三維視角融合下理論與實踐結合的教學內容改革研究與探索

摘 要：《單片機原理與應用》課程在理論和實踐之間往往出現脫節，缺乏與實際應用相結合的案例，教學內容更新緩慢，難以跟上技術進步的步伐，導致學生學到的知識很快變得過時，無法滿足將來工作的需求。針對上述問題，本研究構建了一個基于三維度視角融合的教學內容體系，從學術視角、生活視角、工程視角三個維度推動課程教學改革。以肇慶新能源汽車產業優勢和專業人才培養為抓手，以汽車單片機為特色，完善課程體系，涵蓋汽車單片機仿真實驗、學生競賽及創新創業項目三個層次。在教學中深挖思政元素，將專業知識和思政教育有機結合，培養學生的全面素養和社會責任感。課程的創新改革讓各工科專業學生廣泛受益，創新實踐能力顯著增強。

關鍵詞：單片機原理與應用 三維視角融合 課程改革 新工科

1 緒論

隨著科技的飛速發展和社會的不斷變革，新興科技如信息技術和人工智能正迅速崛起，嵌入式系統和物聯網應用也日益普及。在新工科的大背景下，教育需求和教學改革呈現出越來越明顯的趨勢[1-2]。在這個充滿挑戰和機遇的時代，培養具備實踐能力、能夠適應未來科技發展的高素質人才成為教育的重要使命[3-4]。作為嵌入式系統的核心組成部分，單片機具有體積小、功能強大、價格低廉、易于應用等一系列優勢，在工農業、國防、交通、民用等各個領域都得到廣泛應用。掌握單片機的原理與應用對于適應科技發展趨勢、把握未來技術發展方向至關重要[5-7]。

《單片機原理與應用》課程作為工科類課程的重要組成部分，不僅承載著傳授理論知識的任務，更注重學生創新思維和實踐能力的培養。通過課程學習，學生能夠理解嵌入式系統的設計原理，為實際工程項目的開發與應用提供技術支持[8，9]。傳統的單片機課程更注重理論知識的傳授，然而企業對人才的需求不再局限于專業知識，更看重學生的實踐能力和解決問題的能力[10]。因此，對《單片機原理與應用》課程改革具有重要意義。

2 目前教學中存在的問題

《單片機原理與應用》課程的前導課包括《計算機程序設計》《電工與電子電路》《數字電路》等，后續銜接內容主要有《嵌入式系統開發》《新能源汽車技術》等專業課及課程設計、畢業設計，在新工科專業的學生培養過程中起到承上啟下的關鍵作用。該課程理論性、實踐性和工程性都很強，知識點眾多、課程難度系數大。目前在教學過程中，主要存在以下問題：

首先，課程涉及專業課范圍較廣，需要學生具有一定的知識面和理論基礎。許多學生對于前導課程的掌握不夠扎實，需要教師針對前導內容進行額外復習，完成課程知識點之間的過渡，否則就會造成學生對課程理解不深，影響教學效果。教師通常以課題講授方式為學生講解知識點，學生靠死記硬背的方式完成知識點的學習。此外，隨著單片機不斷發展，新的技術和方法層出不窮。然而，課程教材和教學內容的更新速度往往跟不上技術的發展，導致學生學到的知識過時，無法滿足實際工作需求。

其次，理論知識和實際操作往往存在較大的脫節，缺乏實際應用案例。實驗課通常和理論課程分開，學生只有在上實驗課時才會操作相關軟件和設備，理論知識與實驗內容沒有達到很好地融合促進。在實驗課中，老師布置的任務主要來自課本，學生無法獲得與實際工程相關的知識和經驗。此外，課程實驗室設備陳舊，無法滿足現代單片機技術發展的需求，也限制了學生對新技術的學習和實踐能力的培養。

第三，教學內容與思政教育的結合程度不夠。雖然課程嘗試將思政元素融入單片機教學中，但融合部分往往僅停留在表面層次。任課教師通常針對課程的部分知識點和獨立的思政元素聯系，思政案例與單片機技術本身的關聯并不緊密，也沒有一個貫穿課程始終的內容。這種方式使得教學內容與思政內容缺乏深度融合，導致學生難以理解和領會其深層含義。

3 課程改革措施

3.1 改革思路

《單片機原理與應用》是我院機械工程、車輛工程專業的必修課程，不僅為學生學習相關技術基礎和專業課程起到承前啟后的作用，還為今后從事嵌入式開發、汽車電子等相關工作打下基礎。本課程改革以新工科背景為指導，強調實踐教學、創新教育和綜合素養培養。課程利用地方企業的軟硬件資源、工程項目資源，從學術視角、生活視角、工程視角三個維度的不同方面，推動課程理論與實踐教學改革。教學內容的設計不拘泥于教材，要“來源于生活，而高于生活”，挖掘生活中的實例并對其加工提煉。遵循由簡到繁、逐層深入、循序漸進的方式組織教學。從“知行合一”思想出發，強調“做中學”，設計以企業需求為導向的實驗項目，讓學生在完成任務的過程中將課上學習的知識內化為自己的知識。注重差異化教學，根據課程特點設計不同層次、不同難度的項目要求，讓學生根據自身能力自主選擇，鼓勵學生個性化學習。

3.2 改革實施方法

3.2.1 設計基于三維視角融合的創新教學體系

從學術視角、生活視角、工程視角三個維度的不同方面，構建全方位人才培養體系。在學術視角維度上，引入前沿科技如新能源汽車、物聯網、自動駕駛、智能制造等知識，拓展單片機在智能化領域的應用。在生活視角維度上，挖掘生活中的實例并與理論內容結合，加強與本課程相關的大學生競賽等、科技創新等活動的組織、培訓工作，激發學習興趣。在工程視角維度上，開展校企合作，引入企業優質的軟硬件資源，根據地方產業特色建立新能源汽車電子、單片機實驗室，將企業實際需求項目納入課程教學。

課程遵循“夯實基礎，提高能力，舉一反三”的教學理念，在教學過程中采用“問題—理論—方法—思維擴展”的創新教學法，一方面強化學生對于基礎知識的積累，另一方面引導學生將基礎知識與工程應用相結合。將課前、課中和課后聯系起來，延展課堂教學。在課堂教學前，通過班級群等通訊軟件進行難點調查，針對性地在課堂上深入引導學生理解難點知識；課堂教學時，利用雨課堂進行師生互動，引導學生分組討論思考題，開展翻轉課堂活動；課堂教學后，利用線上資源進行知識擴展，引導學生了解單片機芯片在我國的發展情況，增強學生的民族自豪感和自信心。如圖1所示，通過將科技競賽內容、日常生活內容與知識點融合，激發學生的學習興趣，并且拓展了單片機在智能汽車領域中的應用。

采用多樣化的教學形式，利用雨課堂等教學管理系統，提供豐富的學習資源和互動交流的機會。利用信息化技術，使用投影儀、電子白板等多媒體設備，展示單片機原理、應用案例、實驗演示等，提供視聽化的教學效果。對課程中枯燥的理論知識配以豐富的動態畫面，插入與日常生活相關的引導性發問、知識細節提示等，使多媒體課件在教學過程中的作用達到最大化。利用仿真軟件在計算機上進行虛擬實驗和調試，幫助學生理解課上講解的理論內容和實驗過程。通過給同學們觀看教學資源，讓學生在課堂上進行互動討論、實驗操作或項目實踐，提高學生的參與度和實際應用能力。

3.2.2 優化實驗教學內容、設計實驗項目和編寫實驗指導書

以肇慶市深化院校與本地新能源汽車企業共建實訓平臺項目為依托，以肇慶新能源汽車產業優勢和學校專業人才培養特色，引入本地企業優秀的資源和實際工程需求，以單片機解決實際問題為引導，以汽車單片機為特色，設置多個工程案例，完善單片機原理實驗課程體系，涵蓋單片機基礎仿真實驗、汽車單片機實驗以及學生競賽、科研實踐三個層次。

在實踐過程中，以工程實際問題牽引，引領學生利用所學知識自主解決問題。實驗以小組為單位展開，通過小組之間的競賽、投票等方式，充分調動學生的積極性與探索性，培養學生的團隊合作能力。任課教師根據學生的討論結果進行總結，并提煉出研究、分析和解決問題的方法。開展“差異化”任務分配，設置基礎項目、進階項目，滿足不同基礎的學生。日常教學活動與學生競賽、課外科技活動相結合，積極組織學生參加全國大學生智能車競賽、工程實踐能力創新競賽、“互聯網+”、“挑戰杯”等創新創業活動，培養了學生的實際動手能力和創新精神，提升課程的挑戰度。

3.2.3 課程思政元素融合

在新工科背景下，將課程思政元素與課程內容進行深入融合具有重要意義。收集和整理與單片機課程相關的思政教育素材，利用網上與課程內容相關的優秀思政素材例如《百年機遇》《大國交通》等貫穿課程始終，建立一個整體式的思政元素庫，幫助學生在學習單片機技術的同時增強思政教育的知識素養。思政內容主要通過以下幾個方面實施：（1）課堂講授。在理論課程中，強調工程技術的社會價值和影響，鼓勵學生將技術運用于社會問題、生活問題的解決。（2）案例分析。在案例分析中加入社會責任、倫理道德等內容，引導學生思考技術與社會的關系。通過查閱文獻了解我國近幾年在芯片及單片機領域的研究現狀和發展趨勢。培養學生的民族自豪感、科技信心及專業認同感。（3）項目驅動。在實踐課中，將社會熱點需求納入項目，鼓勵學生從工程技術角度尋找解決方案。通過對人工智能、新能源汽車等新興技術領域的討論，激發學生的創新意識，培養他們的創新思維。（4）分組討論。項目實踐中，將學生分組，模擬工程項目團隊。通過團隊協作，培養學生的團隊合作能力和溝通能力，強調團隊的重要性。

通過將專業知識和思政教育有機結合，取得了良好成效。學生在課程中不僅獲得了專業技能，還培養了全面素養和社會責任感。許多學生在項目實踐中展現出創新想法，關注社會問題，在工程實踐能力大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽、恩智浦智能車比賽中取得了好成績。

3.2.4 多元化課程考核方式

評估方法圍繞立德樹人的根本任務，注重考核全程化，標準多元化，維度多面化，方式多樣化，構建全方位學業評價體系。學生的成績主要包括課堂參與、作業、實驗報告、項目成果。評價注重“非標準答案”測試，重在啟發思維，引領價值。其中，課堂參與部分占20%，根據學生完成課堂任務以及作業情況評分，鼓勵學生積極參與課堂討論和交流；實驗部分占20%，注重學生對于知識的理解和應用；綜合項目實踐占40%，以小組為單位進行開發和演示，同學進行互評并配合教師打分，綜合評定每組表現，體現了學生的創新能力和團隊合作能力。

4 總結

單片機課程是一門綜合性應用型課程，在教學過程必須充分將理論教學與實踐教學相結合，通過案例與實驗來激發學生的學習興趣，通過課后實踐和學科競賽使得課程學習時間得以延伸。經過教學創新改革，使近500名學生受益，教學質量明顯提高。學生的參與度顯著提高，在課程中表現出更大的學習積極性和自主性。課程的多元化評價方法激發了學生的創新思維和解決問題的能力，他們在開放性問題和項目實踐中展現出了優異的表現。本課程的教學應用不僅限于校內，還積極融入校外社會實踐和產業合作。通過與企業合作，將實際工程項目納入課程，使學生在解決實際問題中獲得實際經驗，對行業趨勢有了更深刻的認識。在課程團隊教師指導下，學生積極參加各類科研活動和學科競賽并取得了較好的成績。此外，實踐教學扎實推進，與課程教學進行深度融合。通過改革，課程教學成效不斷提升，認可度不斷增強，在實際的授課中受到學生一致好評。

基金項目：教育部協同育人項目“新工科背景下基于三維視角融合的《單片機原理與應用》課程教學改革與實踐”；肇慶學院校級課程思政改革示范項目（示范課堂）。

參考文獻：

[1]呂勇，余雷，黃克亞.新工科背景下嵌入式系統教學改革與探討[J].現代教育論壇，2022，5（2）：33-35.

[2]趙繼，謝寅波.新工科建設與工程教育創新[J].高等工程教育研究，2017（5）：13-17，41.

[3]徐曉飛，丁效華.面向可持續競爭力的新工科人才培養模式改革探索[J].中國大學教學，2017（6）：5.

[4]陳紅兵，鄧梅娥，盧進登，等."新工科"背景下實踐教學模式的研究與探索[J].教育現代化，2018（20）：172-173.

[5]唐波，龔雪嬌，朱瑞金，等.新工科建設下的單片機原理及應用課程建設與改革研究[J].黑龍江科學，2019，10（7）：20-22.

[6]葉成彬，郭志雄，孔令棚.增強型單片機教學與人才培養方式改革探討[J].自動化技術與應用，2016，35（10）：149-152.

[7]龍順宇，楊偉，吳路光，等.新工科+PBL模式下的單片機課程項目式教學實踐[J].物聯網技術，2018，8（11）：112-113，115.

[8]劉瑋，熊永華，王廣君.新工科背景下工科課程高階學習教學模式探討與實踐[J].高等工程教育研究，2021，3：163-168.

[9]吳葉蘭，謝宇忻，羅楊，等.新工科背景下單片機課程設計教學改革探索與實踐[J].計算機教育，2022（6）：149-152.

[10]李佳佳，賀偉，劉曉芳，等.新工科背景下單片機課程教學的研究與探索[J].教育現代化，2019，6（24）：86-87.