基于專業認證背景下單片機課程教學改革探索

丁電寬 李立新 李艾華

[摘 要] 工程教育專業認證是保障工程教育質量的重要手段，通過對國家級精品在線課程“單片機原理及接口技術”進行教學改革和探索。進一步重構實踐環節內容，通過“工程師制”模式開展了項目案例式教學，引入了虛擬仿真平臺實現虛實結合，教學練做一體化，科研成果反哺教學，并結合學科競賽實現賽課合一，加強學生的工程實踐能力和創新能力的培養，建立健全跟蹤反饋機制實現課程改革的閉環控制。探索出一條能夠持續改進的以培養學生工程實踐能力為核心的課程改革之路。

[關鍵詞] 專業認證;單片機原理及接口技術;教學改革;工程師制

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

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

[中圖分類號] G462 ? [文獻標識碼] 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《華盛頓協議》正式成員國，截至2020年底，全國共有257所高等學校的1600個專業通過了工程教育專業認證[1]。實施工程教育專業認證是教育部“十二五”期間本科教育教學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[2]，在“十四五”開篇之年，繼續推動本科工程教育專業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方式脫離了工程教育的培養要求，學生缺乏現代工程設計思想和方法，缺乏綜合運用多方面知識解決實際工程的能力[3]。為契合專業認證的大背景，安陽師范學院在積極推進師范專業認證的同時，也積極推進工程教育專業認證工作。電子信息工程和電氣工程及其自動化兩個工科專業正面臨進行工程教育專業認證任務。為培養國際互認的工程科技人才，課程教學改革應以培養學生工程素質為主線，強調應用性和實踐性[4]。

一、課程介紹

“單片機原理及接口技術”是我校電子信息工程和電氣工程及其自動化兩個專業的專業必修課程。該課程經過多年建設，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MOOC上運行了8個學期，選課學生達5萬余人。

“單片機原理及接口技術”是一門工程實踐性較強的課程，突出應用、技能和實踐。該課程以MCS-51單片機為核心，系統介紹單片機的基本結構、指令系統、匯編語言程序設計、中斷、定時和串口通信系統、系統擴展與接口技術、應用系統設計與開發等。通過本課程的學習，使學生在熟練掌握單片機原理、結構、單片機指令系統、程序設計、功能部件、接口擴展等內容的基礎上，能夠利用Keil、Proteus等軟件平臺進行基于51單片機的開發，使學生學會一種單片機（8051），掌握一類單片機開發應用技能，熟悉一批常見的工程案例，培養學習者綜合運用單片機知識解決實際復雜工程問題的能力和創新能力，提高就業競爭力。

二、基于工程教育專業認證的單片機課程教學改革

（一）加強課程思政建設

高校人才培養首先要德才兼備[5]，作為高校教師不但要清楚教書育人是教師的本分，更要清楚為誰培養人、培養什么人、怎樣培養人，要明白培養的人才要為中國特色社會主義服務，做到教書與育人相得益彰，充分發揮課程育人功能。作為主講內容為單片機系統芯片的課程，分析中國芯片研發與國外的差距，積極推廣國產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，積極推廣國產立創EDA電路制板軟件，彰顯國產單片機和國產制板軟件的優勢，培養學生的民族自豪感、科技自信心及專業認同感。結合學生在課程設計綜合訓練過程中的電路制作、調試及編程訓練，挖掘學生的職業素養、職業規范、行為習慣、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生的社會責任感，讓學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，端正價值取向，讓學生深刻認識到自己肩負著國家繁榮昌盛的責任，激勵學生努力學習將來報效國家。

（二）依托國家級精品在線課程，開展混合式教學

工程教育專業認證理念是“學生中心、產出導向、持續改進”，在授課過程中，以生為本，先學后教，充分發揮教師的引導作用，推動從“教”轉向“學”，實現“以學生為主體，教師指導為輔”的理念[6]。結合國家級精品在線開放課程，實現線上和線下同步，課程每學年開設2次，分為春季學期和秋季學期。一般每周一發布新內容，提前指導學生如何進行線上學習，如何充分利用網絡資源查閱資料等，激發學生學習的興趣，調動學生學習的主觀能動性。課前通過問卷形式讓學生反饋在學習過程中遇到的問題，再對問題進行整理歸納，做好線下課程設計，針對問題梳理知識點，通過項目驅動式教學、案例教學、探究式教學開展混合式教學。在次周發布新學習內容時，同時發布上一周的單元測試和單元作業，以便學生及時復習鞏固上周所學內容和教師檢查上周學習情況。線上線下混合式教學過程中，充分調動學生自主能動學習的積極性，圍繞學生“學到了什么、是否學會了、學會了是否會用”開展教學設計，真正體現“以學生為中心”的理念。

（三）采用“工程師制”模式，開展項目案例式教學

工程師應具備的關鍵特征包括：分析能力、實踐能力、創造力、溝通能力、商務與管理能力、倫理道德和終身學習能力[7]。在教學過程中，通過引入工程案例開展項目案例式教學。每4位學生為一組，實行“工程師制”模式，在項目實施過程中，每個人承擔不同角色，分別擔任項目經理、軟件工程師、硬件工程師和科研秘書;在課堂上，學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，培養學生的擔當意識。通過不同工程項目，各自角色輪換，讓學生感受到不同崗位的職責，讓每個學生的能力得到全面提升，體現工程教育認證是“面向全體學生”的思想。通過“工程師制”的執行，培養學生的職業規范、團隊意識、溝通協作能力及項目管理的能力。在項目實施過程中，和工程實踐緊密結合，培養學生工程意識和創造力，提高學生獨立分析問題、解決問題的能力，達到工程教育認證的培養目標。

（四）重構實踐教學體系，加強實踐教學環節

為加強學生在課程實踐能力培養方面，突出以學生為中心，把課堂還給學生，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，理論學時由原來的56學時減為45學時，實驗學時由原來的14學時增加到24學時，實踐環節由原來的11學時修訂為1學分獨立的單片機課程設計，另外還有一個2學分的綜合課程設計。實驗內容由原來以演示實驗、驗證實驗逐步拓展到設計性實驗和綜合實驗。實踐環節由原來以虛擬仿真為主修改為在仿真基礎上，學生還需要依托立創EDA完成電路板的設計、器件選型及采購、焊接、編程、調試及軟硬件聯調的課程設計任務，最后完成設計報告。在這個過程中，結合“工程師制”，充分發揮學生主觀能動性，各不同角色成員協同作戰，不僅掌握了單片機的開發過程，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試電路;而且學會了編程的架構、設計報告的撰寫，學會了交流溝通和項目管理。最后根據每小組作品完成情況、調試情況、功能實現、報告的撰寫及現場答辯幾個環節綜合評分。

（五）虛實結合，邊學邊做，學用結合

課堂上學生帶電腦進教室，以“項目驅動”為載體，將理論與工程實踐相結合，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在學生面前，邊講解邊操作，打破了傳統“填鴨式”教學模式，激發了學生學習興趣，更有利于學生學習和理解[8]。近幾年的實踐證明，提高了學生到課率的同時，提高了學生的聽課率，學習效果有了明顯改善。

通過翻轉課堂、項目驅動等教學模式改革，堅持“學以致用”原則，突出實踐，強化學生工程實踐能力，加強學生的實踐操作、工程實踐和創新能力的培養;力求使學生達到懂原理、會設計、能制作、能應用的學習效果，達到重技能的培養目的。課題組還開發出兩套開發板，能夠保證各個實現項目的實例化，學生自己動手焊接和調試，真正實現對單片機的學習，有效實現了真正的學用結合，“教、學、練、做”一體化改革。

（六）賽課合一，促進學生創新能力的培養

依托藍橋杯（單片機設計與開發）、全國大學生電子設計競賽、挑戰杯、“互聯網+”等學科競賽平臺，整合競賽考核知識點，把課程內容和學科競賽結合起來，課內和課外結合起來，課堂同賽場，賽場如課堂，實現賽課合一。學生在此過程中，能進一步明確學習目標，規劃好自己職業方向，同時，學生的動手能力和工程創新實踐能力都得到了較好的鍛煉。通過學科競賽，既增加了學生自信，還促進了學生創新能力的培養，開闊了學生眼界、豐富了學生的知識，提高了學生的創新能力。

（七）科研成果反哺本科教學

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計題目，通過單片機實現一定的功能。同時，教師團隊積極吸納本科生參與研究課題，讓更多的學生參與到解決實際問題的行列中，培養學生解決復雜的工程能力，實現科研成果融入課堂反哺本科教學，對學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，實現課程可持續改進

為做好工程教育認證，學院制定了“畢業生跟蹤反饋機制辦法”，加強對學生畢業后跟蹤指導。課程團隊和畢業生建有多渠道的聯系方式，通過微信、QQ或郵件等形式，定期和學生進行交流溝通，解答學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過程中，修訂課程大綱，力爭讓在校學生能接受最新穎、最先進、最實用的專業知識，提升學生畢業的社會適應度[9]，實現課程可持續改進和課程的閉環控制，做到“學生今天所學的就是明天所用的”，讓學生能跟上技術發展的步伐，跟上時代的發展。

結語

結合工程教育專業認證理念，依托國家級精品在線課程，對我校“單片機原理及接口技術”課程進行教學改革和探索。融入課程思政元素，重構實踐環節內容，強化了實踐教學。以“工程師制”模式開展項目案例式教學，引入虛擬仿真，實現虛實結合，引入學科競賽，整合課程內容，實現賽課的統一，科研成果反哺教學，加強學生的工程實踐能力和創新能力的培養，探索出一條能夠持續改進的以培養學生工程實踐能力為核心的課程改革之路。

參考文獻

[1]教育部高等教育司.關于轉發《教育部高等教育教學評估中心 中國工程教育專業認證協會關于發布已通過工程教育認證專業名單的通告》的通知：教高司函〔2021〕7號[A/OL].（2021-06-23）[2021-09-06].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/202106/t20210623_539714.html.

[2]王勇軍.工程教育認證和新工科背景下的人才培養模式探索：基于桂林航天工業學院電子信息工程專業的分析[J].教育觀察，2018，7（11）：73-75.

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[8]DING Diankuan， LI Lixin. The application study of MCU in visual classroom interactive teaching based on virtual experiment platform[C]//International conference on advanced research on electronic commerce， Web application， and communication， ECWAC 2011：199-204.

[9]楊宇祥，邵偉，高瑞鵬，等.專業認證背景下的單片機課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2020（35）：197-198.

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