“微機原理及單片機應用”課程培養探索與實踐

張 峰，李 林，宋曉華

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021）

引言

目前，科學技術的突破往往伴隨著多學科之間的交叉融合。多學科融合下形成的系統性、綜合性、前沿性成果體系有助于解決人類社會面臨的新挑戰、新問題，為取得原創性科技創新成果提供重要的知識保障。

一、研究現狀

為了促進我國從教育大國向教育強國快速轉變，急需培養一批具有過硬知識體系、綜合能力與創新能力強的高素質人才，取得一系列領先于國際的原創性成果。為了貫徹落實國家工程教育強國戰略，國家出臺了一系列的計劃與政策來加大對教育的投入，加快新工科建設。

“微機原理及單片機應用”課程是教育部規定的綜合性電子信息類專業的專業基礎課，是一門以理論知識為架構、側重于解決計算機及嵌入式系統實際工程問題的課程。課程的知識大多抽象、實踐性強，與眾多學科相輔相成，輻射范圍廣泛［1-2］。

然而，進入“十四五”階段，隨著計算機軟硬件系統的飛速發展，以微軟公司為代表生產的CPU處理器，每年都會更新，課程的知識體系也在不斷地更新［3］。“微機原理及單片機應用”課程受到學生基礎、學校辦學理念、人才培養目標等差異的影響，使得現有教學內容與前沿技術、行業運行新模式、經濟發展新理念脫節嚴重，課程知識對前沿學科的交叉融合不足，無法滿足新工科建設所要求的對學生主觀能動性的培養。因此，在新工科建設背景下，梳理現有“微機原理及單片機應用”課程教學中存在的相關問題，并針對問題提出課程教學改革的建設性方案，對于提高多學科交融的創新型人才的培養質量具有重要的理論和實踐意義。

二、現有“微機原理及單片機應用”課程體系存在的問題

在教學過程中存在知識結構獨立性強、概念抽象、綜合應用實驗課時少、與實際工程項目緊密性不足等問題，因此亟須對當前課程的教學方法及教學內容進行新的探索與改革，重新制訂一套適用于前沿學科發展現實要求，又行之有效的教學方案，從而培養滿足社會需求的新型應用型本科人才，建設教育強國［4］。學校“微機原理及單片機應用”課程教學過程中存在如下的問題。

（一）多學科融入不夠明顯

課程教學形式單一，教學內容與時代前沿技術脫節嚴重，導致學生知識面狹窄、創新能力不足，無法滿足新工科背景下對多領域、創新型人才培養的目標。因此，要充分引導學生對多學科交叉領域知識進行深入學習，拓展前沿學科創新性思維，開拓國際化學術視野，形成多學科相互滲透的教學氛圍和跨學科融合的教學模式。

（二）課程體系與教學內容需進一步完善

在實際教學中，與工程實際項目的結合度不高，缺少對前沿技術的交叉融合。課程主要針對現有成熟理論知識進行講述，鮮有教師向學生展示工程實際需求中遇見的問題，缺少對前沿科學和工程實際問題的系統分析，導致實際的教學效果與課程培養目標及企業的需求存在明顯不匹配，使學生對課程缺乏感性認識，得不到理想的教學效果，現有課程知識體系無法滿足社會快速發展的需求，形成了學生畢業后只具備理論知識能力，而無人才競爭力的惡性循環。

（三）實踐教學體系不夠完善，缺乏綜合性實驗

在開展實踐教學時，更多地選用單項實驗教學法，學生通常是按照實驗手冊的步驟進行接線、編程、調試、運行，記錄實驗結果后整理成制式化實驗報告，就標志著實驗的正式完成。沒有對實驗原理與實驗現象進行深入的分析，就無法鍛煉學生的獨立思考能力。而且，實驗之間的關聯性低，知識點分散嚴重，易形成知識點的“孤島效應”，無法實現對學生知識點連續性與系統性的培養。此外，實驗內容大多為驗證性實驗，缺乏系統性與綜合性的挑戰性實驗，脫離了案例式與項目式的實踐教學理念，無法鍛煉學生的動手能力與創新能力，難以激發其創新意識的培養。

三、“微機原理及單片機應用”課程體系設置方案

課程教學改革的目標從傳授理論知識為主向綜合能力培養轉變，強調創新性思維能力的培養，著重培養學生的團隊合作精神、創新性思維模式，強化硬件電路設計系統觀，模塊化編程思想，使得學生能夠利用所獲得的知識解決工程中的實際問題。學生通過課程的學習，為后續的ARM、DSP、FPGA等嵌入式系統學習提供軟硬件設計觀，同時也為今后從事智能控制、物聯網、電路設計等領域工作夯實基礎。為了提高課程的實際教學效果，本文從以下幾個方面進行行之有效的改革并制訂細節方案。

（一）實施多維度課程培養模式

建立“革新教學內容、促進多學科交融、強化項目實踐、整合教學模式”的教學內容與實踐培養方案。實施多維度教學培養模式，促進多學科深度交融，以學生為中心，創新人才培養模式，形成理論與實踐教學并重的良性循環鏈，培養學生的多學科交叉應用思維、工程實踐能力與創新創業能力，從而使學生實現知識、能力和綜合素質的全面提升。

1.革新教學內容。采用“精品教材、網絡精品課程、以學生創新能力為中心”的靈活教學模式，聚焦學生自主實踐能力與創新思維的培養，建立優質課程資源庫和實踐案例庫。對課程的相關知識點按照遞進式的方式重新梳理，對課程內容知識點的工作原理、硬件設計、程序結構進行深入分析和分類匯總，形成優質教學資源，并將其上傳到網絡供學生隨時隨地學習。同時，形成“思政、引導、講授、問答、互動、探究”課堂教學方式，由“滿堂灌式講授”向“啟發式教育”教學方式轉變，為學生專業技能素質的提升奠定基礎。

2.促進多學科交融。結合前沿科學技術來定期更新課程內容，拓展多學科交叉融合創新理念，將前沿技術、工程技術、多學科融合教學案例等貫穿整個課堂教學過程中。通過學術講座、學術沙龍、國際會議，學生掌握前沿科學的發展動態，拓寬學生的學術視野。采用團隊協作的方式構建團隊，解決跨學科領域下的工程實際問題，為學生綜合素質的提升提供強勁的動力。

3.強化項目實踐。以人才培養與項目需求的無縫對接為目標，從實際工程問題出發，根據項目需求、學生知識掌握情況、個人能力等對實踐教學環節進行差別化培養。以工程實際問題為牽引，引導學生自己動手解決工程問題，建立項目分工協作機制，培養學生的團隊合作精神。基于項目的完成進度、團隊貢獻率、項目成果來對學生進行評價，激發學生的創新思維、團隊參與感與求知欲。建立以賽促學、以賽促練實踐教學體系，強化校企協作，實現互惠共贏。

（二）優化重組新課程體系

優化重組課程教學體系，全方位實現課程多元化協同發展。以X86構架的8086/8088微處理器為核心對課程的教學內容進行優化重組，將其拓展為嵌入式系統領域的基礎課程，并配套相應的開發板，以供學生利用課后時間對所學知識點進行驗證性學習。在課程學習完畢后，開設嵌入式系統程序設計與應用系統綜合實踐選修課程。同時，將現有的嵌入式系統選修課進行升級重組，增加前沿學科內容（例如物聯網技術、大數據分析技術等），使得整改后的課程更能滿足新工科背景下多學科融合發展和卓越工程師人才培養的現實需求。課程內容規劃結構如圖1所示。

圖1 “微機原理及單片機應用”課程內容規劃

（三）技術與教學方法整合

技術與教學方法整合，實現課程知識點的全方位覆蓋。注重教學方法和教學手段的改革和創新，幫助學生理解微型計算機系統的硬件結構和功能，消化其中復雜難懂的知識點。整合教學模式，以學生為中心，借助多元化學習資源來拓展學習時空，促使教育平臺處于開放的環境，促進師生之間的相互交流，實施因材施教的教學策略。使用可視化、情景化教學來幫助學生理解難以消化的知識點，激發學生學習動力與探索知識的興趣，提升教學效率。在實際教學中，引入MOOC、SPOC等優質網絡教學資源課程，結合教學大綱和實際教學情況，以“互聯網+”競賽為輔助單元，構建線上線下混合式學習平臺，重組教學方法、教學內容以及學習評價體系，幫助學生更好地掌握知識，提升學生獨立思考的能力，同時培養學生良好的創新思維和對學習的積極性。采用Xmind、Mind-Master、百度腦圖等工具系統化展示學習內容，使得教學過程更生動形象。借助課堂互動工具，促進學生與教師交流互動，及時對學生的知識掌握情況進行實時評價。技術與教學方法整合具體步驟如圖2所示。

圖2 技術與教學方法整合的步驟

（四）協同育人，強化學生實踐能力培養

加強產教融合，加強與企業、地方政府、行業機構的合作，協同制訂實踐環節教學培養方案，依據產業需求設計配套的實踐學習課程，實現教學內容緊貼社會需求。合理利用校內外資源，優化實踐教學內容，建立完善的課程實踐鏈條，提高實踐環節在總成績中的占比。強化基礎實踐能力的培養，充分利用開放實驗室、綜合創新實驗室、師生交流科研平臺等實踐教學資源來加強對學生實踐能力的培養。同時，構建“產教融合”“賽教融合”實踐課程教學體系，形成新技術、多學科交叉融合的實踐教學內容。

結語

本文結合新工科背景下的創新性人才培養方案與目標，分析了學?！拔C原理及單片機應用”課程體系存在的問題。針對課程教學中存在的問題，本文從實施多維度課程培養模式、優化重組課程體系、技術與教學方法整合、協同育人以強化學生實踐能力培養等方面對課程進行了探索和實踐。通過課程人才培養體系的改革與創新研究，我們積累了新工科背景下傳統課程改革的經驗，為其他傳統課程的培養起到了借鑒應用。