面向創新型人才培養的單片機系列課程柔性化教學模式研究

田 勇，趙 爽，丁學君，劉子凡

（1.遼寧師范大學 物理與電子技術學院，遼寧 大連 116029；2.東北財經大學 管理科學與工程學院，遼寧 大連 116025）

0 引言

改革開放以來，我國提出了“發展創新型國家”的戰略思想[1]。在黨的十九大報告中，再次強調要加快創新型國家的建設步伐。因此，高校作為人才培養的主基地，培養面向不同專業的創新型人才，成為其教學工作的一項首要目標和重點內容。作為國內眾多高校普遍開設的一個專業，電子信息工程專業是一門集現代電子技術、信息技術、通信技術于一體的綜合性、交叉性學科，其以培養“具備電子技術和信息系統的基礎知識，能夠從事各類電子設備和信息系統的研究、設計、制造、應用和開發的高等工程技術及研發人才”作為培養目標。隨著IT技術在社會各個行業的廣泛應用與不斷滲透，電子信息工程專業涉及的應用領域愈加廣泛，針對該專業的人才需求也呈逐年增加的趨勢。因此，培養理論基礎扎實、實踐能力強、適應社會需求的應用型、創新型人才，成為電子信息工程專業人才培養工作的關鍵。

為此，國內各個高校多年來在電子信息工程專業的教學改革，以及教學模式創新等方面，進行了積極的探索，以提升學生的實踐能力和創新能力，但從培養效果來看，都不太理想[2-4]。該問題的主要原因是作為應用現代技術進行信息控制和信息處理的學科，電子信息工程專業的課程體系覆蓋面十分廣泛，既包含數學、物理、高頻及低頻電路、現代電子技術、信號與系統、微機原理、通信原理、傳感器原理等理論課程，還包括硬件電路的設計、組裝和調試，以及單片機編程等實踐課程。由于所學理論課程較多，且課程內容難以做到有效銜接，學生們無法把更多的精力放在實踐課程的學習上，從而導致理論與實踐的脫節[5]。

1 柔性化教學模式

1.1 柔性化教學模式的內涵

柔性化教學模式的基本思想來源于企業界的柔性管理。豐田公司是最早提出柔性管理的思想，并將其應用于經營實踐中的企業。與傳統的以規章制度為中心的剛性管理相比，柔性管理更注重結合人們的心理特征與行為特征來實施管理工作，其注重人性的解放以及權利的平等。由于柔性管理是在探究人們心理和行為規律的基礎上，采取非強制方式，把組織意志轉化為人們的自覺行為，因此，有利于形成一種讓參與者樂于接受、輕松活躍的工作氣氛[6]。借鑒柔性管理的思想，學者們提出了柔性化教學模式，即利用現代多元的信息技術手段，進一步發展混合式教學模式，根據學生學習的特點，以提高學習積極性為目標，來提高授課的質量[7]。

1.2 柔性化教學模式的基本原則

1.2.1 主體性原則

一方面，在教育教學過程中，柔性化教學模式強調以學生為本，以學生發展為中心，培養學生的實踐創新能力和綜合素養，充分發揮學生的主體地位。另一方面，柔性化教學模式以研究學生的個性特點和行為方式為基礎，充分發揮學生的個性特長，尊重學生的主體需求和個性發展，從而根據學生的個體特點，進行有針對性和分層次的管理，從學生的內心深處激發其內在潛力、創造力和主觀能動性。

1.2.2 啟發性原則

隨著教育改革的不斷深入，素質教育逐漸代替了應試教育，教師的教學原則不再是灌輸式教學，而應是啟發性教學。專業課教師需要積極引導學生不斷思考，創設各種情景，激發學生不斷提出問題、分析問題以及解決問題。柔性化教學模式有利于建立民主、平等、和諧的師生關系，并在教學過程中淡化教師與學生之間的界線，使兩者之間保持一種平等的“對話”關系。

1.2.3 多樣性原則

多樣性原則是指根據學生的不同個性與興趣，設置多樣性的教學內容、多樣性的發展方向，不再完全局限于共性的發展。教學多樣性則要求整個教學系統在充分認識、整體把握學生個性化特征的基礎上，針對學生群體中存在的不同學習需要，組織、協調相應的教學資源，進行彈性化的教學設計。電子信息工程專業以培養專業基礎扎實、實踐動手能力和自主學習能力強的高級專門人才為目標，因此將柔性化教學模式應用于電子信息工程專業的課程教學中，有利于培養具備專業知識和創新精神的應用型人才，以滿足人才市場的需要。

2 單片機課程柔性教學體系的構建

2.1 單片機系列課程教學現狀及問題分析

單片計算機原理與應用是面向電子信息工程專業本科生開設的專業必修課，也是該專業的主干課程。本課程的先行課程有C語言程序設計、匯編語言程序設計、數字電子技術、模擬電子技術等。在遼寧師范大學電子信息工程專業人才培養方案中，將該課程的課堂講授學時規劃為48學時，實踐學時為12學時；采用“基于多媒體的理論講授+基于單片機實驗平臺的實踐教學”相結合的教學方法；課程考核方式為閉卷考試。這種課程設置形式存在以下問題：①實踐環節學時較少，部分學生很難將理論知識與實踐相結合；②教學方法死板、單一，不能充分發揮學生的主動性和創造性；③考核方式不完備，學生只關注課本的理論知識，導致期末成績很好，但實際動手能力卻較差的現象，并不能科學合理地檢測出學生的綜合學習效果?？梢姡壳霸撔纹瑱C系列課程的教學方法與教學模式，已經無法滿足創新型、應用型的人才培養目標，因此需要根據培養要求，引入新的教學理念和教學方法，優化相應的知識體系。

2.2 單片機系列課程柔性化教學改革思路

面向創新型人才培養的單片機系列課程柔性化教學改革思路，如圖1所示。

圖1 教學改革思路

2.2.1 理論課程教學模式設計

單片計算機原理與應用課程可以根據相應先修課程的計劃安排，將其安排在兩個學期完成。理論課程安排在大二下學期，教學模式采用“線上視頻學習”“線上線下輔導答疑”以及“線下課程小實驗”相結合的教學模式。教師以課程教學大綱為依據，將對各個章節授課內容的講解錄制成視頻，共享在本校網站上，學生可以充分發揮主動性，根據個人能力自主規劃課程學習時間，且針對課程內容中的重點、難點，還可以通過視頻回放進行重復學習，以加深對相關知識的理解。根據該課程的總學分來合理設置每個授課視頻的學習積分，最終通過網絡平臺的數據統計每名學生學習積分，以此作為學生考核的一個參考方向。此外，教師需要定期進行線上及線下答疑與輔導。針對線上的教學輔導，教師可以充分利用微博、微信等社交媒體平臺，與學生實現即時的溝通與互動，從而在有效解答學生疑惑的同時，調動學生學習的積極性。為了提升學生的學習效果，實現課程內容的有效融合，授課過程中任課教師可以根據理論內容，設計一些具有趣味性的課程小實驗，實驗難度可以循序漸進，一方面可以加深學生對相關知識點的理解，實現課程內容的融會貫通，另一方面激發學生的學習興趣，為后續實踐環節的順利開展奠定基礎。上述基于柔性化教學思想的課程安排，取代了傳統的“先理論，后實驗，分階段，固定化”的單一教學模式，充分發揮了學生學習的自主性。

2.2.2 實踐課程教學模式設計

以上述理論學習內容為基礎，在大三上學期，課程團隊利用開放實驗室設置基于單片機的實踐課程——小型機器人系統設計。首先，教師逐層深入地為學生講解相應過程，通過邊講解、邊演示、邊讓學生跟隨操作的方法進行教學。跟隨老師完成簡單的課程實驗后，以小組為單位，學生使用已學過的硬件系統設計和編程等課程的基礎知識，根據自己的不同個性與興趣，分工合作，共同討論完成一個課程作品。上述創造性、系統性的實踐課程設計，可以加深學生對所學理論知識的理解，提高理論聯系實際，以及分析問題和解決問題的能力，為今后從事相關工程技術工作打下良好的基礎。

2.2.3 柔性化教學與CDIO教育理念相結合的工程實踐能力培養

CDIO 教育理念是近年來工程教育改革領域取得的一項重要成果。2000年，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所頂尖大學，共同組建了一個工程教育改革的研究團隊。該研究團隊經過4年的不斷探索，創立了CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的國際合作組織。CDIO，即構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）等4種教育思想的融合，其以產品研發到產品運行的生命周期作為載體，讓學生能夠以自主的、實踐的方式來學習工程技術，并強調加強課程之間的有機聯系。CDIO培養大綱以工程為背景，以項目為載體，以培養學生的工程實踐能力、創新能力、團隊溝通能力和合作能力為目標[8]，將CDIO的工程教育理念融入單片機系列課程的創新型人才培養柔性化模式中。

目前，高校教師開展教學工作的同時，還有各自的科研領域，且高校科研隊伍已經成為國家科技隊伍的中堅力量。以遼寧師范大學物理與電子技術學院為例，部分教師主持了多個國家級、省部級科研項目，并在國內外重要期刊發表了多篇本專業領域的學術論文，其中幾位教師與相關IT企業開展了長期的合作研究，完成了多個與單片機、嵌入式系統開發相關的企業合作項目，具有豐富的業界合作經驗。因此，在掌握基本的理論知識并具有一定的實踐能力基礎上，可以充分利用上述科研資源，鼓勵和引導學生積極參與到教師的相關科研項目中，進一步提高學生的自主創新能力，以達到企業對應用型和創新型人才的要求。

此外，目前國家積極鼓勵大學生進行創新創業，并制定和實施了多項政策，將創新創業切實落到實處。以此為契機，教師可以指導學生參加大學生創新創業等科研項目，并在科研過程中充分發揮教師為主導、學生為主體的作用。綜上，在單片機系列課程建設過程中，可將柔性化教學與CDIO教育理念進行有機結合，即堅持以課程理論知識學習為基礎，以實踐環節設計為中心，以科研項目為導引，構建科學合理的實踐知識體系和實踐能力培養體系。

3 單片機系列課程柔性教學體系的實施

3.1 理論課的課程安排

單片計算機原理與應用課程中，理論課的總學分：3.5學分；總課時：60學時。以第三章“MCS-51單片計算機指令系統和程序設計方法”的教學內容為例，對理論部分的課程安排進行闡述。該章理論課的教學大綱見表1。

表1 單片計算機原理與應用理論課教學大綱（以第三章為例）

3.2 開放性實驗課的課程設置與實施

小型機器人系統設計是單片機系列課程中一門實踐類課程。該課程通過小型機器人的構思、設計、實現和運行等環節，使學生熟悉設計實際產品的整體流程。本課程于大三上學期1—8周開設，課程總學時40學時，其中理論部分10學時，實驗部分 30學時，共2學分。

（1）理論部分內容包括：第1—4學時介紹本門課程及機器人的發展概況；第5—8學時介紹創意之星機器人的設計過程；第9—10學時介紹設計過程中各種軟件工具的使用。以上授課均采用學生在線學習教師錄制的共享視頻的方式進行。

（2）實踐部分內容包括：第10—20學時，熟悉創意之星機器人套件的各部件以及各類接口，其中教師通過一個例子演示設計過程，學生進行跟隨操作；第20—40學時，以小組為單位，學生自主設計并完成作品。

在整個實踐環節中，學生需要首先了解“創意之星”的結構件、控制器、傳感器、執行器及其他部件；其次學習使用AVR控制器、CDS5500機器人舵機、NorthSTAR圖形化集成開發環境、構型搭建；最后以分組形式利用“創意之星”機器人套件，自主創新搭建機器人構型，并通過編寫、調試程序使小機器人具有避障、循跡、爬坡等功能。

3.3 自主科研實踐能力的培養

在課程學習之余，教師積極組織學習能力較強、興趣濃厚的同學，參與大學生創新創業等科研項目，以提高他們的自主科研能力和理論知識的運用能力。以遼寧師范大學物理與電子技術學院教師承擔的“海洋自容式傾角傳感器集成系統設計”項目為例，該項目是在充分研究現有海洋監測傳感器的基礎上，擬設計能夠在海水中自行工作的自容式傾角傳感器集成系統，將其用于海洋平臺在海水中部分的結構健康監測，并通過計算機端的專用軟件，對自容式傾角傳感器集成系統進行參數設置，進而根據數據對海洋平臺進行監測和評估。該系統中的微處理器模塊主要由MSP430F149單片機構成，完成整個系統的控制；系統中的數據存儲采用高記憶容量、快速數據傳輸率的Micro SD卡；傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司的數字高精度加速度和傾角傳感器；實時時鐘模塊主要負責為系統提供準確的時間；電源管理模塊負責對電池電壓進行穩壓濾波，以給整個系統提供安全穩定的工作電壓；電源模塊采用的是大容量的一次性鋰亞電池。系統總體采用總線式結構，各個模塊相互獨立，利用總線板相互連接，以最大程度上減小尺寸。

可見，通過參與該項目的實施，學生可以對于單片機的設計、電路板的布局布線、程序的編寫、系統的調試等方面的工作進行深入地了解，這從很大程度上培養和提高了他們的自主科研能力，為今后在該領域的科研及技術能力培養，奠定了堅實的基礎。

4 評價體系與考核方式的探索

4.1 理論課程評價及考核

對于單片機系列課程中理論課程的成績考核，各高校多以閉卷考試為主要手段，且該考評方法僅局限于檢驗學生的應試能力。為此，針對單片計算機原理與應用課程，引入一種從多方面考評學生綜合學習效果的考核方式。在該考核體系中，理論課考核分為3個部分，即線上學習積分統計、期末閉卷考試以及小實驗操作效果。線上學習積分主要考核學生的自主學習能力；期末閉卷考試用來考核學生對理論知識的掌握情況；小實驗操作效果則側重考核學生理論知識的運用能力。以上每個部分的分值比例分別設定為20%、40%、40%。

4.2 實踐課程評價及考核

實踐能力方面的考核，主要由教師根據預先設計的不同課程項目，對每個小組的完成情況進行綜合評價，其評分標準包括項目的設計、項目實施過程、作品展示、項目答辯、團隊合作等多個方面。以小型機器人系統設計課程為例，設計單片機系列課程的考核方式及分值比例，見表2。

由此可見，表2給出的多角度、全方位的考核方式，既能考核學生的個人學習能力，又能培養學生的團隊意識和競爭意識。在該考核體系中，教師從多個角度評價學生發現問題、分析問題以及解決問題的能力，其中更側重于考查學生的學習主動性和創新性思維，從而鼓勵學生在產品設計過程中，充分發揮其個性特點，激發學生的創造潛能。

5 結語

在單片機系列課程的教學中，融入柔性化教學理念，通過“線上+線下”“理論+實踐”以及“小實驗+實踐課程+科研項目”的多元柔性化教學模式，對高校單片機系列課程的理論課程、開放性實驗課程、本科生自主科研項目及其考核方式進行改革和實踐。教學團隊自2016年開始，將該教學模式改革成果應用于遼寧師范大學物理與電子技術學院單片機系列課程的教學實踐中。2016—2018學年，該校單片機系列課程考核中的合格率達80%，優秀率達20%，教學質量得到明顯提升，其教學方法及教學效果，獲得了同行、學生一致的認可和好評。在2019年的畢業生就業雙向選擇過程中，該專業的學生深受相關IT企業的歡迎，就業率明顯高于歷史同期水平?？梢姡槍纹瑱C系列課程，開展面向創新型人才培養的柔性化教學模式，可以很大程度上提升電子信息工程專業創新型、應用型人才的培養質量。在未來的教學研究及教學實踐中，教學團隊會根據國內外IT行業的發展和人才需求的變化，不斷更新課程知識結構，完善教學體系，進一步推進教學模式的創新，從而培養出既具有扎實的專業理論知識，又具有實踐能力和創造能力的企事業單位急需人才。

表2 小型機器人系統設計實踐課程考核方法