單片機原理與接口技術混合式一流課程建設研究與實踐

張蘭紅 吳冬春 陸廣平 馮佩云 周云龍

摘 ?要：單片機課程作為智能控制技術的入門課程，在培養高素質應用型智能控制人才方面具有豐富的建設內涵。闡述單片機原理與接口技術混合式一流課程的目標，指出需要解決的重點問題，介紹課程內容改革、課程資源建設與應用、課程教學組織與實施及課程考核與評價等方面的情況，總結課程的特色創新及建設成效，提出未來的建設計劃。

關鍵詞：單片機;混合式;一流課程建設;計算思維;軟硬融合技能

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）15-0048-05

Abstract： As an introductory course of intelligent control technology， Single Chip Microcomputer course has rich construction connotation in cultivating high-quality applied intelligent control talents. This paper expounds the objectives of the mixed first-class course of Single Chip Microcomputer Principle and Interface Technology， points out the key problems to be solved， and introduces the reform of course content， the construction and application of course resources， the organization and implementation of course teaching， the examination and evaluation of course. The study summarizes the characteristic innovation and construction effect of the course， and puts forward the construction plan in the future.

Keywords： one-chip computer; hybrid; first class curriculum construction; computational thinking; soft and hard integration skills

教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號）指出，課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定著人才培養質量，深化教育教學改革必須把教學改革成果落實到課程建設上[1]。一流課程建設是一流本科專業建設的基礎，是新時代高等教育強國之路的重要舉措[2-3]，各高校應該根據辦學定位和人才培養目標定位，建設適應創新型、復合型、應用型人才培養需要的一流本科課程，實現不同類型高校一流本科課程建設全覆蓋[1]。

單片機是微型計算機應用于智能控制領域的一個重要分支，單片機應用技術已經成為人工智能的核心技術，單片機原理與接口技術課程因此成為智能控制技術的入門課程，是高校電氣類、電子信息類乃至工科非計算機專業學生都必須學習的一門專業基礎課[4-5]，成為培養學生實踐能力、創新能力及職業能力的重要課程。伴隨著國家行動綱領“中國制造2025”的高質量與智能化發展需求，單片機原理與接口技術課程重要性越發彰顯[6]，該課程理應按照國家一流課程的建設標準，增加課程的高階性、創新性和挑戰性，為培養高素質智能控制領域人才，推動我國智能控制技術的快速發展貢獻力量。

一、課程建設目標

課程以單片機應用為載體，以學生計算思維能力、軟硬融合技能、文理交融能力培養為目標，構建教學內容，開展教學活動。從有趣的單片機應用實例入手，引導學生在理解工作原理的基礎上逐步擴大接口電路設計規模與程序編寫規模，提高應用系統的復雜程度，使學生理解軟件硬件協同工作的原理，建立微機應用系統的整體觀念，具備微機應用系統設計的知識與技能;從對問題進行描述、建立數學和算法模型、進行電路設計與算法編程、軟件硬件融合方面培養學生解決實際問題的能力;對學生進行人工智能強國的愛國情懷和責任擔當意識教育，培養學生運用人文思想去詮釋工程理論與現象的文理交融能力，引導學生探尋事理之間的相通性，豐富學生的人文情懷。

二、重點問題分析

（一）如何加強學生計算思維，實現知識轉化能力

人才質量的高低不僅取決于理論知識掌握是否牢固，基本素質是否具備，更重要的是解決實際工程問題能力的強弱[7]。計算思維是指人們從對實際問題的描述到抽象建模、從理論分析到算法確定、再到最后解決實際問題的全過程科學思維能力[8]。隨著信息技術的全面深入與泛在化程度加深，計算思維已經成為人們認識、理解和解決實際問題的基本能力之一[9]。單片機作為智能控制的核心課程，在教學中理應加強培養與訓練學生的計算思維能力，激發學生的興趣和潛力，使學生具有將所學知識轉化為解決實際問題的能力。

（二）如何構建多維學習平臺，培養實踐創新能力

傳統的線下課堂往往只注重知識傳授，忽略實踐與創新等職業能力培養。單片機課程是培養學生職業能力的核心課程，除了要用好線下理論課堂陣地之外，還需建設資源豐富的線上教學平臺，滿足信息化時代快捷方便學習的需要;需要建設虛擬仿真平臺，揭開高度集成單片機的神秘面紗，增強教學的直觀性、生動性和趣味性，節約學生進行應用系統設計與開發的時間和成本;需要建設分層次、進階式實踐教學平臺，使學生從軟件到硬件、從概念到應用設計都得到充分的訓練，實現“學中做、做中學”，保證學習效果;更需要引導并組織學生參加各類學科競賽，提高學生的專業素質、團隊合作精神及交流表達能力。

（三）如何加強多元評價考核，提高教學效果

傳統期中、期末考試的評價方式單調滯后，教學狀態難以及時了解，教師無法實時調整教學內容和節奏，更無法關注到個體，學生學習欲望與動力得不到及時激發。因此急需加強過程性考核評價與反饋，使教師及時調整教學節奏與方法，實現因材施教，學生及時了解自己的學習情況，強化學習欲望;需要通過線上隨堂測驗與作業互評，引導學生進行縱向與橫向比較，了解自己的長處與不足，轉變學習態度與方法，需要通過實驗細化評價，促進學生主動探索，不斷獲得成功，激發學習興趣與動力。

（四）如何有效融入課程思政，提升思政素養

單片機課程內容抽象，綜合性、實踐性與工程性均很強，教學難度大，在該課程的教學過程中，若做好課程思政工作，將十分有利于激發學生學習熱情，指導學生找到正確的學習方法，提升學生的思政素養，使學生成為新時代具有工匠精神的智能控制人才[10]。但如何在教學中無縫融入思政元素，避免思政與專業教育“兩張皮”，引導學生在理解專業知識的同時，實現價值塑造，需要結合課程特點深入挖掘才行。

三、課程內容改革

根據微機控制技術最新發展對課程內容進行補充、更新與重組，增加傳統80C51單片機與ARM及DSP等高檔微處理器的性能與應用比較，增加80C51單片機最新衍生與改進產品的介紹，增加對80C51單片機歷久彌新地在教學和業界獲得廣泛應用的根源剖析。相比高檔微處理器的結構復雜、學習起點高、難度大、調用固件庫編程、學習者對硬件結構不了解、側重培養軟件工程師的特點，80C51單片機具有內核小巧、技術成熟、硬件與開發成本極低的特點，還具有獨特的學習優勢，它能使學習者熟悉硬件結構，從底層寄存器設置開始編程，更好地培養學習者軟硬貫通能力、微機控制思維及應用能力。教學中改變過多關注單片機本身結構和編程語言知識點細節的做法，注重電路硬件設計與軟件編程的融合、加強學生計算思維能力培養，通過設計大量來自于生產和生活的項目實例進行教學，幫助學生建立微機應用系統的概念，提升解決實際問題的能力。

四、資源建設及應用

（一）教材資源建設及應用

為適應應用型本科人才“保證基礎、注重實踐、強化應用”的培養需要，對課程教材進行了持續不斷地建設，重點在于加強學生應用能力、實踐能力與創新能力的培養。2012年課程組教師出版了《單片機原理及應用》[11]，該教材充分運用keil和Proteus仿真軟件，建設基于仿真實例的教材。2017年修訂出版了《單片機原理及應用》（第2版）[12]，該教材建設了仿真實例和實訓實例對照、便于學生動手實踐的單片機教材，提供了配套的口袋實驗板電路，學生可用口袋實驗板完成實例驗證，還可進行單片機應用系統設計，教材于2017年6月被評為江蘇省高等學校重點教材。2018年出版了《單片機課程設計仿真與實踐指導》教材[13]，精選了20多個單片機基礎應用、光伏發電、風力發電及物聯網應用的實例，讓學生先仿真，再用仿真指導實物制作，該過程可操作性強，深受學習者歡迎。

（二）線上資源建設及應用

2019年11月單片機原理與接口技術課程被評為江蘇省高校在線開放課程立項建設項目，已完成了近800分鐘、50集學習視頻的錄制和上線，完成了課程討論、作業、測驗與考試等資源的建設。線上課程采用專題形式進行講解，全方位涵蓋理論、實驗與課程設計，包括微機基礎知識、開發軟件與口袋實驗板、80C51系列單片機硬件基礎、軟件基礎、片內外設及應用、擴展技術、基于口袋實驗板的單片機實驗與課程設計等8個專題。課程校內SPOC已開課4期，2019年12月轉為中國大學MOOC課程，已經開課3期。

（三）實踐資源建設及應用

為保證學生有充分的實踐機會，從理論→實驗→課程設計→學科競賽建設了分層次進階式實踐平臺。

理論課首先設計了大量的虛擬仿真實例，在課堂引入虛擬仿真技術，進行現場教學演示，使學生采用仿真來理解工作原理，進行電路設計和編程訓練。還設計了大量的仿真設計型課后作業，促使學生不斷完成學業作品，訓練計算思維和系統設計能力。

課程團隊自行設計并成功研制單片機口袋實驗板，完成了實驗板全部配套學習資料。實驗板體積小巧，攜帶使用方便，涵蓋課程全部實驗資源，學生可隨時隨地進行單片機實驗。課程團隊與啟東研凌電子有限公司聯合研制了DVCC-ZHC3單片機實驗裝置，實驗裝置立足于應用型教學需要，采用模塊化設計思想，具有較強的模塊組合與擴展能力，使單片機實驗步入了“設計性實驗”的嶄新階段。

單片機課程設計作品已經形成作品集，包括作品仿真、電路設計、軟件程序、印刷電路板及實物制作步驟，都收集在已經出版的課程設計教材中[13]。

對參加全國大學生智能車競賽、藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽的同學，經過多年的傳承，已經積累了多套獲獎競賽作品作為樣機模型，制作或收集了教學視頻資料，軟件庫資料齊全。

（四）思政資源建設及應用

修訂了體現課程思政育人環節的課程教學大綱，組織課程組老師集體備課，總結了課程思政的實施方法，編寫了與全套教學內容配套的課程思政教案;錄制了課程思政微視頻，其中包括與課程內容相關的形勢與政策教育、激發學生家國情懷與責任擔當意識的課程故事、課程哲理分析，設計了課程思政作業，包括與課程最新技術有關的研究報告、文獻綜述、進行課程技術演講和設計作品比賽，對學生進行了社會主義核心價值觀教育、工匠精神和科學素養培養。

五、教學組織、實施及評價

（一）教學組織

課程以學生為中心，以思政為引領，按照OBE工程教育理念組織教學。結合學生已有知識和經驗，通過剖析課程知識體系、分析社會需求、對學生就業進行跟蹤調研、對學科前沿進行追蹤、充分融入思政元素等多途徑來組織與建設教學資源，線上線下教學合理分工，形成合力，提升教學效果。教學組織與實施體系結構如圖1所示。

（二）教學實施

線上教學主要講授事實性知識和概念性知識，如微機基礎、單片機結構、內部功能部件、接口電路特性、編程語法等，便于學生自主學習，線下講授延伸性和設計性知識，引導學生培養學習思維、指導學生使用軟硬件設計工具、設計與調試硬件電路與軟件程序，幫助學生理解吸收。線下翻轉課堂則通過重難點講解、師生點評等實現知識鞏固、合作探究與答疑解惑。線上線下教學都引入了虛擬仿真技術和口袋實驗板助學平臺，實現“沉浸式”“學做”一體化教學模式，最終使教師成為善于運用信息技術、理論與實踐教學技能并重的智慧教學團隊，使學生計算思維、辯證思維、實踐能力、團隊合作精神得到培養，自主學習能力得到加強，養成終身學習習慣。

圖1 教學組織與實施體系結構

（三）學習評價

采用平時、實驗和期末考試三部分評價方式對學生進行多方位全過程綜合評價，總成績中，平時占30%，實驗占20%，期末占50%。

平時成績中，線上占70%（平時作業及互評20%，單元測驗30%，課程討論10%，期末測試40%），線下常規課堂占20%（作業40%，兩次過程性考核各占30%），翻轉課堂占10%（思政故事與形勢政策演講15%，重難點講解與互評6次，每次10%;綜合性作品設計25%）。

實驗成績由四部分組成，實驗前準備占20%，實驗中操作占30%，實驗后拓展占20%，實驗報告占30%。實驗前要求學生進行仿真，保證程序調試基本是在實驗前進行的，學生有充分的時間思考與修改[14-15];實驗中要求結合事先做好的仿真，連接電路，下載程序到單片機運行調試，啟發學生思考仿真與實際電路的區別，用更多的精力來解決實驗中出現的問題，學有余力的同學可增加設計內容;實驗后鼓勵學生在口袋實驗板上進行進階提高的綜合設計，引導學生自主探究，培養創新能力;實驗報告注重對實驗結果的分析，要求對實驗過程中出現的問題提出解決方法。

期末考試采用筆試形式，注重對學生綜合應用能力的考核，基礎題40分，計算題10分，作圖題10分，應用題40分。

六、課程特色與創新

（一）課程特色

1. 建立了符合學生認知和接受特點的課程體系。從學生的知識結構和學習能力出發，以單片機在生產和生活中的應用為主線優化課程體系，緊跟學科前沿，精選典型案例，從學習者的角度構建學習情境，線上線下混合互動構建閉環學習過程。

2. 凸顯計算思維能力培養的教學內容。以解決實際問題的單片機計算思維能力為培養目標，重構教學內容，將教學注意力從單純關注知識點向知識點與系統應用能力并重轉變，在對項目實例的解決過程中，深化對知識點的理解，引導學生提高硬件電路設計能力、軟件編程能力及軟硬融合設計能力。

3. 以學生發展為中心的“學做”一體學習模式。引入虛擬仿真教學手段和口袋型實驗板，虛實結合，強化實踐，使學生深度參與教學過程，實現“做中學，學中做”，既懂原理，又懂設計和應用，在潛移默化中提升綜合能力，引導學生進行與工程項目密切相關的單片機應用系統設計、參加各級各類科技創新競賽，提升學生解決復雜問題的能力。

4. 基于多元化學習情境的考評與反饋機制。學生通過線上視頻、多媒體課件、在線作業與測試、在線討論，線下翻轉課堂、虛擬仿真平臺、口袋實驗板等多元化的學習資源進行自主學習，使學習途徑多樣化，學習空間立體化，學習時間和方式機動化，學習手段實踐化，對線上平臺數據、線下理論課、翻轉課、實驗課全方位學習過程實行評價，持續改進線上和線下教學活動，使學生忙起來，教師強起來。

5. 沉浸+實踐的課程思政教育。利用單片機技術實踐性強的特點，采用仿真、實物作品設計等多種手段，對學生進行單片機應用技術訓練與反復實踐，培養學生的科學素養與工匠精神。除了采用讓學生聽課程故事等單向“輸入式”思政教育外，還采用請學生寫課程形勢與技術報告、文獻綜述、進行課堂演講、進行設計作品比賽等讓學生“輸出”的形式，使學生在課程思政教育中沉浸其中，充分吸收思政養分，成人成才。

（二）課程創新

1. 課程與職業結合，創新教學內容。充分利用單片機是智能控制核心工具的特點，將單片機和各類實際控制項目相結合，設計了光伏發電、風力發電、物聯網控制等方面的實例與項目[12-13]，使學生將課程與日后職業活動相對應，增加學習興趣與動力。

2. 虛實結合，創新實踐手段。引入虛擬仿真和口袋實驗板，實現虛實交叉融合的實踐教學[12]。用仿真使學生對高度集成的單片機工作原理和工作過程了然于胸，用體積小巧、使用方便的口袋實驗板，實現知識點的及時驗證和綜合性設計，徹底解決單片機教學實踐難的問題。

3. 產學互動，創新課改方式。課程引入“產學研”相結合的課內+課外的實踐教學模式，將課程實驗、設計和產業項目、科研訓練融為一體，培養學生的研究能力、創新能力和工程實踐能力。

七、課程評價與建設成效

（一）優良的課程評價

本課程近幾年校內督導與學生評教結果優良，位列全校前百分之十。愛課程平臺的評價4.7分（滿分5分），學習者對課程給予了充分肯定：講解詳細全面，可以很好地梳理知識點，達到鞏固作用，教學安排細心周到，教學資料豐富齊全，課程有力地支撐了應用型人才的培養。

（二）較顯著的建設成效

單片機原理與接口技術課程是學校精品課程、OBE課程，2019年被評為江蘇省一流本科課程、江蘇省在線開放立項建設課程，SPOC+MOOC選課總人數已經超萬人;課程負責人主編的《單片機原理及應用》（第2版）被評為江蘇省高等學校重點教材，已被近百所高校選為教材或者教學參考書。授課教師整體素質不斷提高，課程負責人為2020年度國家級一流本科專業建設點-電氣工程及其自動化專業負責人，近幾年指導學生參加國家級、省級以上大學生實踐創新項目5項，獲得省優秀畢業設計4項，教學團隊近5年指導學生獲得全國大學生智能車競賽、藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽等省級以上學科競賽獎項60多項。

八、課程未來建設計劃

（一）做好課程思政的有機融入

緊扣課程特點與內容，進一步深挖課程思政元素，實現思政無縫融入教學全過程，在知識傳授中強調價值引領，在價值傳播和思維訓練中凝聚知識底蘊，進一步激發學生學習熱情，訓練學生的科學素養和文理交融能力，實現“價值塑造、能力培養、知識傳授”三位一體的教學目標。

（二）增加面向產業的課程案例

鹽城及江蘇地區新能源電氣產業發展迅速，增加單片機在新能源電氣控制方面的應用實例，進一步解決課程教學與生產實際的對接問題。完善與生產實際對接的課程資源建設，實現產學合作，協同育人。

（三）加強教學資源與新形態教材建設

不斷完善線上線下教學資源，將產學合作成果、教師科研成果與教學內容相結合，針對不同專業，進行項目模塊設計，建設更為豐富生動的線上線下資源，使其更具應用特色，利用互聯網技術和智能識別技術，實現線上資源與紙質教材的有效對接，助推線上線下混合教學的開展。

（四）加強教學過程考評機制建設

以OBE教學模式為抓手，加強教學過程考核，持續改進，不斷完善課程評價和考核體系，增加產學合作、第二課堂方面的考核，進一步提升課程實驗的綜合性，項目設計的實戰性、課程設計的挑戰性，切實提高教學效果。

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