專業(yè)與職業(yè)等方面能得到較為全面的發(fā)展[11-14]。校企教研合作教學模式更注重于理論與實踐相結(jié)合，能力與演練相結(jié)合，問題與解決問題相結(jié)合。就嵌入式單片機的課程教學而言，將能充分展示嵌入式單片機的課程特色，克服和改善傳統(tǒng)教學方法上的不足，使學生在嵌入式單片機應用技術(shù)上打下扎實的專業(yè)基礎(chǔ)、良好的專業(yè)素質(zhì)和一定的實踐創(chuàng)新能力。如圖1 所示，設(shè)計實現(xiàn)教學和項目研究的校企教研合作模式。

圖1 校企合作教學模式

首先，以教學大綱和教學要求為出發(fā)點，設(shè)計符合大綱的教學內(nèi)容。同時，根據(jù)項目需求結(jié)合教學內(nèi)容，選定合適的項目，保證項目與教學內(nèi)容相匹配。然后，對課程內(nèi)容和項目進行評估審核，主要包括技術(shù)上的可行性、項目中需要解決的問題及所針對的知識點、教學內(nèi)容與項目問題模塊化、教學和項目進展的時間節(jié)點等。再后，“課堂教學與實踐”和“項目開發(fā)與設(shè)計”兩者齊頭并進，項目開發(fā)設(shè)計內(nèi)容和教學實踐內(nèi)容交叉跟進。當學習任務完成時，項目開發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品的基本功能也已實現(xiàn)。最后，對項目和教學進行考核。項目方面的考核主要是測試驗證所實現(xiàn)的功能是否滿足項目需求，是否存在嚴重、較嚴重的問題。教學方面的考核主要是對學生進行考查、考試和總結(jié)其學習過程。

2 教學方案設(shè)計

嵌入式單片機原理機應用是湖南城市學院學院機械電子工程專業(yè)的必修專業(yè)課程之一，該課程以80C51 單片機為學習對象，教學內(nèi)容、難點重點及安排如表1 所示，主要包括單片機的結(jié)構(gòu)和原理、程序設(shè)計、定時器、計數(shù)器、串口通信、系統(tǒng)拓展、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)設(shè)計和實驗等，共安排48 課時，每周4 個課時來完成課程教學。

表1 教學內(nèi)容、重點與難點及課時安排

根據(jù)課程教學大綱要求，學校與湖南明康中錦醫(yī)療科技發(fā)展有限公司合作，將公司的一款無創(chuàng)呼吸機的控制系統(tǒng)開發(fā)項目用來開展教學活動。項目所需求的功能及對應嵌入式單片機課程知識點如表2 所示。項目主要需實現(xiàn)的功能包括：1 按鍵及旋鈕輸入功能，2 屏幕顯示功能，3 報警功能，4 電機（風機）控制，5 實時時鐘，6 氣流流量和壓力控制，7 數(shù)據(jù)存儲，8 接口通信功能。

表2 項目需求的功能及對應的單片機課程教學內(nèi)容

建立功能模塊 1 至 8 與表 1 中第 2 至 9 項的教學內(nèi)容的對應關(guān)系，學生可以根據(jù)自身的興趣和愛好，選擇適合自己的模塊來進行學習和開發(fā)，避免48 個授課時間的不足，方便學生在有限的存儲空間（如89C51 片內(nèi)程序存儲空間只有4K Bytes）內(nèi)完成相應的功能模塊。

3 分析與討論

校企教研合作的教學模式充分發(fā)揮了學校與企業(yè)在人才培養(yǎng)方面各自的優(yōu)勢，一方面把實踐導入教學，另一方面把理論用于實踐。根據(jù)教學大綱要求，該門課程共有48 課時，每周4 個課時，大約3 個月后能實現(xiàn)項目所需求的基本功能。而對于企業(yè)而言，開發(fā)一個類似這樣的項目至少是1 年的開發(fā)周期。當學生在大綱安排的時間內(nèi)掌握了基本的開發(fā)設(shè)計方法和步驟，完成了初步的程序設(shè)計之后，還有充分的時間繼續(xù)基于項目開發(fā)的學習和實踐，特別是那些對項目感興趣的學生，還可以進一步與企業(yè)深入合作，以便更為深入的學習。

在技術(shù)合作過程中，主要存在控制芯片選型和硬件電路共享等方面的問題。如合作企業(yè)所選控制器為AT91SAM9G45，而學校教案所定控制芯片是具有普遍代表性的MCS8051。針對此類問題，不妨從如下幾方面來考慮解決問題的方案：

第一在電路設(shè)計方面，采用模塊化電路，每個電路模塊通過的輸入輸出口與其它模塊連接。

第二在程序開發(fā)語言方面，采用通用性和移植性強的C 或C++語言，對關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)多采用宏定義。

第三規(guī)范設(shè)計過程及輸出，便于移植、理解和修改。在電路設(shè)計和軟件開發(fā)上，制定和執(zhí)行統(tǒng)一的標準，如圖2 所示InitalProcess(void)程序。

圖2 程序編寫格式模板

4 結(jié)語

根據(jù)嵌入式單片機教學大綱和企業(yè)項目需求要求，分析了新工科背景下校企教研合作在嵌入式單片機課程方面的教學模型。新工科背景下校企合作教學模式，在內(nèi)容上能滿足課程教學大綱的要求和企業(yè)項目開發(fā)需求，使得以課堂傳授知識為主的學校教育與直接獲取實戰(zhàn)經(jīng)驗、實踐能力為主的企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)有機地結(jié)合在一起，將是“產(chǎn)、學、研、做”在教學中的具體體現(xiàn)。對新工科背景下校企教研合作模式的分析是接下來具體實施該模式的重要基礎(chǔ)和準備工作。