應用型本科單片機一流課程建設改革與實踐

曹麗娟 周楊景 連元宏 胥建鵬 趙柏樹

（東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419）

2019 年10 月，中華人民共和國教育部發布了《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），提出要建設適應新時代要求的一流本科課程，讓課程優起來、教師強起來、學生忙起來、管理嚴起來、效果實起來，形成中國特色、世界水平的一流本科課程體系，構建更高水平的人才培養體系。全面開展一流本科課程建設，樹立課程建設新理念，推進課程改革創新，實施科學課程評價，嚴格課程管理，立起教授上課、消滅“水課”、取消“清考”等硬規矩，夯實基層教學組織，提高教師教學能力，完善以質量為導向的課程建設激勵機制，形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系。經過三年左右的時間，建成萬門左右國家級和萬門左右省級一流本科課程（簡稱一流本科課程“雙萬計劃”）。在這樣一個“雙萬計劃”的大背景下，我校單片機原理及應用課程也積極開展了相關的課程改革與實踐，為一流課程建設做好了準備。

一、單片機原理及應用課程建設改革與實踐的相關基礎

單片機原理及應用課程建設的改革依賴于“教研項目、師資力量、服務對象”三大基礎。首先，本課程的建設目標明確，建設思路清晰，緊密結合課程相關的教研項目展開課程建設改革。如：該課程在2016年獲得校級質量工程項目的“重點課程”立項、2019 年獲得校級“教學改革”項目立項和廣東省的質量工程項目“在線開放課程”的立項、2020 年獲得廣東省的教學改革項目立項以及廣東省疫情階段在線教學優秀案例二等獎。課程前期建設的良好基礎，為課程的后續建設做好了一定的鋪墊。

同時，本課程建設團隊師資力量雄厚，既有經驗豐富、視野開闊的高級工程師，又有基礎扎實、認真負責的中青年講師。5位課程建設教師中，2位為雙師型教師，3位分別是省級、市級、校級的優秀教師，常年從事該門課程的一線教學。其中，課程建設負責人先后獲得過“校級”講課比賽第一名、“廣東省第四屆青年教師教學比賽”三等獎、“廣東省疫情階段在線教學優秀案例”二等獎，課程建設負責人將該課程的理論知識予以實踐化，積極指導學生參加各類電子設計大賽，有著豐富的教學和實踐項目經驗。課程團隊成員多年成功的授課經驗和教研成果，也為課程的建設提供了有力保障。

本課程建設的服務對象多，覆蓋面廣。我校開設該課程的專業有：電子信息工程、物聯網工程、建筑電氣智能化、機械電子工程以及機械設計制造及其自動化以及機器人工程六大專業，參與學習的學生非常多，可見，該門課程建設改革非常重要。

二、單片機原理及應用課程建設改革與實踐的具體實施

在分析該課程建設改革基礎條件的前提下，本文分別從教學理念的升級、課程思政的融入、教學內容的創新、教學模式的優化、教學方法及考核評價的多元這六個方面展開，詳細闡述該課程建設改革的具體措施。

（一）課程的教學理念層面

為實現將傳統“以教師為中心的教與學”轉變為“以學生為中心的學與教”，激發學生的學習興趣，引導學生自主學習，切實提高學生的學習效果，本課程引入基于CDIO（構思、設計、實現和運行）的教學理念，以現實生活中實用的電子產品或學生的優秀作品為載體，讓學生通過作品的構思、作品的設計、作品的實現、作品的運行過程，具備一定的軟硬件設計與制作能力，包括積極主動地學習知識的精神，具有可持續發展的終身學習能力、創新能力，以及團隊溝通交流能力，激發學生的創新意識，進而培養學生的自主創新能力。

（二）課程的思政層面

本課程多角度地融入課程思政元素，將課堂與思政相結合，將德育與智育相結合，賦予課程思政的時代廣度與厚度，實現“全員、全過程、全方位”的三全育人。

“全員”體現在教師和學生兩個方面：作為課程思政的傳播者，教師本人首先要做到德業“雙馨”，充分發揮教師的示范性和榜樣作用，例如時間觀念、著裝、言行舉止、人生態度等。作為課程思政的接受者，學生應積極利用課程所學，提高正確認識問題、分析問題和解決問題的能力；形成探索未知、敢于挑戰的責任感和使命感；養成精益求精的大國工匠精神和科技報國的家國情懷。

“全過程”體現在從“新知導入”，到“新知講解”，再到“歸納總結”，整個教學過程都有思政的有效融入。具體而言，可通過以“現實生活中實用的電子產品或優秀的學生作品”作為“新知導入”的載體，激發學生產生“學有所用”的共鳴，提高學習的興趣。在課程的“新知講解”部分，所有內容都是按照“原理、應用、實操”的模式展開的，而在多個實驗、實踐、實操環節中，實現“學中做，做中學”的同時，引導學生主動用實踐檢驗理論知識，鍛煉理論聯系實踐的思維方式。在課程的“總結”部分，可引入“腦圖”工具，制作思維導圖，串起課程內容的知識脈絡，引導學生理解課程內容的全貌和內容之間的聯系，進而培養學生綜合分析、總結的能力。以電子時鐘為例，其涉及課程第4、5、6 章節的內容，分成“制作（一）、（二）、（三）”3 個層次，依次遞進，引導學生親身經歷和體驗“一個功能完整的作品”實現的分解步驟和全過程，在鍛煉學生分析問題、解決問題能力的同時，培養學生的探究精神，啟發學生敢于挑戰、勇攀科學高峰的責任感和使命感。

“全方位”則體現在本課程的9大章節都有思政元素的有效融入，達到課程育人的目標。如：通過第1 章“單片機及單片機技術的發展概述”，結合“中美貿易戰的本質是技術戰”的背景，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，產生“努力學好專業課，為祖國貢獻一份力”的共鳴。通過第4 章“單片機IO 口控制”中“逐層遞進”的教學方法，以及“一題多解”的思路剖析，類比引導學生思考生活中分析問題、解決問題的思路與方法，激發學生的創新思維和開放思維。通過第6章“單片機定時/計數器應用——制作電子琴”，播放或彈奏《我愛我的祖國》或《祝你平安》等曲目，在增加項目趣味性，提高學生參與度和積極性的同時，一定程度上激發了學生的愛國情懷，讓學生在掌握專業知識的同時，提高思想政治素養。通過第7章“單片機串行通信的概述”，拓展到“我國的5G 領先技術”，激發學生強烈的民族自豪感和愛國主義情懷，提升學生學習的動力。通過第9 章“單片機應用系統設計與開發”，滲透精益求精的大國工匠精神和職業道德。

（三）課程的教學內容層面

本課程在充分考慮授課對象的學情和應用型本科人才培養需求的同時，將多個課程進行融合，實現課程講授內容的重構；依托“以賽促教，以賽促學”，創新課程的實踐教學內容；通過多平臺（虛擬仿真軟件、實驗箱、開發板）協同，創新實踐教學媒介；同時，以“研”促教，豐富課程學習資源。

具體而言，首先，我校結合應用型本科人才的培養目標及學生的基礎素質，將微機原理與接口技術和單片機原理與應用兩門課程有機融合，從微型計算機的基本知識和概念、基本原理和基本分析方法入手，引入目前使用最廣泛的51系列單片機，選取AT89S51型號單片機作為典型對象展開教學；通過本門課程的學習，使學生熟悉單片機的組成和工作原理，具備一般單片機系統的設計開發、分析和應用能力，為學生觸類旁通，進一步了解掌握其他各種類型單片機的應用及學習后續的嵌入式課程奠定堅實的理論基礎。

其次，針對該門課程實踐應用性強的特點，將課程負責人和團隊成員多年指導的省級國家級大學生電子設計競賽、大學生創新創業訓練項目、大學生“挑戰杯”等作品融入實際教學中，豐富和充實課程的實踐教學內容。后期再開設單片機系統設計與制作、電子綜合設計與制作等課程，進一步加強實際應用，有效培養學生的實際動手能力。

在實踐內容部分的教學中，除了采用傳統的硬件實驗箱、開發板，還增加了虛擬仿真軟件的使用，程序運行于虛擬的MCU 上，使軟件調試不再依賴于實物硬件電路，仿真結果達到系統預期效果后，再進行硬件實物制作，這樣既達到了實驗效果，又經濟方便。而且虛擬仿真軟件的使用，有效解決了物理空間和時間（如實驗室開放時間）的限制問題，為學生課下靈活學習提供了可能。

當然，課程負責人主持的省級質量工程項目——在線開放課程建設，實現了該門課程線下教學經驗和成果的共享，同時，這也將成為線下課堂教學的重要輔助，在線開放課程中的一系列“微課”小視頻為學生提供了碎片化學習機會，是學生課前預習、課后復習的首選資源，有利于應用型本科學生發現問題、分析問題、解決問題能力的培養。

（四）課程教學模式層面

本課程核心知識點統一采用“原理+應用+實操”模式，實現“以學生為中心”的“學中做、做中學”，能力培養優先，邊學習邊實踐，注重學思結合，鼓勵創新應用，不斷引導學生主動用實踐檢驗理論知識，鍛煉理論聯系實踐的思維方式。其中，“應用”部分采用“虛實結合”模式，利用“單片機虛擬仿真軟件”實現“理論可視化”教學，增強對學生視覺的沖擊力。而且虛擬仿真軟件的使用，有效解決了物理空間和時間（如實驗室開放時間）的限制問題，為學生課下靈活學習提供了可能。“實操”部分，采用“行動導向的項目/任務驅動”模式，在教師的指導下，實現學生的參與式、實踐式教學。教學過程不再是間接的知識傳授、灌輸和記憶，而是以觀察、總結、綜合為手段，最后落實到課本知識體系中。學生不再只是被動接受知識，而是與教師互動，主動建構自身的知識和能力，學生成為主角，擺脫了傳統教學中的被動性和依賴性。因為學生看到自己親手完成的項目成果，對課程內容產生了興趣，增強了自信，提升了能力，學會了知識，鍛煉了技能。

同時，整個課程以“IO口內容”作為核心章節及應用基礎，形成該課程教學內容的核心載體，在幫助學生對單片機基本概念做到融會貫通的同時，也為學生學習后續章節——單片機的中斷、定時/計數器、串口的應用編程做了鋪墊，逐層遞進，從而優化和托起整個教學過程。

（五）課程教學方法及手段層面

基于“以學生為中心”的教育理念，在“充分考慮學生的學情、需求和應用型本科人才培養的目標”的大前提下，本課程教師靈活應用多種教學方法，如項目任務驅動、師生互動啟發、問題引導發現、分組討論、重點講授、實操演示、虛實結合、理論可視化、類比總結、舉一反三、一問多解等。同時，整個教學過程，既體現“BOPPPS有效教學法”的應用，又注重現代信息化教學手段（“91速課”“雨課堂”“超星學習通”“問卷星”“腦圖”）的有效融入。

BOPPPS 有效教學法包含六大教學結構，分別是導言（Bridge-in）、學 習 目標（Objective/Outcome）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory Learning）、后測（Post-assessment）和總結（Summary）。“BOPPPS 有效教學法”在本課程中的應用體現在：在“導言（Bridgein）”環節，精挑新知導入的素材，如以“往屆學生制作出的與該課程相關的優秀作品和實際生活中常見的電子產品”作為載體，以圖片、簡短小視頻等形式，采用“提問、啟發發現、小組討論發言”等方法，激發學生學習的興趣，引出學習主題和學習目標（Objective/Outcome）。而“新知講解”環節中的“理論原理”部分，多采用“重點講授、師生互動啟發”等方法；“應用”部分，多采用“類比法、舉一反三法、一問多解法、小組討論發言法、理論可視化等教學方法。其中，本課程的“理論可視化”教學是借助虛擬仿真軟件，增強對學生的視覺沖擊力，激發學生的學習興趣。在“實操”環節，多采用項目/任務驅動法、實操演示法、分組討論法，實現師生、生生互動的參與式學習（Participatory Learning）。前測（Pre-assessment）和后測（Post-assessment）通常借助于現代信息化教學手段（“企業微信”的“填表”功能或者“問卷星”）來展開。總結（Summary）則是通過“腦圖”工具，生成思維導圖，串起課程內容的知識脈絡，引導學生理解課程內容的全貌和之間的聯系，進而培養學生綜合分析、總結的能力。

與此同時，無論是在本課程的課前、課中還是課后，都有現代信息化教學手段的使用。如：課前，利用“91速課”，發布預習公告、任務要求及素材等；課中，利用“雨課堂”實現課堂互動（提問應答、匿名表決等），利用“超星學習通”實現分組討論、隨堂測驗等；課后，利用“91速課”“超星學習通”發布作業和討論等。而且“企業微信”的“填表”功能和“問卷星”小程序的使用，為及時調查統計學生的興趣、先備知識以及學生的學習情況提供了可能。

（六）課程考核評價層面

在緊密圍繞“課程目標達成情況”的大前提下，本課程采用多元化的考核評價方式，實現由傳統的“結果導向”向“過程與結果并重”轉變，即用5∶5替換原來的3∶7。也就是說，課程綜合成績評定分為：平時成績20% +作業成績15%+實驗成績15%+期末成績50%。其中，本課程的考核評價與“課程目標達成情況”的有效結合，表現如下。

1.平時成績與學生的“素質、能力”目標培養相結合

平時成績包括“考勤”和“課堂表現”兩個方面，二者的比例是3∶7。考勤方面：以本學期為例，利用“企業微信”平臺中自帶的“消息讀取標識”功能和“超星一平三端”平臺上的“簽到”功能，實現了由“傳統單一的教務系統考勤”到“多途徑”的考勤方式的轉變，這能有效督促學生形成良好的紀律意識和嚴格的時間觀念。課堂表現方面：引入“課堂活躍度”作為平時成績的組成部分之一，借助現代信息化教學手段（“91速課”“雨課堂”“學習通”等），有效開展各項課堂活動（主題討論、隨堂測驗等），并實時記錄學生的課堂表現，可以很好地激勵和挖掘學生的自我表現能力和語言表達能力等；同時，這對培養學生創新思維、積極思考的習慣，以及構建“你追我趕”的良好學風都是很有幫助的。整體而言，學生也對這個“課堂互動加分環節”的設置比較滿意。

2.作業成績與學生的“知識、能力”目標培養相結合

根據不同章節的教學側重點不同，與之對應的各章節的作業形式也就呈現多樣化，如第2章考查學生“基本概念、原理”相關知識點的客觀題、第3章考查學生“熟練使用proteus、keil軟件”的實操題、第4到第9章考查學生“將基本理論原理，予以軟硬件設計應用”的編程題，以及第1 章考查學生“查閱資料，歸納總結能力”的綜述報告。通過設置不同題型的作業，實現對“學生的知識、能力目標的達成情況”的有效監測。

3.實驗成績與學生的“知識、能力、素質”三大目標培養相結合

考慮到本課程實踐性強的特點，課程實驗成績的融入必不可少。因為實驗的本質目的是幫助學生對理論知識掌握情況進行查漏補缺，引導學生將理論知識予以實踐，產生學以致用的共鳴，在鍛煉學生軟硬件綜合設計能力的同時，培養學生的創新思維、獨立思考以及團隊合作溝通交流能力，所以，本課程實驗成績分為“實驗完成成績和實驗報告成績”兩個維度，二者比例是7∶3。其中，實驗完成成績主要包括“實驗完成內容量和完成的質”。因為在本課程每次實驗內容的設置上，是有明顯難易梯度的，從“基本的功能驗證”到“部分的程序修改和完整的程序設計”等，以滿足不同層次學生的需求，所以，實驗完成的“量”和“質”都要考慮。同時，規范合理的實驗報告撰寫，有利于培養學生的文檔構思設計、文字圖片處理等基本能力。可見，實驗報告成績的融入，也能鍛煉學生的相應能力。

三、單片機原理及應用課程建設改革與實踐的成效

課程建設是服務于學生的，建設的成效自然也得由學生來評判。無論是學校教務系統上的學生評教結果，還是“問卷星”小程序中不記名的調查結果都表明，學生對該課程的教學滿意度較高。其中，在對課程教學效果的總體評價中，73.81%的學生給了滿分5 分，19.05%的學生給了4 分，7.14%的學生給了3 分。同時，學生對該門課程所學知識的認可度也很高。96.08%的學生認為該課程的教學內容實用，能產生“學有所用”的共鳴。而且，學生結合課程所學，學科競賽參與度也較高，每年都有學生獲得省級以上的獎項。

四、小結

本文分析了單片機原理及應用課程建設的基礎條件，從教學理念的升級、課程思政的融入、教學內容的創新、教學模式的優化、教學方法及考核評價的多元等六個角度詳細闡述了課程建設改革的具體措施。以上改革舉措的有效實施，促使該課程建設改革取得了一定成效。當然，一流課程的建設任重道遠，如何將該課程打造成應用型本科院校中典型的“金課”代表，是一個需要繼續深入探究的課題。