“雙創(chuàng)”背景下單片機課程的教學模式改革與實踐

［摘 要］ 以社會需求為導向，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力、集成創(chuàng)新能力為目標，教學團隊在深度剖析“單片機原理及應用”課程實踐教學現(xiàn)狀的基礎上，探索了教學模式改革與實踐方案。方案不但引入案例驅動教學、頭腦風暴及線上線下混合式教學等方法，而且詳細探討了將專業(yè)教育與創(chuàng)新教育融合在理論教學、實踐教學、課程設計、科創(chuàng)競賽、畢業(yè)設計等全流程中的具體措施和方法。實踐證明，課程改革加速了教學響應、知識轉化、知識應用，學生運用單片機技術解決實際問題的工程應用能力和創(chuàng)新實踐能力有了顯著提升。

［關鍵詞］ 教學改革；專創(chuàng)融合；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；單片機；實踐

［基金項目］ 2021年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于《單片機原理及應用》課程開展專創(chuàng)融合教學的方法及路徑”（2021GJJG435）；2020年度東北大學秦皇島分校課程建設項目“東北大學秦皇島分校校級課程思政示范課程”（2020KCSZ-B02）；2021年度東北大學課程建設項目“東北大學第三批課程思政示范課程”

［作者簡介］ 蔡 凌（1980—），女，湖南武岡人，工學博士，東北大學秦皇島分校控制工程學院講師，主要從事智慧交通、網(wǎng)絡資源調度研究；魏永濤（1980—），男，山東昌邑人，工學博士，東北大學秦皇島分校控制工程學院副教授，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心主任，主要從事智慧城市、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育研究；段洪君（1971—），男，吉林德惠人，工學博士，東北大學秦皇島分?？刂乒こ虒W院副教授，主要從事復雜系統(tǒng)建模、優(yōu)化及控制研究。

引言

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)是新經(jīng)濟業(yè)態(tài)下工程類高等教育人才培養(yǎng)的重要內容，也是國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略實施的迫切需要。黨和國家對高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)做出重要部署，國務院辦公廳相繼頒發(fā)《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》和《關于推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高質量發(fā)展打造“雙創(chuàng)”升級版的意見》，教育部也相繼出臺了《關于做好2019屆全國普通高等學校畢業(yè)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)工作的通知》及《關于做好深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校2019年度建設工作的通知》，這些意見及通知都明確指出，高等教育應將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育有機結合，要求培養(yǎng)的學生不但要具備一定專業(yè)理論知識和技術技能，還應具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識。

一、研究背景

自動化專業(yè)畢業(yè)生是我國科技發(fā)展與創(chuàng)新突圍的主力軍與先鋒隊之一。由于自動化專業(yè)課程大多是通過科學的手段與方法將歷史長河中積累下來的科學知識及技術凝練而成的，因而，具有較強的操作性和應用性，為以技術為背景的“雙創(chuàng)”教育的融入提供了滋潤的土壤。“單片機原理及應用”作為自動化專業(yè)的專業(yè)課程，具有厚基礎、強實踐、重應用的課程特征。然而，傳統(tǒng)課程在教學目標、教學方法、教學內容等方面均較少地關注創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，具體分析如下。

1.教學設計以“教得好”為目標。教學以完成知識傳授為目標，保證學科知識的客觀、中立，易忽視高層次的能力目標和素質目標。例如，由于課程概念多、知識點多、內容抽象、邏輯性強，常規(guī)課堂突出以教師為中心的教法，強調學生對知識的記憶與理解，欠缺對應用、分析、綜合等能力的培養(yǎng)，更缺乏在專業(yè)教育與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融合的趨勢背景下對創(chuàng)新型人格的塑造。

2.教學過程采取的是課堂理論講授附加實驗課驗證的形式，這種理論與實踐分離的教學模式易使學生的理論學習缺乏感性認知，學習興趣和熱情不足；實踐學習的途徑主要是利用實驗室功能有限的實驗臺開展實驗，題目單一、學時少，而且大多只是機械地驗證實驗內容，無法提升學生的實踐技能并升華所學理論知識。這種模式更為強調記憶與理解等低階思維技能的培養(yǎng)，對應用、分析、綜合和評價等高階思維技能的訓練略有忽視。而創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力不但要以低階思維技能為基礎，還需高階思維技能來幫助實現(xiàn)理論到創(chuàng)新的轉化。

3.教學內容呈現(xiàn)局部性、孤立性。局部性、孤立性使教學內容與工程實際應用的綜合性、系統(tǒng)性要求不相適應。學生很難建立專業(yè)知識與實際應用的聯(lián)系，更難以達成在專業(yè)教育中提高創(chuàng)新能力、在創(chuàng)新中鞏固專業(yè)知識的目標。

以培養(yǎng)學生“雙創(chuàng)”能力為核心的改革是進一步激發(fā)課程生命力及推動課程發(fā)展的重要方式。因此，將課程的知識能力目標重新定義為：通過對單片機工作原理的講解及啟發(fā)、引導，使學生從原理認知、可行性論證、軟硬件設計及調試、系統(tǒng)報告等方面進行全生命周期的體驗，最終具備設計、開發(fā)單片機應用系統(tǒng)的能力。顯然，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基因是融入在知識能力目標之中。

二、“單片機原理及應用”課程建設思路

學生在學習“單片機原理及應用”之前，已具備模電、數(shù)電、微機原理等先決知識，知識結構扎實，理解、邏輯推理能力經(jīng)過兩年左右工科思維的培養(yǎng)和訓練已得到提升，為單片機硬件系統(tǒng)架構、程序邏輯的建立提供了思維的保障。學生具有獨立意識強、表現(xiàn)欲強等心理特點，而前期課程的實驗課及課程設計，使學生具備了一定的動手實踐能力，因此，有文獻［1-4］提出了“教學做”一體的改革探索，并衍生出“項目引導、教學做一體”的教學模式［5-7］。近些年來，很多高校在“單片機原理及應用”課程上開展專創(chuàng)融合教育［8-10］，但并未清晰地闡明教學環(huán)節(jié)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)之間的映射關系，而且各高校的辦學特色、專業(yè)特點不盡相同，須針對本校的校情、學情展開具體的理論及實踐研究，將教學目標從“教得好”轉變?yōu)椤皩W得好”，在教學過程中滲透高階思維技能訓練，強調學生具有對單片機應用系統(tǒng)進行設計、分析、評價的實操能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、精神及能力。

三、“單片機原理及應用”課程改革方案

由于社會需求的人才是多樣的，且不同學生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力和熱情也不盡相同，因此在教學過程中，應構建以學生為中心的內容體系，采取分層級的培養(yǎng)方式，在專業(yè)理論的基礎上普及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、精神并培養(yǎng)其創(chuàng)新素養(yǎng)。針對部分有強烈創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)意愿的學生，強化其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，尤其是強化創(chuàng)新實戰(zhàn)能力的訓練。教學改革實踐的具體思路，可以概括為以下幾方面。

1.理論知識講授環(huán)節(jié)。針對基礎理論知識，引導學生利用網(wǎng)上資源自學，從而壓縮講授理論知識的學時。在課程講解過程中引入問題引導法，改變以往講解過程只注重what（是什么）的問題，引入多個why（為什么）和how（將如何）的延伸思考，啟發(fā)學生的問題意識，培養(yǎng)其獨立思考、自主分析和勇于探索的能力。教學是教師和學生的雙邊活動，在引導學生思考教師問題的同時，鼓勵學生向教師提問，利用良性的師生互動，促進學生對知識的理解與掌握，激發(fā)其學習興趣，啟發(fā)其創(chuàng)新思維。課后開展線上頭腦風暴、黑科技沙龍等活動，通過搜索、編輯和路演新科技、新技術、新應用，拓展學生知識的廣度與深度，在培育其創(chuàng)新素養(yǎng)的同時，從時間、空間和內容三維度進一步延伸教學內涵。

2.理論知識實踐環(huán)節(jié)。實踐環(huán)節(jié)將理論課的實踐教學、課后的實踐作業(yè)和實驗課教學等環(huán)節(jié)融為一體。在理論課的實踐教學中，引入案例教學法，教師通過虛擬仿真平臺實現(xiàn)對經(jīng)典例程的仿真調試，學生則在案例的基礎上自主完成進階功能的調試，并借助現(xiàn)代信息技術，例如騰訊會議、QQ群的屏幕共享等資源，實現(xiàn)師生同步互動、生生同步互動，完成現(xiàn)場分享、討論及點評。針對實踐作業(yè)，引入情景教學法、項目驅動法，以需求為導向，要求學生自學部分芯片知識，在開發(fā)板平臺上完成3或4個開放式小項目的開發(fā)，按照CDIO（構思、設計、實施、運行）流程提交，包括設計說明、設計思路、程序代碼及注釋、結果分析和項目視頻的作業(yè)包。仿真軟件和開發(fā)板的使用改變了以往學生的程序設計僅是紙上談兵，無法自我驗證，更無法實現(xiàn)對程序結果的分析及優(yōu)化的現(xiàn)象。教師通過視頻能夠直觀地觀察到實驗結果，降低了批改作業(yè)的難度和復雜度。在實驗課中，要求學生利用實驗箱平臺完成4個較綜合性的項目。

通過“仿真軟件”“開發(fā)板”和“實驗箱”的三平臺及“學生的電腦屏幕”和“教師的授課屏幕”的兩屏幕，為學生創(chuàng)造了學中做、做中學、邊學邊做的條件，強化其工程思維、工程實踐能力，增強創(chuàng)新動力。同時，通過開展的生生合作活動，培養(yǎng)學生的合作與協(xié)調能力。

3.課程設計環(huán)節(jié)。課程設計是教學內容中極為重要的實踐環(huán)節(jié)，通過將課程中各項零散內容高效結合，提升學生對單片機系統(tǒng)整體性的理解，實現(xiàn)對單片機等電氣元器件實物的有效運用。教師發(fā)布課程設計題目及任務，鼓勵學生充分利用網(wǎng)絡、圖書館等資源查閱資料，設計系統(tǒng)方案及電路圖，實現(xiàn)仿真電路繪制，依據(jù)仿真結果實現(xiàn)實物的最終制作及調試。根據(jù)學生創(chuàng)新意愿的不同，課程設計提供了關于經(jīng)典題目的設計及開放性課題的設計兩類選項。針對經(jīng)典題目，任務書只給出基礎功能要求，要求學生自主設計部分擴展功能，并根據(jù)基礎功能的完成度及擴展功能的難易度評定最終成績。利用已有的智能車平臺，開設開放性課題，要求學生自主擬定課程設計題目，根據(jù)題目的難易度及完成度評定成績。學生從擬定選題到制訂設計方案，再到閱讀說明手冊、組裝硬件、實驗編程、實驗調試和結果分析等一系列過程中，始終處于自主狀態(tài)，其想象力、創(chuàng)造力，以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題等能力均會得到提升。

4.科創(chuàng)競賽環(huán)節(jié)。完備的理論基礎附加課程實踐、課程設計的實際操作和實踐培訓，造就了學生扎實的理論基礎和實踐能力。在鼓勵學生積極參與各類項目及科創(chuàng)競賽的同時，統(tǒng)籌教學資源，組織教師指導學科競賽，強化學生的參賽水平，以賽促學，實現(xiàn)理論與實踐、動腦與動手、方法訓練與技能培養(yǎng)、教學與生產(chǎn)的四結合，達到對學生工程素質、實踐能力、創(chuàng)新能力的綜合培養(yǎng)。為提升對參賽學生的指導水平，鼓勵教師積極參加與單片機相關的學術團體以及產(chǎn)品發(fā)布會，通過參與活動拓寬眼界，積累競賽經(jīng)驗及教學素材。

5.畢業(yè)設計環(huán)節(jié)。在畢業(yè)設計階段，為學生提供利用單片機設計、開發(fā)的開放性選題。學生提出設計的初步方案，教師負責對方案進行審查，并提出具體修改建議，具體審查內容包含選題意義及合理性、所需知識點、軟硬件設計的合理性等。學生根據(jù)建議，繼續(xù)完善并完成最終的設計方案。學生通過對具體產(chǎn)品的創(chuàng)新設計、優(yōu)化改進，對設計的反復修改和改進，以及對軟、硬件的不斷修改和調試，實踐能力和創(chuàng)新能力得到了進一步提升。

四、教學改革實施效果

自教學改革以來，學生對課程理論知識的掌握程度更加深入，動手能力、軟件編程水平較改革前有顯著提升；與此同時，利用仿真軟件，有助于使學生對數(shù)電、模電等課程內容的理解更加透徹。針對“單片機課程設計”，以往的學生以完成布置的基本任務為主，而改革實施以來，約20%的學生在基本需求上自主擴展了4或5個功能，約40%的學生自主擴展了2或3個功能。而且，學生參加各類課程競賽的積極性及水平也得到提升，獲得國家級獎30余項。在自動化專業(yè)的優(yōu)秀本科畢業(yè)論文中，約20%的選題與單片機相關，其中《基于嵌入式機器視覺的盲文識別系統(tǒng)的開發(fā)》《基于目標檢測的視障人士智能導航系統(tǒng)》《基于OpenCV的年齡識別智能屏系統(tǒng)的設計》等具有較好的創(chuàng)新性。絕大多數(shù)學生認為，“課程使其邏輯思維更加嚴謹”“在調試過程中不斷遇到問題，再不斷解決問題，實踐能力得到增強”，甚至有學生提出，“讓自己萌動出制造‘小黑科技’的想法”，部分參加競賽獲獎的學生認為，“鍛煉了我的工程實踐能力，在工程的角度激活了我的創(chuàng)新思維，同時讓我看問題的角度更加全面、清晰”。

結語

在“雙創(chuàng)”融合的教育背景下，針對單片機課程傳統(tǒng)教學中存在的問題，考慮到學生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力和熱情的差異性，提出分層級的培養(yǎng)方式，在專業(yè)理論的基礎上普及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、精神，培養(yǎng)其創(chuàng)新素養(yǎng)，并針對部分有強烈創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)意愿的學生，強化其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，尤其是強化創(chuàng)新實戰(zhàn)能力的訓練。分層級的培養(yǎng)方式有效提高了學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，形成了積極的創(chuàng)新氛圍，一些學生的學科競賽成績優(yōu)異，綜合素養(yǎng)全面提高。實踐創(chuàng)新成效證明了該培養(yǎng)模式的可行性與實用性。該模式為東北大學秦皇島分校提高學生的創(chuàng)造精神、實踐能力和應用型人才培養(yǎng)轉型提供了新思路。

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Teaching Reform and Practice of “Single Chip Microcomputer Principles and Applications” Course in the Context of Innovation and Entrepreneurship

CAI Ling， WEI Yong-tao， DUAN Hong-jun

（School of Control Engineering， Northeastern University at Qinhuangdao， Qinhuangdao，

Hebei 066004， China）

Abstract： With a focus on addressing social needs and fostering students’ innovative thinking and integrated innovation abilities， the teaching team conducted an in-depth analysis of the current practical teaching situation in the “Single Chip Microcomputer Principles and Applications” course. The proposed solution not only incorporates case-driven teaching， brainstorming， and online/offline mixed teaching methods but also provides detailed measures and approaches for integrating professional education and innovative education throughout theoretical instruction， practical training， course design， scientific and technological innovation competitions， as well as graduation projects. Practice has demonstrated that this curriculum reform has expedited responsiveness to teaching， knowledge transformation， and knowledge application while significantly enhancing students’ engineering application skills and their ability to solve real-world problems using single-chip microcomputer technology.

Key words： teaching reform; integration of specialized and innovative education; cultivation of innovative ability; single-chip microcomputer; practice