單片機原理及應用多維立體化混合式教學模式改革與實踐

張強，丁建，尚福魯

（青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東青島 266520）

單片機原理與應用課程是使學生掌握單片機的基本原理和應用的課程，是培養學生專業能力的重要組成部分，是一門應用性和實用性都很強的課程。該課程涉及電子信息、計算機和自動化等多方面技術，是自動化、控制類相關專業的重要專業課程。通過培養學生的創新能力和工程素養，可以使學生具備更強的發現、分析和解決問題的能力，從而實現“學以致用”，提高學生的實踐能力。在新工科背景下，應用型本科專業對學生創新實踐能力培養有了更高要求，傳統的教學理念和方法已經無法滿足新時代對創新型人才的培養要求。

1 單片機原理及應用課程教學存在的不足

工程教育認證的核心理念是以學生為中心，培養學生的工程創新能力。單片機原理及應用在電路原理、數電、模電、自控原理及計算機應用基礎等先修課程的基礎上，重點培養學生應用單片機知識解決復雜工程問題的能力[1]。單片機的獨特特性決定了該課程包含大量復雜和零散的概念，基礎概念相對抽象。該課程還要求學生有較高的實踐動手能力[2]。通過對單片機原理及應用課程的教學方式進行分析，發現存在以下問題，不符合工程教育專業認證的理念。

（1）在傳統的教學方法中，課程教學以教師為中心，為“老師講，學生聽”，在教學過程中，教師起主導作用。師生之間缺乏溝通，教師未能及時了解學生的學習情況和調整教學方法，導致教學模式過時，學生學習枯燥，與強調培養學生創新能力和解決工程領域復雜工程問題實踐能力的工程教育專業認證要求不符。

（2）缺乏對創新能力的培養，配套單片機課程的實驗內容相對單一，以驗證性實驗為主。學生按照實驗教學手冊中的指導要求按部就班地取得實驗結果，不利于創新思維的培養，也不利于進一步鍛煉單片機系統的設計、開發、硬件測試和軟件調試等方面的能力。

（3）理論教學與實踐應用脫節，目前的課程教學仍以傳統單片機硬件接口及匯編語言編程講解為主，并未結合廣泛應用的新型電氣控制元件講解，未考慮控制設備的理論課程。各知識點相對松散，缺乏連貫性，所選案例相對單一，并沒有充分考慮工程實踐的內容，也沒有重視提高學生的工程應用能力。在編程控制技術教學中，沒有充分考慮實際中有較高要求的自動化控制問題，只強調匯編和C 語言編程指令講解，無法實現芯片和電子元件的實際工程應用，影響了學生實踐應用能力的培養，學生在學習該課程后無法很好地獲得實踐知識。理論知識教學過于抽象，學生難以很好地對課程知識內容進行理解和應用。

2 基于OBE理念的課程教學改革

2.1 課程目標

改革并完善“以學生為中心、以教師為主導、以現代信息技術為支撐、以提高學生綜合應用能力為目標”的新型交互式學習體系，改進“以課堂教學為主導，以微課、線上課堂、個性化自主式學習為輔，以賽促學綜合實踐”的立體化學習環境，完善“分別以教師和學生為對象的雙重教學評價體系”，以促進課堂教學質量的全面提高，同時開辟多種渠道，培訓師資，提升教師的綜合素質，把單片機原理及應用課程建成體現現代教學理念和創新精神，具有一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教學管理的示范性課程，把課程建設成省級優秀課程。課程目標與教學內容及考核環節之間的關系如表1所示。

表1 課程目標與教學內容、考核環節之間的關系

2.2 教學模式

采用“以學生為中心、以教師為主導、以現代信息技術為支撐、以提高學生綜合應用能力為目標”的新型交互式學習體系（如圖1 所示），充分利用信息化和實驗室資源，完善原有以教師授課為主的單一教學模式[3]。充分利用電子愛好者協會和開放實驗室資源，建成以老帶新、以賽促教、賽教融合的混合式教學新模式，使教學向自主化發展，向解決工程復雜問題的方向發展，不受時間、地點的限制。在教學過程中充分調動學生和教師的積極性，確立學生主體地位。

圖1 以學生為中心的教學模式

2.3 教學方法

實現由以教師授課為主，單純傳授理論知識和技能的教學模式向以學生為中心的教學模式轉變，既講授理論知識，又注重學生自主學習能力和解決工程實際問題能力的培養。充分利用工程實踐和實驗室教學資源[4]，引導學生提出問題、探討問題、解決問題，采用可鼓勵學生自主創新的教育教學方法，開展以學生為中心的探究式教學。利用無人機、智能車等新式智能產品調動學生好奇心，激發其主動學習的興趣，逐步確立學生在教學過程中的主體地位，使教學向個性化學習、主動式學習、浸入式學習的方向發展，不斷提高教學質量。

培養學生自主學習的意識和能力，通過協會和開放實驗室，由高年級學生“傳幫帶”低年級學生開展自主學習，幫助學生形成持久的學習動機。通過網絡預習、課中探討式學習、課后自主學習、課外實踐動手學習3 個方面培養學生的自主學習能力。

教師課前布置預習大綱，引導學生自學，發現自己的問題。課后，教師充分使用中國大學幕課、學堂在線等網絡資源[5]，根據教學進度與要求為學生布置網絡自學任務，使學生結合自身水平、特點，自行選擇相應的補充學習內容。后期，教師結合臨沂校區學生實際，建立自己的網上課程資源，讓學生更加適應線上線下相結合的教學模式[6-7]。

課外繼續擴大競賽規模，豐富競賽種類，為學生創造實踐動手的機會和條件，營造良好的學習環境，調動學生的主動性[8]。充分利用電子愛好者協會，開展由高年級學生和任課教師共同擔任輔導教師的第二課堂活動，發揮學生帶動學生的優勢，激發學生主動學習的興趣和熱情。

2.4 教學評估模式

教學效果評估采用教學目標評價法，為有效評價OBE 理念下的課程建設，確立課程評估的方法與原則[9-10]。

（1）以學生為中心，注重學生學習成果和課程對人才培養目標的支撐度。

（2）結合目標、過程和效果，對課程質量進行全面綜合評價，重點評估課程的目標定位、教學條件、教學過程和教學效果。

（3）課程采用學生評估與專家評估相結合的方式，由校內外專家同行、教學督導和學生等不同主體進行綜合評估，確保課程評價客觀有效、公正公平。

采用過程性評價模式，對學生學習過程進行觀察、評估和監督[11]，如學生網上自學記錄、課堂討論表現和課外實踐記錄、預習及復習情況記錄、期中期末測試等，激發學生的積極性和學習效率，促進學生自主學習能力和綜合實踐能力的提高，為教學提供反饋，根據課程評估存在的問題與不足，在原有教學質量監控措施的基礎上，結合本校辦學特色，明確持續改進評估的主體、內容及方式，構建集監控、管理、評價、反饋、改進5 個功能于一體的良性閉環系統[12]，從持續改進的角度提出改進課程質量評估的對策，便于重新設計并改進教學內容、方法和方式，實現課程教學的持續改進。

2.5 創新能力培養

教師應合理應用現代化教學資源輔助教學，將豐富的資料圖文并茂地呈現給學生，把最新的課程信息補充進教學[13]。創造機會讓學生成為課堂的主人，通過探討互動、實踐操作加強學生自主學習能力，提高綜合應用能力[14]。為此，設立了“五級提升式”課外學科競賽平臺體系（如圖2 所示），通過各種競賽提升學生的團隊合作精神和實踐能力。學科競賽育人平臺可以為學生提供豐富的學科競賽知識和技巧，幫助教師在課堂上進行競賽教學，增強學生的學習興趣和參與度。學科競賽育人平臺可以通過與教學的結合，為學生提供更加豐富和多樣化的學習資源和機會，促進學生的學習和成長，同時也為教師提供更加便捷和高效的教學輔助工具。競賽育人平臺可以通過激發學生興趣、增強學生自信、提高學生能力、促進教師成長和拓展教學內容等方式，促進教學的提高和優化。

圖2 “五級提升式”課外學科競賽平臺體系

3 教學實踐

教學團隊從2021—2022 學年開始實施上述混合式教學模式，所帶教學班學生成績與往屆相比，各項成績都有所提高。表2 是本學期期末試卷得分分析表，表3 是由總評成績計算出的各畢業指標點的得分分值及達成情況。

表2 期末試卷分析

表3 指標點達成度評價

由表2 可知，第三大題之所以得分率相對較低，主要原因是這道題的工程復雜度比較高，有些學生雖然能掌握相關基礎知識點，但是在綜合實踐應用方面仍有提升空間。從表3 可以看出，這個教學班的畢業指標點全部達標，說明大多數學生在工程領域對復雜工程問題的解決能力還需要進一步提高的情況下，總體上已經掌握了與機電控制有關的單片機知識。針對上述問題，后續教學擬從以下幾個方面加以完善：（1）以案例教學為主，重點加強解決復雜工程實際問題能力的培養，加強學生分析設計能力的訓練，以解決復雜工程實際問題；（2）在實驗教學上，突出設計實驗方案，提升學生自主解題能力；（3）鼓勵學生在課外實踐項目中，在項目方案的設計和分析比較中，充分利用文獻資源，提高分析問題和解決問題的能力。

通過課程教學方案改革，學生參加競賽比重由原來的8%提高到了50%，2021 及2022 年度獲全國大學生電子設計競賽省一等獎6 項，二、三等獎20 余項，獲全國大學生智能汽車競賽省一等獎4 項，二、三等獎10 余項，競賽獲獎質量和數量均有明顯提升。

4 結束語

本文分析了當前單片機原理及應用課程教學中的問題，基于OBE 理念進行教學改革實踐，開展多維立體化賽教融合教學模式改革實踐，通過多元化考核機制對學習效果進行分析改進，引導學生自主有效學習，培養學生的工程意識、團隊協作精神以及解決實際問題的能力，從課程目標達成度和競賽結果來看，獲得了較好的教學效果。