現代產業學院工程實踐課程改革與探索
——以單片機原理及應用為例

張向群，張 柯，杜根遠

（許昌學院信息工程學院，河南許昌 461000）

0 引言

新工科是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國當前工程教育改革的主流方向。由于培養新工科人才需要借助和依托于平臺或載體，為此現代產業學院便催生出了符合新工科培養的新型辦學機制，已逐步成為培養新工科人才、建設高水平應用型大學的重要載體。其中，單片機原理及應用是現代產業學院一門面向應用、理論性和實踐性較強的課程，對學生學習核心專業課程、完成畢業設計、參加各類競賽等提供了有力支持，對提升工程素養和創新創業能力具有重大作用。因此，如何打破傳統教學對單片機課程的限制，落實國際工程認證教育理念，適應新工科專業人才培養，是目前需要深入探索及解決的問題。

近年來，許多高校對單片機課程進行了改革和實踐。師紅宇等提出了啟發學生自主探索的實驗教學方式，以大數據為依托，構建評價、反饋平臺，提高了實驗教學效果，但教學方式僅限于實驗方面。吳陽等對單片機的課程內容和教學方法、手段、考核方式進行改革，激發了學生的學習興趣，但未能將理論與實踐相結合。龍順宇等提出了新工科+PBL 模式的單片機項目式教學，將項目教學方法與其它學科相關聯，但僅局限于項目式教學。馮新剛等將單片機課程理論教學、實驗和課程設計相結合，分為小項目、中項目、大項目貫穿于整個課程內容，但未能將實驗與生活場景相聯系。王建軍提出面向產業構建實踐課程共同體，提高過程性評價在學生成績的占分比例以培育新工科應用型工程人才，但缺乏具體的教學模式。上述措施取得了一定的效果，但均存在局限性，未能以學生發展為中心和成果導向為理念，還是局限于以知識傳遞為主的教學方式，并未將理論與實踐結合起來。

本文在新工科背景下，基于OBE 教學理念，對現代信息產業學院單片機原理及應用課程進行改革和實踐。以學生自主發展為目標，以學生發展為中心和成果導向理念，實施全方位的教學建設與改革。在經過多年教學探索后，建立了以完成具體生活場景作品為目標，基于OBE 理念的教學模式。通過將虛擬仿真引入教學過程中，以賽促學，提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，從根本上解決了傳統教學方式以教師講授為主導的教學弊端。

現階段，在學習單片機原理及應用時，學生普遍存在的問題包括思維活躍低、學習興趣不高及動手能力差，無法綜合運用所學知識做出合格的作品。此外，由于學生之間能力差異較大，部分差生基礎薄弱，課堂參與度較低。針對以上情況，本文以新工科實踐需要為先導、以單片機課程內容和教學目標為基礎進行教學改革，努力營造真實的教學環境，使學生在實踐中鍛煉自身的動手能力，實現自主發展。

1 教學模式改革

教學模式改革主要體現在教學內容重構，而教學內容重構則主要表現為將按章節分類的舊學科教學體系重構為項目教學體系。其中，項目又分為小項目、中項目、大項目，每個項目對應不同的知識點，難度也從易到難。例如，首先從最容易的信號燈項目開始，然后是中等難度的電子時鐘項目，最后到難度較大的綜合項目空調控制系統。項目可以是一些生活場景，以激發學生的學習興趣，例如先讓學生點亮一盞燈，然后顯示流水燈，最后完成十字路口的交通信號燈設計。并且，根據全國藍橋杯單片機程序設計與開發大賽內容修訂教學大綱和內容，立足行業，突出實踐，以賽促學，鼓勵學生參加相關科技比賽，并將比賽成績納入課程成績。此外，采用線上、線下混合式教學方式改革以教師為主導的傳統教學模式，解決傳統教學方式講授知識點的弊端，使學生學習不再受固定時間、地點的約束，實現了以學生為主體的現代化教學模式。

2 教學改革具體措施

2.1 項目驅動

本文以知識、能力、思維、情感、思想五位一體的教學目標，結合許昌學院信息工程學院對應用型本科人才的培養目標，在教學模式中以任務驅動式為主，構建學生自主學習的翻轉課堂教學組織模式。讓學生兩人一組，自由組合、自主探究、自由選題、提交作品、書寫作品設計報告、答辯考核，教師會給定一些題目，但鼓勵學生提出新的作品題目，培養學生的目標和成果導向意識。并且，對于創新能力較強的學生，鼓勵他們做出更好的作品進行課外比賽；對于中等學生，給定題目庫，讓學生從中進行選擇；對于基礎較差的學生，則需要特別指導，針對性的與學生商探討選題。

在課程改革之前，單片機原理及應用一直采用傳統筆試進行考核，平時成績和實驗占總成績的30%，試卷成績占70%。然而，這種傳統考核方式無法全面、客觀地反映學生的學習情況，未能體現新工科對學生工程實踐能力的培養。因此，本文對現有考核方式進行改革，在成績認定方面，采取平時成績占30%，實驗成績占50%，報告成績占20%的綜合評定方式，根據學生的課堂參與度、對作品認知程度、現場答辯效果等過程性表現、團隊合作、創新程度、功能、課程報告書、小組pk 等方面考核學生，使課程評分更公正、合理。

2.2 理論應用與教學實驗相結合

通過將虛擬仿真技術應用到理論教學中，對重難點問題進行仿真模擬實驗（見圖1），讓學生能夠直觀看實驗結果，使課堂教學更生動。

此外，利用虛擬仿真軟件進行實驗教學。虛擬仿真實驗具有以下優點：①為實際電路實驗作鋪墊；②讓學生先進行虛擬儀器仿真，可有效避免操作失誤造成電子設備、芯片、儀器損壞；③學生自行設計的綜合性創新作品，可能由于一些芯片或電子器件無法購買從而無法開展實驗，可先進行虛擬軟件仿真。總之，虛實結合的方式具有以下優點：①學生可隨時隨地進行學習，不受實驗資源和場地限制；②學生在做完硬件實驗后，可利用軟件仿真實驗進行分析對比，通過修改實驗參數，進行方案論證、結果觀察；③有利于學生在硬件電子設備和儀器匱乏的情況下，完成綜合性創新課程設計。

Fig.1 Virtual simulation software demonstration圖1 虛擬仿真軟件演示

2.3 學生工程實踐能力培養

單片機課程貼近生活實際，具有很強的工程實踐性，這些特點決定了在課程教學過程中必須重視實驗。然而，現階段由于實驗設備價格較高、實驗儀器笨重等原因，在一定程度上限制了學生的學習時間。并且，大多數院校在實驗教學上，按照教科書流程進行操作，不利于培養學生的創新能力。

為此，許昌學院信息工程學院課程組將傳統試驗箱（笨重、價格貴，只能固定在實驗室學習）換成便于提拿的單片機實驗板（小巧、靈活、學生隨時隨地學習、價格低），讓學生在空板上進行元器件連接、焊接等操作，結合硬件調試、軟件編程、虛擬仿真、軟硬件綜合調試等方式進行實驗，便于學生利用課外時間在圖書館、宿舍等地點隨時隨地學習。并且，本文以藍橋杯、電子設計大賽、挑戰杯、大學生創新創業訓練、校內機器人、工程技能大賽等為導向，通過梳理大賽過程中所考察的知識點，將課程內容緊密結合大賽題目進行實驗教學，使學生在實踐過程中提高自身的工程實踐能力。

2.4 教學與科研相融合

許昌學院信息工程學院課程組積極將科研和教學相結合，以單片機為控制器研制超聲氣體傳感器測量聲學氣體的弛豫信號。已經申請了國家自然科學基金面上項目和河南省科技廳項目。

基于單片機技術申請了“一種基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及裝置（ZL 201710375855.6）”和“一種氫氣聲轉動弛豫探測方法（ZL 201810308054.2）”兩個發明專利，并且分別在2020 年2 月和6 月獲得國家知識產權局授權。

2.5 積極開展課程思政

在課程改革過程中，引入思政內容。例如，從單片機芯片屬于高科技芯片產品入手引入思政內容，中國在芯片研發上領域與國外仍存在較大差距，近期中美貿易爭端中一些企業被動受罰也是因為核心技術受制于人，從芯片核心技術研發方面鼓勵學生努力學習，爭取未來解決這些卡脖子技術。此外，以單片機專業著名的兩個人物周立功（建立單片機公司）和郭天祥（學好單片機課程，編寫單片機教材，參加科技比賽，創新創業）為例，增強學生的專業認同感，提高學生學習動力。

在課程教學過程中，以培養學生工程實踐能力為切入點，著重培養學生單片機基礎知識、工程實踐能力、發現問題和解決問題能力，激發學生學習熱情，將創新精神、工匠精神、工程素養、道德情操、社會責任感等價值理念傳授給學生，幫助學生建立正確的人生觀、價值觀和自我認同，培養學生的團隊協作能力和責任心、激發其學習的內動力，建立為國家和民族奮斗的信念。

3 教學改革成效

經過教學改革后，學生學習積極性大幅提升，許昌學院信息工程學院2020-2021 學年2019 級學生單片機課程考試成績相較于2018 級學生成績有著大幅度提升。如表1 所示，2018 級、2019 級一班學生的平均成績分別為69.20、84.57 分；2018 級、2019 級二班學生的平均成績分別為71.30、87.42 分，可以看出課改后的課程平均成績提高了約10分，課程目標達成度較高。

Table 1 Comparison of grades of 2018 and 2019 students表1 2018級與2019級學生的成績比較

以許昌學院信息工程學院2020-2021 學年2019 級學生為例檢驗教學改革效果，將72 人以兩人分為一組進行試驗，共產生36 個作品。其中，8 名學生的作品將進一步完善，參加大學生創新創業訓練項目；10 名學生作品將參加挑戰杯大學生課外科技作品競賽；5 名學生的作品將申請實用新型發明專利。

此外，有8 名學生參加了藍橋杯單片機設計與開發編程大賽，4 人獲得藍橋杯河南省賽區一、二、三等獎，1 人獲得全國總決賽二等獎。根據教務處近兩年統計的學生評教結果顯示，該課程學生評價分數較高，被評為優秀課程。圖2為部分學生的優秀作品。

Fig.2 Display of students'excellent works圖2 學生優秀作品展示

4 結語

本文通過分析傳統單片機教學中存在的問題，改革現有教學內容和模式。通過以賽促學、結合教學和實踐等方式，著重培養學生的工程實踐能力，鼓勵學生參與課程相關的競賽，以提高學生學習積極性。經過教學實踐表明，構建的單片機原理及應用課程教學模式符合新工科人才培養需要，有助于提高學生的工程實踐能力，為課程改革提供了具體的實踐模式，課程教學效果較好，學生積極性顯著提高。