學競結合的《專業基礎技能訓練》課程教學改革研究

喻勇濤，盧艷軍，張曉東，高云紅，張太寧

（沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽）

一 引言

工科學生入學時面對工程領域所知甚少，其經驗知識的主要來源是實驗、實訓和實習等實踐環節。若盡早地對學生實施工程啟蒙教育，除了設置一些相關的工程導論、專業導論、工程倫理和工程管理等理論課程之外，還要盡早開設工程實踐類課程[1]。沈陽航空航天大學測控技術與儀器專業（以下簡稱沈航測控專業）于2019年通過了中國工程教育專業認證，在工程教育專業認證的核心理念的指導下，對專業人才培養進行了一系列的改革，在課程體系設計中設置系列實踐課程和實施實踐課程教學改革，將工程意識和工程思維培養落實到人才培養過程中，其中包括增設面向大一新生的《專業基礎技能訓練》課程，用以補全嵌入式系統課程群建設，形成合理的課程階梯。

《專業基礎技能訓練》課程是測控專業面向大一新生開設的一門專業必修實踐類課程。專業設置該課程的目的是為學生盡早提供一個接觸本專業和工程實踐的機會，使其通過該課程了解本專業的相關知識、開發工具和使用軟件等，幫助學生初步了解未來職業，使學生明確自己的學習目標。同時，通過實踐課程教學設計中的工程案例分析和課程實踐項目設計，了解專業領域工程項目設計開發的流程和對專業知識、技術和能力的要求，為培養學生初步的工程意識和工程思維打下良好的基礎。

課程以STM32為教學平臺，結合相關實驗項目，講授STM32系統的基礎知識，軟硬件開發環境，STM32內部資源和外設模塊的使用，以及基本的嵌入式系統開發方法與開發流程等內容，使學生具備基礎的嵌入式系統軟件設計開發能力。課程在第一學期開課，以實驗教學的方式對嵌入式系統的基本使用方法進行教學，課程目標主要圍繞學生對STM32系統開發流程、內外部資源工作流程、基本使用方法展開，使學生具備先用起來的能力。

課程通過對加強學生基本操作訓練，養成學生嚴謹求實的科學態度、認真細致進行科學實驗的良好習慣和初步建立工程意識和工程思維。這對幫助學生在后續的學習中能夠自覺地運用工程思維，將所學知識與實際應用相結合，成長為一名合格的工程技術人才是非常必要的。作為嵌入式系統課程群的“先頭部隊”，如何在深入分析學生情況、課程特點以及現有可用資源的情況下，設計出一套更適合本課程的教學方法，對此課程和嵌入式系統后續課程教學都具有重要意義。

二 大學生競賽與專業教學

大學生科技競賽是高等教育階段的一種課外活動。它包含多種題材，涉及從數學、物理到電子、機械等多個學科領域，具有豐富多樣的題目形式，并且數量眾多，吸引了大量學生的參與。大學生科技競賽活動為參賽學生提供了與課堂教學不同的學習體驗以及接觸課堂之外的知識和信息的機會，激發了他們的學習興趣，培養了他們的專業能力[2]。

在參加電子設計競賽的過程中，參賽學生的表現暴露了高校在專業教育中的存在的共性問題，具體到測控專業，反映了在實踐教學方面的兩個問題：一是驗證性實驗的實踐教學模式單調，學生在課程時間內枯燥的完成規定內容，無法充分思考理論與實踐的聯系，削弱了學生的教學主體作用，抑制了學生動手能力的提高；二是設計性綜合性實驗偏少甚至沒有，無法將知識點系統性地組織起來供學生學習，不利于學生系統性、創新性思維的培養[3]。

針對電子競賽暴露出來的問題，教學單位應強化學生對于硬件的應用技術、軟硬結合綜合應用能力、新技術新器件的跟蹤和使用等能力的培養，增加綜合型、設計型、創新型實驗，且實驗內容應定期更新，保持與電子賽事、技術更新的同步[4]。

三 學競結合的《專業基礎技能訓練》教學改革

在沈陽航空航天大學濃厚的電子科創競賽氛圍中，結合《專業基礎技能訓練》課程定位，考慮學生知識儲備和后續專業課程安排，提出學競結合的《專業基礎技能訓練》教學改革思路，對課程教學進行革新，提高學生學習的主體地位，實現培養工程創新型人才的目標。

構建“以競促學、學競結合”的教學方法，以電子競賽為驅動，教師的角色由授課者轉變為競賽指導者，把競賽場景納入到教學過程中，競賽既是手段也是目的，鼓勵、組織和指導學生參加各級嵌入式系統專題比賽、單片機設計大賽、電子設計競賽等，尤其是各類校級、院級等入門難度的比賽，學生把競賽作為課程所學知識的練兵場，使學生在競賽的過程中學習相關知識，既準確又高效，有力地推動工程創新型學生培養[5]。

（一） 學競結合的課程教學方法

《專業基礎技能訓練》支撐測控專業畢業指標的三項二級指標，強調專業知識和技能的應用，在第一學期開課，如果以常規入門型課程來教學，則可能因不知然、不知所以然，較難吸引學生興趣，甚至使其產生畏難情緒，影響后續課程學習。

結合嵌入式系統知識體系學習特點和《專業基礎技能訓練》課程定位，考慮學生知識儲備和后續專業課程安排，以及學校、學院濃厚的科創氛圍，擬展開“以競促學、學競結合”的學競結合式的教學方法改革，激發學生學習興趣，增強學生學習主體地位，達到短期培養學生的STM32開發能力，長期積極學習高年級理論課程，持續成長的目的。

根據授課階段對教學方法進行設計：

以競賽為驅動的教學以學生為主體，教師既授課，也是競賽指導。在課程初期，教師講解課程內容，學生通過驗證，掌握應用技能，且理解相關技能在競賽中的用途；在課程后半程，教師角色轉變為競賽指導，和學生一起，分析競賽要求，討論潛在問題，提出競賽方案，教師在整個過程結束后，對學生競賽完成情況進行評估，評估結果作為課程最終成績的重要組成部分[4]。

對每次授課的教學方法進行設計：

每次授課時，除授課教師外，還聘請有電子競賽經驗的同學或者指導教師作為助教，從課程內容的補充講解、實驗指導到競賽實戰應用要點等，突出學競結合的“競”的特點。

閉環反饋和改進：

設計授課效果問卷，課程結束時，通過調查問卷形式采集學生對課程的評價，結合過程數據，對學生的培養情況進行統計，并反饋至下一學年的授課調整，形成下一輪教學需要強化的方面和改善措施。

（二） 競賽項目技能樹式的課程內容

對電子競賽所需的典型嵌入式系統技術進行分析拆解，設計“競賽項目技能樹”式的課程內容（圖1）。

圖1 課程內容組成

根據嵌入式系統為實踐性較強的課程的特點和具體情況，構建符合“源于競賽，用于競賽”的授課內容設計。

設置驗證型實驗，這是根據入門競賽需求（如智能循跡小車比賽）和課程知識點設置，要求學生在驗證過程中掌握知識點的原理和實際操作流程；

設置選做型實驗，是驗證型實驗內容的另一種實現方法，知識點內容相同但體現形式不同，學生自主選做，滿足實踐能力、創新意識較強學生的學習需求；

設置綜合設計型實驗，是綜合整個課程的知識，利用實驗室資源，需要學生設計一個具有實際意義的嵌入式應用系統的實驗，該實驗以院級或校級電子競賽的形式進行，難度適中，學生以此進行系統性工程實踐；

設置研究型實驗，以省級或國家級競賽項目為藍本，經適當調整后確定內容，學生自由選擇，適用于想嘗試更大競賽難度的學生。

學生也可在科創協會/社團中自行選題，對課內實驗進行無差別替換。

表1為部分實驗清單。

表1 部分實驗清單

（三） 電子競賽式的課程考核方法

配合教學方法和課程內容的學競結合特點，參考實際院級或校級電子競賽評比機制，建立電子競賽形式的課程考核方法。課程內，根據項目組整體評價結果和組內分工的不同，形成學生個體的評價，激發學生的團隊意識，提高學生的主動性。課程外，考慮將學生參加科技社團以及在社團中的綜合實踐表現，作為課內評價補充或者等效替換。另外，結合工程認證持續改進思想，在穩定的框架內容中根據學生情況有側重地微調考核內容。

考核內容方面（圖2）：

圖2 考核內容的組成

基礎型實驗和選做型實驗，鼓勵學生在報告框架內，充分利用多媒體展示實驗成果；

綜合設計型和研究型實驗，要求參考電子競賽報告要求，提交包含摘要、總體方案設計、硬件方案設計、軟件方案設計、非技術因素、總結等內容的結題報告；

若學生對課內實驗內容無興趣，可提交在科技社團中的成果物作為等效考核成果。

考核方式方面：

實施答辯檢查制度。邀請有競賽經驗的學生或指導教師，聯合課程組教師組建答辯組，對實驗設計作品進行驗收檢查，以答辯會形式對同學完成的實驗作品進行打分評價，引入同學互評機制加強師生交流互動，用“設計作品答辯記錄表”作為形成性評價文檔。

此外，向設計有新意有想法有特色的學生進行加分鼓勵，包括非技術因素的考慮，對于各個實驗設計實現自主發揮新功能的學生，給予適當加分，而且設計的自主發揮新功能越新穎、質量越高，加分也越多。

綜合上述實施方案，形成課程設置、課程實施、課程考核與課程評價的閉環[6]，不斷更新和優化學競結合的教學模式。

四 實施效果

充分實施本教學改革方案的效果主要體現在兩個方面：

一方面，為測控技術與儀器專業大一新生設計面向電子競賽的課程內容，解決嵌入式系統知識的復雜性和學生知識儲備的薄弱性的矛盾，提升學生的學習熱情，明確學習的目的性。課程結束后，通過問卷星設計問卷，對測控2020級3個行政班89名學生進行了調查。問卷分別針對學生對STM32平臺的熟悉程度、對課程學習成果自我滿意度和后面專業學習的渴望程度進行了調查，具體調查結果統計情況如表2所示。

表2 教學效果調查統計結果（學生自我評價）

另一方面，通過加入有競賽經驗的助教和參考競賽評價方式的考核方法，從過程和結果導向上，引導學生對工程問題的系統性、創新性進行思考，培養學生的創造精神和創新能力。表3為本課程班級學生獲獎統計表格。

表3 本課程學生比賽獲獎統計（測控1班，2020學年）

通過表2和表3統計結果可知：通過該實踐課程的學習，對專業及專業相關的知識、專業面向的工程領域的了解和對專業學習的渴望等方面都有顯著的提高，與往屆學生相比，該屆學生很早地了解了本專業的相關知識和背景，為下一步的專業學習打下了良好的基礎；學競結合的教學方法激發了學生廣泛參與各類賽事的熱情，也收獲了較好的成績。

五 結語

在充分分析《專業基礎技能訓練》課程特點和我院大學生電子科技競賽過程中存在的問題與需求后，文本提出學競結合的課程改革，以電子競賽作為橋梁，解決嵌入式系統知識的復雜性和學生知識儲備的薄弱性的矛盾，提升學生的學習熱情，明確學習的目的性；根據學競結合的出發點，設計課程內容、改變教學方法和考核方式，從過程和結果導向上，引導學生對工程問題的系統性、創新性進行思考，培養學生的創造精神和創新能力，踐行工程認證教育理念。調查問卷數據和競賽成績數據表明，學競結合的教學方式幫助學生更好地掌握了課程內容，激發了學生的專業興趣，為下一步的專業學習打下了良好的基礎，達到了教改預期目的。