基于學業導師制的大學生創新力培養探索研究
——以“單片機與接口技術”為例

胡 濱，代昆玉

（貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025）

引言

“單片機與接口技術”系高校計算機科學與技術專業的核心課之一，它以8051系列單片機為學習對象，講授單片機系統的體系結構、匯編指令、定時/計數器、中斷、串行口、IC總線、AD與DA轉換器、存儲器及輸入輸出接口擴展電路等內容，使學生掌握使用單片機進行軟件、硬件設計的方法，提升有效使用所學知識解決實際問題的能力。由于該課程教學內容涉及運用以單片機為核心的計算機軟件、硬件系統開發學科前沿技術，極易在授課對象中開展創新型實踐應用教學，引發學生對新問題、新方法、新技術的思考與實踐探索。然而，我國高校傳統的教學模式以課堂知識教學為主，實踐環節大多是簡單驗證性實驗，很少或沒有涉及對授課對象創新實踐能力有針對性的科學訓練，難以滿足新時代社會主義經濟建設高層次創新型人才的迫切需求。

近年來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視高校創新型人才培養工作。習近平總書記在2021年9月召開的中央人才工作會議上指出，我國必須走好人才自主培養之路。2021年12月，《求是》雜志發表習近平總書記的重要文章《深入實施新時代人才強國戰略 加快建設世界重要人才中心和創新高地》。文中強調，必須面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，深入實施新時代人才強國戰略，全方位培養、引進、用好人才，加快建設世界重要人才中心和創新高地，為2035年基本實現社會主義現代化提供人才支撐，為2050年全面建成社會主義現代化強國打好人才基礎。習近平總書記從實現中華民族偉大復興的戰略高度為我國高等教育創新型人才的培養指明了方向。在該時代背景下，作為高校計算機專業核心課程的“單片機與接口技術”，對學生創新力培養的教學改革需求迫在眉睫。然而，由于該課程教學內容多，授課學時數少，教學改革矛盾突出，如何高效培養學生的創新力、尋求合適的教改方法尤為重要。高校大學生創新力培養需要在課程專業知識教學中融入實踐創新元素，與原本的課堂教學形成協同效應，促使教學對象的創新力素質教育達到潛移默化的作用。

一、學業導師制與項目驅動

高校傳統的授課方式采用的是任課教師授課制，即主講教師在課堂教學中對授課對象開展一對多的教學活動。由于任課教師在教學時間、授課精力、專業知識等方面存在諸多限制，他們無法滿足廣大學生實踐指導學習與創新能力訓練的需求。針對這一教學矛盾，教育部在2019年10月印發了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》。該意見提出，大力建立健全本科生學業導師制度，讓符合條件的教師兼顧學生的不同特點，激發每一個學生的優勢潛能，幫助高校學生制訂更具個性化的培養方案和學業生涯規劃。我院以此綱要為準則，充分發揮學業導師制的作用，重視學生學業生涯規劃教育與人才培養訓練，開展了“單片機與接口技術”課程的教學改革工作。同時，以學生為教學中心，引入任課教師課堂知識教學為主、課外學業導師項目驅動為輔的大學生創新力培養模式，積極開展學業幫扶計劃，并貫穿學生大學期間的創新力培養過程，如圖1所示。

圖1 學業導師項目驅動示意圖

圖1展示的是課程教學中學業導師項目驅動示意圖。具體而言，在“單片機與接口技術”課程教學過程中，主講教師開展課堂知識教學，針對授課班級學生需求選拔優秀的教師參與教學對象的課外學業導師實踐教學工作。學業導師結合自身研究方向與科研課題擬定難度適中、適合學生參與的實踐訓練項目，以實踐訓練項目為驅動，吸引學生加入課外專業知識技能實訓與創新能力培養的素質教育環節。在這種基于學業導師的項目驅動教學模式下，學生按學習興趣以3～5人為一個小組自由組隊，與各個學業導師建立聯系，在學業導師的指導下積極主動地參與大學生科技創新能力培養的學習與實踐訓練。

二、項目實踐探究實例

“單片機與接口技術”課程教學內容覆蓋面廣，主要涉及8051單片機硬件結構組成、中斷系統的使用、定時/計數器工作原理、串行通信接口、鍵盤與顯示器接口、DAC/ADC接口、8051指令系統、匯編語言程序設計、高級語言Keil C51、Proteus虛擬仿真等知識。由于課程教學內容多、課時數少，教師應該選擇合適的教學切入點實施基于學業導師的項目驅動創新力培養與訓練。在該課程的教改過程中，擔任學業導師指導任務的教師要以課程教學知識點為基準，結合自身科研方向，擬定符合大學生的實踐訓練項目。學生可通過參與項目實踐訓練，明確專業培養目標，了解專業學科前沿技術，并在項目實踐過程中提升自身科學素養，培養科學思維及科技創新能力。下面介紹幾個實例。

（一）溫度采集與顯示系統設計和實現

環境信號的數據采集是計算機控制系統的基礎功能之一。在眾多的外圍數據中，環境溫度是一種常見的采集對象。由于計算機可加工處理的信號是數字量，而外界采集得到的環境溫度是連續變化的模擬量信號，無法直接輸入計算機控制系統進行加工處理，因此需要借助模數轉換器（ADC）將模擬信號轉換為數字信號再輸入計算機系統做信息處理，反之則需使用數模轉換器（DAC）進行轉換再向外圍系統輸出。本實例項目訓練學生基于8051單片機系統，使用線性溫度傳感器、ADC、LED數碼管顯示器等，設計與運用計算機外圍數據采集應用系統。該系統的硬件組成主要包括三個模塊，分別是溫度采集、ADC數據處理、數據顯示。其基本結構框如圖2所示。

圖2 溫度采集顯示系統的基本結構示意圖

在該項目的實踐過程中，學生基于8051單片機，根據具體的應用場景選擇合適的溫度傳感器采集外界溫度，經過8051單片機對采集的信號進行模數轉換，再通過LED數碼管顯示器顯示其數值。在這個實踐實訓過程中，學生通過資料查閱了解溫度傳感器的選擇方法、ADC的工作原理，掌握單片機與外圍溫度傳感器的通信技術、LED數碼管顯示器的使用方法、編寫與調試相應的控制程序，從而獨立完成計算機外圍數據采集與信息顯示的計算機應用系統。該項目的實施有助于訓練學生的動手實踐能力，幫助他們形成分析問題、解決問題的創新思維能力。

（二）紅外遙控系統設計與實現

紅外遙控在家用電器中有著廣泛的應用，甚至在計算機外圍設備中也有使用，如無線鼠標、無線游戲操控桿。本實例項目要求訓練對象設計與實現一套基于計算機控制技術的紅外線遙控系統。該紅外遙控系統分為兩個模塊，即實現遙控信號輸出功能的紅外信號發射模塊、實現遙控信號接收與解碼功能的紅外信號接收模塊。其基本組成結構框如圖3所示。學生可借助8051單片機作為遙控信號發射與接收的主控處理器芯片，在此基礎上利用單片機內部的定時器和外部中斷控制器實現遙控信號的發射編碼與接收信號解碼。在該系統的設計與實現中，編碼、解碼功能需根據實際需要選擇使用專門的電路芯片實現。

圖3 紅外遙控系統基本結構示意圖

項目要求學生基于8051單片機，根據應用場合需要選擇相應的編碼、解碼芯片設計與實現基于單片機控制的紅外通信系統。在項目實踐訓練中，學生需要深入理解鍵盤控制器、紅外信號的編碼與解碼、紅外信號發射接收器的工作原理與使用方法，并且需要編寫與調試控制系統中的程序代碼。該項目的實施有助于提高受訓對象的動手實踐能力，提高他們查閱資料、分析問題、解決問題的創新實踐能力。

（三）GPS信號接收機的設計與實現

全球有四大衛星定位系統，包括我國北斗衛星導航（COMPASS）、美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）以及歐洲伽利略（GALILEO）。這些衛星定位系統在交通運輸、無線通信、地質測繪、國土安全等眾多領域發揮著重要作用。美國GPS由于具有定位精度高、通信時長短、通信協議公開、軟硬件成熟、使用免費等優點，得到廣泛應用。GPS定位系統開發就個人用戶而言特指用戶接收，即GPS信號接收器。本實例項目要求參訓學生基于8051單片機設計與實現一個簡易的GPS信號接收機，并將接收信號轉換為經緯度信息進行顯示。項目設計與實現的接收機主要包括三部分，分別是8051單片機控制器、GPS接收器硬件模塊、LCD顯示器。其基本結構框如圖4所示。

圖4 簡易GPS信號接收機基本結構示意圖

該項目基于8051單片機系統，結合GPS接收器芯片、LCD顯示器設計與實現一個簡單的GPS信號接收機。項目的實施過程中，學生需要深入理解GPS接收器、LCD顯示器的工作原理與使用方法，掌握串行、并行數據的轉換處理方法以及LCD顯示器的數據顯示技術，并編寫與調試相應的控制程序。項目的實施有助于提高受訓對象的動手實踐能力，培養他們的科學素養，訓練其分析問題、解決問題的動手創新實踐能力。

三、教學效果評價

為評價“單片機與接口技術”課程建設引入學業導師項目驅動培養授課學生創新力的成效，本文對我院近五年（2017—2021年）該課程教改前后的教學成果進行分析。其中，前三年（2017—2019年）中，課程未開展學業導師項目驅動計劃；后兩年（2020、2021年），全面引入學業導師項目驅動計劃對授課學生實施創新力培育訓練。本文從主觀與客觀兩個維度，即授課對象的主觀評論、大學生創新創業項目統計數據，全面進行分析。

（一）授課對象的主觀評論

本課程自2020年開始引入學業導師項目驅動計劃對授課學生開展創新力培養的課外實踐訓練。為獲取授課對象的主觀評價材料，課程教學期間采用匿名問卷的方式，以20%的抽樣率隨機發放問卷表采集學生的主觀評論意見。參與學業導師項目驅動訓練學生的代表性主觀評論如表1所示。

由表1可知，參與創新力培養訓練學生的主觀評論集中體現在如下幾點：（1）有助于提升學生對課程知識的學習興趣；（2）能幫助學生明確自身專業學習與培養目標；（3）有助于學生了解所學專業的前沿技術；（4）有助于增強學生的動手實踐能力；（5）有助于學生科學思維能力的形成；（6）有助于提升學生的實踐創新能力。從匿名采樣的學生主觀評論來看，在課程教學中引入學業導師項目驅動的大學生創新力培養模式，其對受訓對象的專業知識學習興趣、動手實踐能力、科學思維方法、創新能力培養等方面都有著積極的促進作用。

表1 參與創新力培養訓練的學生評論

（二）大學生創新創業項目數據分析

在“單片機與接口技術”課程中開展學業導師項目驅動的創新力培養教學改革，可讓授課學生積極參與其中，并收獲頗深。創新思維是大學生創新力的重要表征，可表現為受訓對象在創新實踐過程中發現新科學問題的能力。此能力的訓練是高校學生創新力培養的重要內容，它直接影響著受訓對象在項目后期創新力的可持續性發展前景。在本教改效果客觀評價中，可以借助受訓對象申請參與“大學生創新創業訓練計劃”（SRT）項目的統計數據進行分析。為避免平行班教學不對稱引起的評價偏差，僅對本課程參訓學生申請項目、獲得立項資助項目中與課程教學內容相關的項目數據進行教改效果評價分析。近五年（2017—2021年）開展的基于學業導師制的項目驅動大學生創新力培養教改工作統計數據如圖5所示。

圖5 SRT項目申報統計情況

圖5從三個維度，即參與申請項目的學生人數、申報的項目數、獲得立項資助的項目數，顯示了近五年SRT項目申報情況的統計數據變化。統計結果表明，相比過去的三年，授課學生在2020年、2021年參與申請項目的人數明顯增長，申報項目數量、獲得立項資助的項目數量有質的飛躍，這充分展示了受訓對象在創新思維能力訓練方面有著明顯的提升效果。有諸多因素導致上述統計數據發生整體上升變化，如學生綜合素質提高、SRT項目宣傳吸引力度增大、學業導師制逐步健全與完善，等等。分析學生主觀評論可以發現，基于學業導師制引入項目驅動開展學生創新力培養的教學改革探索，在一定程度上促進了授課對象對課程專業知識學習的主觀能動性，提升了學生的創新思維能力，幫助他們提高了創新實踐過程中發現新科學問題的能力與解決新問題的信心。這些因素綜合在一起，對參訓學生的創新力培養都起到積極的促進作用。

四、總結與展望

深入貫徹落實習近平總書記關于高等教育創新人才培育指導意見的重要論述，是新時代中國特色社會主義發展的戰略需要。因此，要結合課程特點，充分挖掘“單片機與接口技術”實踐教學相關的教改切入點，將學業導師項目驅動引入授課對象的專業知識教學并貫穿其大學期間的創新力培養過程。課程教改活動表明，課堂教學引入學業導師項目驅動計劃可讓授課對象在收獲專業知識技能的同時，激發其學習主觀能動性，有助于提升學生在創新實踐過程中發現新問題的創新思維能力，達到構建符合新時代社會主義建設需求的高校創新人才育人體系的目的。近五年的教學效果數據評價分析表明，將學業導師項目驅動計劃引入課程教學后，學生的學習主觀能動性、創新項目參與人數、立項資助SRT項目數都有明顯的提升。