“第二課堂”引領下的嵌入式課程教學探索與研究

王敏旺 鄧利軍

摘?要：現代社會對人才的創新意識和實踐能力要求越來越高，高校培養學生的主要方法和途徑是課堂教學，課堂教學傳授知識效率高，但在培養學生創新意識和實踐能力方面有明顯不足。學科競賽活動是培養學生創新意識和實踐能力的主陣地，但參與競賽活動的學生畢竟是少數，效率較低。為了提升學生創新意識和實踐能力的平均水平，在車輛工程專業嵌入式課程中，將課堂教學和學科競賽結合起來，即把學科競賽融入到課堂教學中，優勢互補，實現高效率培養學生創新意識和實踐能力的目標。

關鍵詞：學科競賽；課堂教學；嵌入式；創新意識；實踐能力

中圖分類號：G642??文獻標識碼：A

1?概述

創新是促進社會可持續發展的最大驅動力，經過幾十年發展，我國科學技術水平已有顯著提升，但在一些關鍵技術方面仍面臨著“卡脖子”的困境，具有創新實踐能力的人才是影響科技進步、突破科技封鎖的關鍵因素。高校的主要職能之一就是培養社會需要的人才，培養具有創新意識和實踐能力的人才是現階段高校教學改革的重要方向之一。［12］通過各種學科競賽，高校培養了許多具有創新實踐能力的優秀人才，但學生的創新實踐能力的平均水平仍然較低，大部分學生的創新實踐能力沒有得到充分的鍛煉和提升。

南京信息工程大學的唐鐳將教學組織形式總結為“第一課堂”“第二課堂”和“第三課堂”三種類型。［3］“第一課堂”是班級集體授課，其優勢在于知識傳授效率高，容易組織實施，但弊端也很明顯。“第二課堂”是學科競賽活動，能夠顯著提升學生的創新意識和工程實踐能力，但參賽的學生畢竟是少數，從培養人數來說效率很低。“第三課堂”是基于網絡的虛擬課堂，正處于快速發展階段，尚未達成共識。現階段，“第一課堂”培養的大學生越來越不能滿足企業和社會對人才創新實踐能力的要求，“第二課堂”雖然能改善這個缺陷，但效率太低。通過“第一課堂”和“第二課堂”的深入融合，可以高效率、全覆蓋地培養具有創新實踐能力的大學畢業生。

陳新欣以大學生電子設計競賽為契機，對電氣專業的專業課程做部分改革，將電子設計競賽融入平時的正常教學中，重視“323”課程教學，既要完成正常教學，又要達到電子設計競賽需要具備的基本知識和技能的傳授。［4］趙麗紅將競賽引入教學中，收集歷屆比賽案例，構建教學案例數據庫，開展案例化教學，以達到“以賽促學、以賽促教”的目的。［5］以上兩個案例都是將競賽中的知識融入教學中，屬于內容融合，既可以不斷更新教學內容，又為學生參加競賽奠定了基礎。但內容融合缺少了競賽的重要屬性“賽”，只有在競爭中才能激發學生的創新意識，深化學生的實踐能力。

本文探討以“第二課堂”為引領，以培養學生創新實踐能力為重要目標的“第一課堂”教學方法。從內容和形式兩個方面，將競賽融入到課堂教學中，實現課中學、課中賽。

2?課程基礎

嵌入式系統是以應用為中心，以現代計算機技術為基礎，根據需求靈活組織軟硬件模塊的專用計算機系統。汽車是嵌入式系統的主要應用場景之一，隨著汽車智能化、電氣化的發展，應用于汽車上的嵌入式系統種類更加豐富、功能更為強大。單片機原理及應用是學習嵌入式系統的基礎課程，其主要內容為：單片機的基本結構、單片機工作原理、中斷系統、定時計數器、串口等，以及一些常用的外設，如數碼管、矩陣鍵盤、蜂鳴器、步進電機等。課程由理論課和實驗課組成，以往的課時安排中，理論課時較實驗課時多，學生的編程能力和單片機開發板應用能力沒有得到充分鍛煉。因課時所限，實驗內容也只能聚焦于單片機系統的基本功能，難以開展學科前沿探索和解決汽車工程實際問題。課程教學局限于基礎知識的學習，沒有體現出對學生創新意識和實踐能力的重點培養和提升。

本次研究以單片機課程為依托，以汽車嵌入式系統應用為特色，以工程認證畢業要求指標點為導向，將競賽融入教學中，在發揮班級集體授課培養效率高的基礎上，彌補班級集體授課在培養學生創新實踐能力方面的不足。單片機系統易于操作，價格便宜，因其能充分鍛煉學生的工程實踐能力和培養學生的創新意識，許多學科競賽都與單片機系統有關。相比于其他課程，單片機課程更易于與競賽結合。競賽的題目來源于實際工程項目，結合了學科前沿技術和社會熱點。在競賽的引領下，持續地將新知識、新技能更新和優化到教學內容中，學生既掌握了基礎知識，也能緊跟時代潮流。

學生參加競賽的高峰期是大學一年級和二年級，進入大學三年級后，開始專業課程的學習，學習任務繁重，同時很多同學也開始了研究生備考。車輛工程專業中單片機課程為專業限選課，開設于第5學期。將競賽引入課程，可以繼續發揮競賽在培養人才創新實踐能力方面的優勢。在大學前兩年里，主動參加競賽的通常是班級里比較優秀的同學，通過參加競賽，這些同學的創新實踐能力得到了鍛煉，變得更加優秀，但更多的同學并沒有參加競賽，競賽這項活動也很難做到覆蓋所有學生。課堂教學活動與競賽有顯著區別，所有學生都必須參加課堂教學，在課堂教學中引入競賽環節，這樣就能讓所有的學生都能參與到競賽中，有效地把課堂培養效率高和競賽培養學生創新實踐能力的優勢結合起來，所有學生的創新實踐能力都能得到鍛煉，提升學生創新實踐能力的平均水平。

3?實施方案

在“第二課堂”的引領下，從內容和形式兩個方面對傳統教學進行調整。在教學內容上，不斷地將競賽中出現的新知識、新方法、新理念更新到日常教學中，使教學內容能夠緊跟行業發展。在組織形式上，引入課內競賽，采用相對評分，針對性地鍛煉學生創新實踐能力。

為了能夠開展課內競賽，需要對課程進行調整。將競賽引入課內，相比于傳統教學，增加了課內的學習內容，也增加了課內的實驗內容，因此需要對課程內容和學時安排進行調整。單片機課程中的部分內容較為簡單，學生自學就可以掌握，可以調整到課前學生自學完成。課前發布自學指南，學生根據自學指南進行自學并完成自學筆記，同時將自學過程中難以理解的問題記錄下來，以自學筆記的形式考核學生的自學效果，可以避免自學流于形式。部分內容轉移到課前，課堂上就留出了時間，可以用于學習新增的競賽相關內容。單片機課程有48學時，其中32個理論學時、16個實驗學時，實驗學時偏少，不足以支撐課內競賽的開展。增加單片機實驗學時所占比例，將課時調整為16個理論學時和32個實驗學時，更多的實驗學時可以給學生更多的實踐機會，也更適合于開展課內競賽。

大學生學科競賽項目繁多，內容豐富。與單片機及汽車嵌入式系統相關的競賽約有15項，其中A類競賽13項，B類競賽2項。其中，全國大學生智能汽車競賽與單片機課程和汽車專業結合緊密，并且智能汽車結構相對簡單、價格便宜，也適于在課程中應用。因此，選擇全國大學生智能汽車競賽作為課程融合的主要對象，將競賽的內容和形式都融入課程中。智能汽車競賽包括競速比賽和創意比賽兩大類，競速賽按難度分為9個組別，適合不同水平的學生參賽，其中四輪電磁組和四輪攝像頭組適合在課堂上開展。四輪電磁組可以使用電磁傳感器和光電傳感器檢測賽道，賽道上鋪設電磁引導線，車模在賽道上運行兩周后返回車庫。四輪攝像頭組可以使用紅外光電傳感器、攝像頭、超聲傳感器檢測賽道，賽道采用黑色邊線，車模從車庫出發在賽道上往返一周后返回車庫。這兩項競賽中使用的電磁傳感器、光電傳感器、超聲傳感器等部件原理簡單、價格便宜，適合在課堂上進行學習和使用，以這兩個組別作為課內競賽的主要參考對象。

以汽車嵌入式系統應用為特色的單片機課程內容可以分為兩大部分，基礎知識和工程應用。單片機型號層出不窮，但所涉及的基本工作原理并未發生較大變化，所以基礎知識的更新速度較慢。單片機的應用場景隨著時代發展及汽車產業的發展快速變化，為了能夠讓學生跟上時代步伐，滿足社會需求，就必須對單片機課程中的工程應用部分進行持續更新。競賽內容體現了實際工程問題，結合了社會熱點和知識前沿，將競賽內容轉化為問題或案例，不斷地更新到課程中，保證課程的新鮮度，使學生具備解決當前實際工程問題的能力。跟蹤15項學科競賽，把競賽中出現的學科前沿知識和當前工程實際問題轉化為知識點，融入單片機課程知識體系中，為培養學生的創新意識和實踐能力打下基礎。

為了在課內開展四輪車競速比賽，需要將四輪車相關基礎知識融入單片機課程中。依據單片機課程內容和課時要求，將四輪電磁組和四輪攝像頭組競賽要求簡化，簡化后四輪車主要由單片機最小系統、電機驅動模塊、傳感器模塊組成。單片機最小系統采用C51系列單片機，與課程知識體系保持一致，通過進一步的深入應用，使學生達到熟練使用C51系列單片機的目的。電機驅動模塊使用L298N芯片，驅動帶減速機構的直流電機，L298N芯片工作原理相對簡單，資料豐富，便于學生學習。傳感器模塊主要包含尋跡傳感器和避障傳感器，這兩種傳感器結構簡單，便于安裝。在課程中的單片機應用章節添加電機驅動模塊和傳感器模塊知識點，作為基礎內容在課堂上進行集中學習，為開展四輪小車比賽做準備。

單片機課程含有課內實驗學時，以往的做法是開展驗證型或綜合型實驗，在教師的指導下學生獨立完成全部實驗內容。在此環節引入競賽機制，開展四輪小車競速賽。競速賽分為兩個階段，基礎學習階段和自由發揮階段。在基礎學習階段，以四輪車可以在賽道上行駛為目標，設置多個知識節點，帶領學生逐步掌握控制四輪小車的方法。在自由發揮階段，以取得最短競賽時間為目標，學生自己進行探索，此時老師身份發生轉變，由引領者變為競賽顧問，只在學生需要的時候提供必要的幫助。課程中的實驗內容比較基礎，在實驗條件允許的情況下，通常以學生個體為單位，要求學生獨立完成，這樣能夠保證每個學生都有充足的練習機會。四輪小車競賽以小組形式開展，學生自由組隊合作完成。相比于課內實驗，競賽的難度更大，以小組的形式開展可以提高效率，以利用好課堂時間。小組形式也能鍛煉學生的團隊合作能力，激發學生的學習熱情。四輪小車競賽采用相對評分，根據小組成績在全班所處的相對位置進行評分，成績最好的得分最高，成績最差的得分最低。相比于絕對評分方式，相對評分方式能激發學生潛力，吸引學生不斷探索，不斷挑戰更好的比賽成績。適度的競爭可以有效提升學生的學習興趣，促使他們去思考并尋找新的方法、新的思路以贏得比賽。

在競賽的引領下，持續更新教學內容，開展具有競爭性的實驗課程，使實驗更接近于實戰。將競賽與課程在形式和內容上進行深度融合，在學生理解并掌握單片機通用知識的基礎上，培養學生的創新意識，提升學生的工程實踐能力，提升學生的團隊合作能力。

結語

目前課堂授課仍為課程實施的主要形式，為了提升學生的創新實踐能力，需要對課程內容以及組織形式進行改革。以“第二課堂”為引領，優化“第一課堂”的內容和形式，高效率、全覆蓋地培養學生的創新實踐能力。對課程內容進行創新，將競賽內容不斷更新優化到課程內容中，保證課程內容與時代同步。對組織形式進行創新，模仿全國大學生智能汽車競賽，在課程內開展四輪小車競賽并采用小組的形式，培養學生的創新實踐能力和團隊合作能力。這種方法適合于推廣到其他與競賽聯系緊密的課程，發揮競賽在培養學生創新實踐能力方面的優勢。

參考文獻：

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［5］趙麗紅，郭熙，羅志軍，等.學科競賽驅動下的GIS專業課“課程思政”實踐教學改革探索［J］.教育現代化，2020，7（52）：6266.

基金項目：“機電汽車”湖北省優勢特色學科群開放基金（ZDSYS202219）；湖北文理學院2020年教學研究項目——新工科背景下科教協同在車輛工程專業人才培養中的探索與實踐（JY2020039）

作者簡介：王敏旺（1986—?），男，湖北襄陽人，碩士研究生，講師，研究方向：新能源汽車電池組管理及驅動電機控制。