基于“崗課賽證”融通單片機課程改革與實踐
——以“智能增壓供水監控系統的設計與制作”項目為例

彭小平，周歡喜

（長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124）

為貫徹落實2021 年全國職業教育大會上習近平總書記關于職業教育的重要指示，要堅持立德樹人，優化類型定位，深化“三教”改革，提升教育質量，推動“崗課賽證”融通綜合育人，創新培養高素質技術技能人才的育人模式。為促進職業教育高質量發展，大幅提升新時代職業教育現代化水平和服務能力，國家啟動實施《職業教育提質培優行動計劃（2020—2023 年）》，以實現職業教育提質培優。為深化高技能人才培養模式改革，需要進一步圍繞教學，進行“崗課賽證”的一體化設計：課程內容要瞄準“崗位需求”，對接職業標準和工作過程，吸收行業發展的新知識、新技術、新工藝、新方法；“課”是教學改革的核心，要通過課程改革，推動“課堂革命”，完善課程教學評價體系；“賽”是課程綜合實踐的高級別展示，通過完善三級師生比賽機制，融入競賽標準，提升課程教學水平；“證”是課程學習的行業檢驗，通過融通多類職業技能鑒定標準、資格證書要求，將職業活動所需要的綜合能力融入證書，拓展學生就業創業能力，實現有效的高技能人才培養途徑[1]。

一、課程改革背景及存在的主要問題

為加快推進人才強國戰略，健全現代職業教育體系、培養一大批高技能人才是新時期國家對職業教育的新要求。電氣自動化技術隨著我國的制造業轉型升級發展得越來越快，大部分高職院校的電氣自動化專業的單片機應用技術課程與應用電子專業的單片機課程的教學目標、教學設計及教學載體相差無幾，沒有針對電氣自動化的崗位能力需求，沒有融合技能大賽規程和“1+X”技能等級證書標準的要求[2]，課程內容沒有及時更新。電氣自動化專業的典型工作崗位是面向電氣自動化設備及自動控制系統設計、安裝、調試、維護、維修及生產一線，單片機課程需要根據崗位能力分析，側重電氣自動化設備及自動控制系統的設計安裝與調試，否則學生在將來的就業中難以快速適應崗位要求。

二、單片機課程改革的基本措施

（一）基于“崗課賽證”融通，重構教學內容

課程團隊調研行業企業，分析電子產品設計與生產崗位對單片機應用與實踐能力的需求，結合行業標準、國家專業教學標準與學院專業人才培養方案，針對“1+X”物聯網單片機應用與開發（中級）職業標準的“智能終端硬件設計”“單片機程序開發”等工作領域，融合智能控制、物聯網、變頻調速等新技術，融入“電子產品設計與制作”“全國大學生電子設計大賽”等技能競賽規范[3]，重構教學內容。“智能增壓供水監控系統的設計與制作”為電氣自動化專業的“單片機應用與實踐”課程的綜合性實踐項目，從簡單到復雜、從單一到綜合，以學生認知規律構建教學載體，融入了繼電器控制、交流電機變頻器多段調速及模擬量調速控制、直流電機調速、電動調節閥控制、物聯網智能控制與電氣自動化專業崗位能力培養緊密結合的教學內容。

本教學項目針對老舊小區、農村及偏遠地區自來水增壓供水系統智能化程度低，耗能嚴重，供水的可靠性、穩定性較差的問題，設計一款智能增壓供水監控系統，服務區域小微企業技術升級、鄉村振興。系統要通用性好、可靠性程度高、操作簡單方便，能對不同使用場合情況的水壓及水位進行監測，實現變頻蓄水；能根據壓力情況，控制閥門開合度，實現蓄水和供水的智能控制，具有安全、節能、通用、智能等特點，有較好的實用價值和市場前景。

通過對電氣自動化行業背景研究、崗位需求調查，發現當前行業對嵌入式、智能控制技術、傳感器及物聯網技術、變頻器及伺服運動控制技術的人才需求量非常大，因此以智能增壓供水監控系統產品實際研發及制作為主線進行教學整體設計，融合當前行業所需的高新技術，結合崗位能力培養要求。重構后的教學項目包含管網壓力監測系統、直流水泵供水控制系統、電動調節閥供水控制系統、模擬量變頻增壓供水系統、智能增壓供水監控系統等8 個教學任務，如圖1 所示。本教學項目以成果為導向，以實際產品研發為主線，進行模塊化、結構化教學內容設計，有機融入鄉村振興情懷，勞動精神，環保、安全規范意識，嚴謹細致、精益求精的工匠精神，達到培養學生單片機產品設計、制作、創新等能力的目標。

（二）結合實際需求，設計教學載體

圖1 “智能增壓供水監控系統”教學內容重構

城市中的老舊小區由于管網容量不足、水壓不夠，特別是用水高峰期，高樓層供水不足，低樓層水壓不夠，用戶叫苦不迭。我國廣大農村及偏遠地區由于地形復雜，用戶環境不一，既有深井取水，又有增壓供水；既有生活用水需求，又有農田灌溉用途，甚至有些偏遠地方還沒有通電。為解決老舊小區、農村及偏遠地區的供水問題，設計了“智能增壓供水監控系統”這個教學載體。監控系統的電路含電源模塊及電源濾波電路、晶體振蕩電路、復位電路、獨立按鍵、指示燈、蜂鳴器、無線通信接口、液晶顯示模塊、壓力水位傳感接口電路、12 位串行A/D 轉換處理模塊、 D/A 轉換處理模塊及運算放大電路、L298N 直流電機驅動電路、繼電器驅動電路等。系統可以對水井、自來水管網水壓及水塔水位進行監測和增壓供水。在用水低峰期間通過單片機驅動輸出電壓信號控制變頻器頻率或通過繼電器模塊控制變頻器加大水泵功率蓄水，用水高峰期間保持合理的泵送功率進行供水；通過多機無線通信輸出電壓信號，控制電動調節閥得到合適的閥門流量，實現蓄水及供水的智能控制；針對部分農村地區供電不穩定及部分農田附近沒有供電的情況，需要用到蓄電池及直流水泵緊急供水，達到自來水管壓力監測、水位監測、交流水泵變頻控制、電動調節閥遠程監控系統的設計要求。

（三）針對課程教學問題，系統化設計教學策略

單片機課程對高職學生來說有一定的難度，本專業的學生既要熟知硬件，又要精通軟件編程項，還要有一定的綜合實踐能力，這些都是大部分學生所欠缺的。針對這些問題，以三全育人為指導，以“崗課賽證”綜合育人為路徑[4]，以打造“職教六合金課”為教育理念，以學生感興趣的智能化、產品化、模塊化的智能增壓供水監控系統為教學載體，以符合企業生產理念的數字化工卡為牽引，以真實企業環境“校中廠”為依托，通過“（課前）開源—啟智—明理→（課中）引流—強技—賦能→（課后）拓渠—精技—有為”三個階段開展教學，實施“混合式教學+任務驅動+理虛實一體”的教學策略，通過一款實際產品的設計開發及制作，實施“領-定-仿-制-調-拓”六環教學步驟，實現培養德技并修的單片機開發的創新型技術技能人才的目的。

1.以學習者為中心，打造“職教六合金課”

基于以學習者為中心的教學理念，將課程思政與民生需求相融合、課程內容與創新創業相融合、常規教學與技能競賽相結合、技能訓練與工作實際相融合、虛擬仿真訓練與實際產品設計制作有機結合、線上學習與線下訓練相融合，打造理虛實一體的“職教六合金課”。

2.基于“混合式教學+任務驅動+理虛實一體”的教學策略，構建“六環”教學實施步驟

以工作過程為導向，確定了“混合式教學+任務驅動+理虛實一體”的教學策略，構建“領-定-仿-制-調-拓”六環教學實施步驟，課前主要在省資源庫（微知庫）及大學MOOC 在線課程學習，課中主要依托數字化工卡平臺、功能強大的PROTEUS 8.7 仿真軟件進行原理圖設計及系統仿真、實物制作及調試，讓學生的單片機開發能力得到有效提升。

3.以成果為導向，以數字化工卡為牽引，以“校中廠”為依托，開展實訓

基于成果導向，以實際產品研發為主線，以符合企業實際生產理念的數字化工卡為牽引，每個任務都具有三個階段的成果：方案設計、軟硬件設計及仿真、產品制作與調試。教師通過工卡平臺進行審核，閉環監控。系統仿真調試無誤后，在“校中廠”實訓車間進行生產，全方位訓練學生方案設計、系統軟硬件設計、安裝、焊接、調試的能力及6S 素養。

三、教學實施過程

“智能增壓供水監控系統的設計與制作”基于項目驅動，以實際產品研發為主線，以數字化工卡為牽引，通過“（課前）開源—啟智—明理→（課中）引流—強技—賦能→（課后）拓渠—精技—有為”三個階段開展教學，基于“領工卡→定方案→做仿真→制產品→調系統→拓能力”六個環節實施教學，如圖2 所示。系統化設計課程思政，潤物無聲中融入思政教育，達到培養“明理、精技、有為”的創新型單片機開發技術技能人才的目的。

（一）課前：開源—啟智—明理

環節一：領工卡，教師利用數字化工卡平臺發布工卡及任務，利用微知庫等平臺推送教學資源及大國工匠、鄉村振興、用水安全、節能環保等短視頻。學生登錄工卡平臺，領取任務（開源），在線學習課前所需知識（啟智），完成測試；小組收集多方資訊，進行頭腦風暴，開展討論，設計草案；教師在線答疑，解除學生困惑（明理），統計平臺數據，優化課堂教學策略。

（二）課中：引流—強技—賦能

環節二：定方案，分組討論、設計方案。教師通過案例引入，明確任務，根據課前學習情況，查漏補缺，引導分組討論，學生完成元器件的選型、系統硬件功能框圖設計，上傳到工卡平臺，教師審定方案，確保設計的可行性。

環節三：做仿真，根據方案，先仿真，再實物。學生按照“實際產品”要求，通過PROTEUS軟件設計系統原理圖，編寫Keil C51 程序，完成仿真調試，教師利用數字化工卡平臺精準指導（引流）。由于學生基礎不一，各組實力也不一定均衡，教師需根據學生學習情況，在基本任務要求的基礎上，布置創新任務，訓練學生的創新思維、可遷移學習能力，教學難點是程序設計，學生或小組協作，或觀看微課解決難點。要求學生規范設計，學生在功能實現后，把設計上傳到工卡平臺。

環節四：制產品，實物制作。通過角色分工，教師為產品經理，學生分別擔任小組長、領料員、工藝員、焊接工等實際生產人員，按照數字化工卡工藝要領，規范操作，不斷訓練各項技能，精益求精（強技），完成元器件安裝、焊接，融入6S 素養。

環節五：調系統，多元評價。學生制作好實物后，完成系統外圍傳感器及執行機構的接線，將Keil C51 程序編譯后的HEX 文件下載到單片機，完成功能測試，老師綜合評價學生作品、展示成果、表揚和糾錯。各小組在數字化工卡平臺、金課坊完成組內自評、小組互評、總結。完成后要求學生按6S 管理整理工位，打掃衛生，使學生形成良好的職業素養、勞動習慣（賦能）。

（三）課后：拓渠—精技—有為

環節六：拓能力，提升技能。教師根據學生學習能力，分層定向推送拓展任務，鼓勵創新創業及社會實踐，并成立興趣小組，鼓勵同學們利用課余時間積極參加全國技能大賽、電子設計大賽的訓練和培訓。參加創新創業實踐，拓展學生學習渠道（拓渠）。鼓勵參加物聯網、智能控制等當前符合行業需求的新技術和新規范的課后實踐項目，根據國賽標準，進一步提高學生的各項技能（精技），培養學生可遷移學習的能力，使學生在服務小微企業、鄉村振興方面有一番作為（有為）。

四、課程改革效果

（一）學生三維目標達成度高

通過對數字化工卡平臺分析，16 組學生作品中，優秀率31%，良好率68.75%，合格率93.75%。各階段成果中，方案設計、原理圖設計、程序設計、硬件合格率均在90%以上，技能水平得到大幅提高。對微知庫近三年數據進行統計發現，學生液晶、AD 、DA、單片機通信、程序設計等理論成績逐年提升，三維目標達成度高。規范意識、質量意識及單片機綜合應用能力得到了大幅提高。

（二）學生技能大賽成績優異

本教學項目將技能競賽與常規教學有機結合，為“現代電氣控制系統安裝與調試”“全國大學生電子設計大賽”“集成電路開發與應用”培養了大批后備軍，學習氛圍進一步提高。近三年來學生參加技能大賽獲得“現代電氣控制系統的安裝與調試”“集成電路開發與應用”全國一等獎3 項，省一等獎6 項。

五、結束語

本教學項目以“崗課賽證”綜合育人為路徑，以打造“職教六合金課”為教育理念，系統化進行課程及教學設計，以學生感興趣的智能增壓供水監控系統實際產品的設計制作為教學載體，以數字化工卡為牽引，以實際“校中廠”生產為依托，實施“混合式教學+任務驅動+理虛實一體”的教學策略和“領-定-仿-制-調-拓”六環教學步驟，教學效果得到明顯的提高，技能競賽成績優異，實現了培養企業所需的創新型單片機開發技術技能人才的目的。