基于專業(yè)認證背景下單片機課程教學(xué)改革探索

丁電寬 李立新 李艾華

[摘 要] 工程教育專業(yè)認證是保障工程教育質(zhì)量的重要手段，通過對國家級精品在線課程“單片機原理及接口技術(shù)”進行教學(xué)改革和探索。進一步重構(gòu)實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，通過“工程師制”模式開展了項目案例式教學(xué)，引入了虛擬仿真平臺實現(xiàn)虛實結(jié)合，教學(xué)練做一體化，科研成果反哺教學(xué)，并結(jié)合學(xué)科競賽實現(xiàn)賽課合一，加強學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，建立健全跟蹤反饋機制實現(xiàn)課程改革的閉環(huán)控制。探索出一條能夠持續(xù)改進的以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力為核心的課程改革之路。

[關(guān)鍵詞] 專業(yè)認證;單片機原理及接口技術(shù);教學(xué)改革;工程師制

[基金項目] 2019年度安陽師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實踐項目“基于專業(yè)認證背景的電子信息工程專業(yè)建設(shè)的研究與實踐”（ASJY-2019-CYB-020）

[作者簡介] 丁電寬（1971—），男，河南濮陽人，碩士，安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院副教授，主要從事嵌入式技術(shù)、智能控制技術(shù)等研究;李立新（1966—），男，河南安陽人，學(xué)士，安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院教授，主要從事單片機技術(shù)研究;李艾華（1965—），女，山東濟南人，碩士，安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院高級工程師，主要從事微控制器及數(shù)字電路設(shè)計研究。

[中圖分類號] G462 ? [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0101-04 [收稿日期] 2021-10-12

2016年6月2日，我國成為第18個《華盛頓協(xié)議》正式成員國，截至2020年底，全國共有257所高等學(xué)校的1600個專業(yè)通過了工程教育專業(yè)認證[1]。實施工程教育專業(yè)認證是教育部“十二五”期間本科教育教學(xué)改革工程的重要工作之一，也是“十三五”期間的重點推進任務(wù)[2]，在“十四五”開篇之年，繼續(xù)推動本科工程教育專業(yè)認證仍是高校的重點工作之一。但是，目前單片機的實踐教學(xué)方式脫離了工程教育的培養(yǎng)要求，學(xué)生缺乏現(xiàn)代工程設(shè)計思想和方法，缺乏綜合運用多方面知識解決實際工程的能力[3]。為契合專業(yè)認證的大背景，安陽師范學(xué)院在積極推進師范專業(yè)認證的同時，也積極推進工程教育專業(yè)認證工作。電子信息工程和電氣工程及其自動化兩個工科專業(yè)正面臨進行工程教育專業(yè)認證任務(wù)。為培養(yǎng)國際互認的工程科技人才，課程教學(xué)改革應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為主線，強調(diào)應(yīng)用性和實踐性[4]。

一、課程介紹

“單片機原理及接口技術(shù)”是我校電子信息工程和電氣工程及其自動化兩個專業(yè)的專業(yè)必修課程。該課程經(jīng)過多年建設(shè)，于2015年評為省級精品資源共享課程，2017年評為省級精品在線開放課程，2019年評為國家級精品在線開放課程。截至目前，已在中國大學(xué)MOOC上運行了8個學(xué)期，選課學(xué)生達5萬余人。

“單片機原理及接口技術(shù)”是一門工程實踐性較強的課程，突出應(yīng)用、技能和實踐。該課程以MCS-51單片機為核心，系統(tǒng)介紹單片機的基本結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、中斷、定時和串口通信系統(tǒng)、系統(tǒng)擴展與接口技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)等。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在熟練掌握單片機原理、結(jié)構(gòu)、單片機指令系統(tǒng)、程序設(shè)計、功能部件、接口擴展等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，能夠利用Keil、Proteus等軟件平臺進行基于51單片機的開發(fā)，使學(xué)生學(xué)會一種單片機（8051），掌握一類單片機開發(fā)應(yīng)用技能，熟悉一批常見的工程案例，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合運用單片機知識解決實際復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力，提高就業(yè)競爭力。

二、基于工程教育專業(yè)認證的單片機課程教學(xué)改革

（一）加強課程思政建設(shè)

高校人才培養(yǎng)首先要德才兼?zhèn)鋄5]，作為高校教師不但要清楚教書育人是教師的本分，更要清楚為誰培養(yǎng)人、培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人，要明白培養(yǎng)的人才要為中國特色社會主義服務(wù)，做到教書與育人相得益彰，充分發(fā)揮課程育人功能。作為主講內(nèi)容為單片機系統(tǒng)芯片的課程，分析中國芯片研發(fā)與國外的差距，積極推廣國產(chǎn)單片機芯片宏晶科技的STC系列微處理器，以及在電路制板中，積極推廣國產(chǎn)立創(chuàng)EDA電路制板軟件，彰顯國產(chǎn)單片機和國產(chǎn)制板軟件的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感、科技自信心及專業(yè)認同感。結(jié)合學(xué)生在課程設(shè)計綜合訓(xùn)練過程中的電路制作、調(diào)試及編程訓(xùn)練，挖掘?qū)W生的職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)規(guī)范、行為習(xí)慣、工程倫理及大國工匠方面的思政元素。通過課程思政增強學(xué)生的社會責(zé)任感，讓學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，端正價值取向，讓學(xué)生深刻認識到自己肩負著國家繁榮昌盛的責(zé)任，激勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)將來報效國家。

（二）依托國家級精品在線課程，開展混合式教學(xué)

工程教育專業(yè)認證理念是“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”，在授課過程中，以生為本，先學(xué)后教，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，推動從“教”轉(zhuǎn)向“學(xué)”，實現(xiàn)“以學(xué)生為主體，教師指導(dǎo)為輔”的理念[6]。結(jié)合國家級精品在線開放課程，實現(xiàn)線上和線下同步，課程每學(xué)年開設(shè)2次，分為春季學(xué)期和秋季學(xué)期。一般每周一發(fā)布新內(nèi)容，提前指導(dǎo)學(xué)生如何進行線上學(xué)習(xí)，如何充分利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱資料等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。課前通過問卷形式讓學(xué)生反饋在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，再對問題進行整理歸納，做好線下課程設(shè)計，針對問題梳理知識點，通過項目驅(qū)動式教學(xué)、案例教學(xué)、探究式教學(xué)開展混合式教學(xué)。在次周發(fā)布新學(xué)習(xí)內(nèi)容時，同時發(fā)布上一周的單元測試和單元作業(yè)，以便學(xué)生及時復(fù)習(xí)鞏固上周所學(xué)內(nèi)容和教師檢查上周學(xué)習(xí)情況。線上線下混合式教學(xué)過程中，充分調(diào)動學(xué)生自主能動學(xué)習(xí)的積極性，圍繞學(xué)生“學(xué)到了什么、是否學(xué)會了、學(xué)會了是否會用”開展教學(xué)設(shè)計，真正體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念。

（三）采用“工程師制”模式，開展項目案例式教學(xué)

工程師應(yīng)具備的關(guān)鍵特征包括：分析能力、實踐能力、創(chuàng)造力、溝通能力、商務(wù)與管理能力、倫理道德和終身學(xué)習(xí)能力[7]。在教學(xué)過程中，通過引入工程案例開展項目案例式教學(xué)。每4位學(xué)生為一組，實行“工程師制”模式，在項目實施過程中，每個人承擔(dān)不同角色，分別擔(dān)任項目經(jīng)理、軟件工程師、硬件工程師和科研秘書;在課堂上，學(xué)生也按照不同角色坐到各自分配好的位置上，明確分工，各司其職，培養(yǎng)學(xué)生的擔(dān)當(dāng)意識。通過不同工程項目，各自角色輪換，讓學(xué)生感受到不同崗位的職責(zé)，讓每個學(xué)生的能力得到全面提升，體現(xiàn)工程教育認證是“面向全體學(xué)生”的思想。通過“工程師制”的執(zhí)行，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)規(guī)范、團隊意識、溝通協(xié)作能力及項目管理的能力。在項目實施過程中，和工程實踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和創(chuàng)造力，提高學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，達到工程教育認證的培養(yǎng)目標(biāo)。

（四）重構(gòu)實踐教學(xué)體系，加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

為加強學(xué)生在課程實踐能力培養(yǎng)方面，突出以學(xué)生為中心，把課堂還給學(xué)生，單片機課程近三次大綱修訂情況詳見表1，從表中可以看出，理論學(xué)時由原來的56學(xué)時減為45學(xué)時，實驗學(xué)時由原來的14學(xué)時增加到24學(xué)時，實踐環(huán)節(jié)由原來的11學(xué)時修訂為1學(xué)分獨立的單片機課程設(shè)計，另外還有一個2學(xué)分的綜合課程設(shè)計。實驗內(nèi)容由原來以演示實驗、驗證實驗逐步拓展到設(shè)計性實驗和綜合實驗。實踐環(huán)節(jié)由原來以虛擬仿真為主修改為在仿真基礎(chǔ)上，學(xué)生還需要依托立創(chuàng)EDA完成電路板的設(shè)計、器件選型及采購、焊接、編程、調(diào)試及軟硬件聯(lián)調(diào)的課程設(shè)計任務(wù)，最后完成設(shè)計報告。在這個過程中，結(jié)合“工程師制”，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，各不同角色成員協(xié)同作戰(zhàn)，不僅掌握了單片機的開發(fā)過程，而且掌握了如何選擇器件、如何查看芯片手冊、如何繪制電路原理圖和PCB圖、如何使用儀器儀表進行調(diào)試電路;而且學(xué)會了編程的架構(gòu)、設(shè)計報告的撰寫，學(xué)會了交流溝通和項目管理。最后根據(jù)每小組作品完成情況、調(diào)試情況、功能實現(xiàn)、報告的撰寫及現(xiàn)場答辯幾個環(huán)節(jié)綜合評分。

（五）虛實結(jié)合，邊學(xué)邊做，學(xué)用結(jié)合

課堂上學(xué)生帶電腦進教室，以“項目驅(qū)動”為載體，將理論與工程實踐相結(jié)合，依托Proteus虛擬仿真平臺，把一個個工程案例進行了虛擬仿真，把抽象的工程案例通過直觀的虛擬仿真展現(xiàn)在學(xué)生面前，邊講解邊操作，打破了傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解[8]。近幾年的實踐證明，提高了學(xué)生到課率的同時，提高了學(xué)生的聽課率，學(xué)習(xí)效果有了明顯改善。

通過翻轉(zhuǎn)課堂、項目驅(qū)動等教學(xué)模式改革，堅持“學(xué)以致用”原則，突出實踐，強化學(xué)生工程實踐能力，加強學(xué)生的實踐操作、工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);力求使學(xué)生達到懂原理、會設(shè)計、能制作、能應(yīng)用的學(xué)習(xí)效果，達到重技能的培養(yǎng)目的。課題組還開發(fā)出兩套開發(fā)板，能夠保證各個實現(xiàn)項目的實例化，學(xué)生自己動手焊接和調(diào)試，真正實現(xiàn)對單片機的學(xué)習(xí)，有效實現(xiàn)了真正的學(xué)用結(jié)合，“教、學(xué)、練、做”一體化改革。

（六）賽課合一，促進學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

依托藍橋杯（單片機設(shè)計與開發(fā)）、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”等學(xué)科競賽平臺，整合競賽考核知識點，把課程內(nèi)容和學(xué)科競賽結(jié)合起來，課內(nèi)和課外結(jié)合起來，課堂同賽場，賽場如課堂，實現(xiàn)賽課合一。學(xué)生在此過程中，能進一步明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，規(guī)劃好自己職業(yè)方向，同時，學(xué)生的動手能力和工程創(chuàng)新實踐能力都得到了較好的鍛煉。通過學(xué)科競賽，既增加了學(xué)生自信，還促進了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，開闊了學(xué)生眼界、豐富了學(xué)生的知識，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（七）科研成果反哺本科教學(xué)

把教師課題或科研成果分解成若干小課題，每個小課題可以獨立作為單片機課程設(shè)計題目，通過單片機實現(xiàn)一定的功能。同時，教師團隊積極吸納本科生參與研究課題，讓更多的學(xué)生參與到解決實際問題的行列中，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜的工程能力，實現(xiàn)科研成果融入課堂反哺本科教學(xué)，對學(xué)生獨立解決問題的能力的提高起到了很大作用。

（八）建立健全跟蹤反饋機制，實現(xiàn)課程可持續(xù)改進

為做好工程教育認證，學(xué)院制定了“畢業(yè)生跟蹤反饋機制辦法”，加強對學(xué)生畢業(yè)后跟蹤指導(dǎo)。課程團隊和畢業(yè)生建有多渠道的聯(lián)系方式，通過微信、QQ或郵件等形式，定期和學(xué)生進行交流溝通，解答學(xué)生在工作崗位上遇到的困惑或難題，并了解他們的工作崗位對單片機知識的需求，通過多次交流溝通，評價學(xué)生對知識的需求及崗位、社會對知識的需求，并把需求及時反饋到教學(xué)過程中，修訂課程大綱，力爭讓在校學(xué)生能接受最新穎、最先進、最實用的專業(yè)知識，提升學(xué)生畢業(yè)的社會適應(yīng)度[9]，實現(xiàn)課程可持續(xù)改進和課程的閉環(huán)控制，做到“學(xué)生今天所學(xué)的就是明天所用的”，讓學(xué)生能跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，跟上時代的發(fā)展。

結(jié)語

結(jié)合工程教育專業(yè)認證理念，依托國家級精品在線課程，對我?！皢纹瑱C原理及接口技術(shù)”課程進行教學(xué)改革和探索。融入課程思政元素，重構(gòu)實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，強化了實踐教學(xué)。以“工程師制”模式開展項目案例式教學(xué)，引入虛擬仿真，實現(xiàn)虛實結(jié)合，引入學(xué)科競賽，整合課程內(nèi)容，實現(xiàn)賽課的統(tǒng)一，科研成果反哺教學(xué)，加強學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，探索出一條能夠持續(xù)改進的以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力為核心的課程改革之路。

參考文獻

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Exploration of the Teaching Reform of SCM Courses under the Background of

Professional Certification

DING Dian-kuan， LI Li-xin， LI Ai-hua

（School of Physics & Electrical Engineering， Anyang Normal University， Anyang，

Henan 455000， China）

Abstract： Engineering education professional certification is an important means to ensure the quality of engineering education. Through the teaching reform and exploration of the national high-quality online course of MCU Principle and Interface Technology， this paper further reconstructs the content of practice links， carries out the project case teaching through the “engineer system” mode， introduces a virtual simulation platform to realize the combination of virtuality and reality， the integration of teaching， learning， practicing and doing actual work， the support of feedback of scientific research achievements to teaching， and the integration of competitions and course teaching combined with the discipline competitions， in order to strengthen the cultivation of students’ engineering practical ability and innovation ability， establish and improve the tracking and feedback mechanism to realize the closed-loop control of curriculum reform. This paper tries to explore a way of curriculum reform that can be continuously improved to take the cultivation of students’ engineering practical ability as the core.

Key words： professional certification; SCM Principle and Interface Technology; teaching reform; engineer system