基于職業院校教學能力比賽的單片機技術課程教學設計與實施

作為2023年廣東省職業院校技能大賽教學能力比賽一等獎作品，學校“LED數字時鐘安裝與編程控制” 以LED數字時鐘為載體，學生分步學習安裝與編程控制相關知識，逐步完成LED數字時鐘整體功能。該項目以培養懂原理、會編程、有科技夢想的時代青年為教育主線，借助國家智慧教育、超星等平臺，開發新型活頁式教材對接行業標準，以學生為中心，采用“三學七步雙循環”線上線下混合式教學模式，有機融入思政元素，運用自主研發軟件、可視化評價系統，開展理實一體化教學。

一、教學整體設計

（一）崗課賽證融通，重構教學內容

基于C語言程序調試員等崗位能力需求，緊扣電子技術應用專業人才培養目標，依據單片機技術課程標準，對標電子產品設計與應用技能賽項，結合1+X單片機應用與開發考證要求，對接行業新方法（研發仿真軟件）、新技術（人工智能技術AI編程）、新工藝（3D打印時鐘外殼）的使用，以及新標準（電子產品新版國家標準GD4943.1-2022）的落實，重構教學內容，將單片機技術課程重構為四個模塊共十個項目，作品教學內容選取項目三，共八個任務。

（二）多方數據收集，精準分析學情

授課對象是電子技術應用專業21級學生，通過問卷星、UMU等平臺收集數據了解學生學情。

知識和技能基礎：通過前期學習，77%的學生較好掌握了模擬、數字電路基礎知識；91%的學生了解單片機最小系統工作原理及C語言程序簡單結構；70%的學生能掌握基本專業技能。

認知和實踐能力：72%的學生能獨立獲取、簡單處理相關信息；但43%的學生缺少獨立解決實際問題的綜合能力。

學習特點：100%的學生對智能化電子產品感興趣，思維活躍，喜歡借助信息化手段學習，但50%的學生安全規范、勞動意識、創新意識等與行業要求有差距；46%的學生理論學習的自信心不足。

（三）依目標定重點，據學情定難點

根據電子技術應用專業人才培養方案和單片機技術課程標準，以立德樹人為根本任務，以培養學生良好職業素養為導向，結合行業標準，確定教學目標；基于教學目標和學情分析數據，確定重難點并制定教學策略。

1.知識目標

理解51單片機C語言語句結構、控制原理及參數設置；熟悉LED數字時鐘八個任務功能的編程流程。

2.能力目標

能正確規范安裝LED數字時鐘電路；能熟練調用、編寫程序，實現LED數字時鐘相應功能；能正確分析問題，解決編程調試的實際問題。

3.素質目標

通過安全規范操作，學生養成良好的職業素養；通過利用人工智能等信息技術，學生形成良好的數字素養和持續學習、自我提升的習慣；通過嚴謹細致的編程、科技創新制作等，學生具有精益求精的工匠精神，樹立科技興國的夢想。基于教學目標、結合實際學情，確立“LED數字時鐘安裝與編程控制”項目的教學重點和難點。

4.教學重點

正確安裝LED數字時鐘電路（采用高清投屏、交互3D動畫等手段操作演示），編寫單片機C語言程序并調試電路（自研軟件、AI編程助手、調用模塊程序等教學）。

5.教學難點

理解程序代碼的組成、程序執行的流程（自研軟件演示代碼來源、程序執行流程），編寫最優化程序及解決實際問題（開發仿真軟件，圖形模塊化編程輔助教學）。

（四）以學生為中心，制定教學策略

1.教學理念

以學生為中心，堅持立德樹人，采用“三學七步雙循環”線上線下混合式教學模式和任務驅動教學法，在“做中學，做中教”，開展理實一體化教學。在教學過程中，以“思政一主線，育人四融合”的形式進行思政教育。

2.教學方法

教法：以任務驅動教學法為主，結合情境教學法等開展任務式教學。

學法：以自主學習法、合作探究法為主，開展課前課后自主學習和課中合作學習。

3.教學資源與手段

平臺資源：利用智慧職教、學習強國等平臺的優質教學資源拓展知識面；借助超星、問卷星、實時可視化系統等平臺輔助教學，并收集學情與評價數據、呈現可視化圖表輔助教學。

信息化手段：自主開發運用九款軟件（仿真萬用表、交互3D動畫、在線測試軟件等）、人工智能（國產AI編程助手、AI思維導圖等）、全息技術、VR虛擬現實、圖形化編程等信息化手段，突出教學重點，解決教學難點。

拓展資源：深度挖掘校外資源，與企業合作，邀請企業導師參與教學，設立企業獎學金（學科技能競賽獎、科技創新比賽獎），通過開展社群志愿服務等拓展教學資源。

（五）關注育人成效，開展綜合評價

為檢驗學生學習效果和育人成效，通過課前、課中和課后三個階段，采用師評、互評、自評、企業導師評等多主體、多維度的評價方式，進行診斷性、過程性、總結性、發展性綜合評價；運用實時可視化系統直觀呈現評價數據圖表，為增值評價提供數據依據和支撐。

二、教學實施過程

（一）任務驅動承載科技夢，開展理實一體化教學

“LED數字時鐘安裝與編程控制”項目共16學時，分解為八個能力遞進的子任務，每個子任務包括電路安裝和編程調試，采用“三學七步雙循環”線上線下混合式教學模式開展教學。

以培育青年科技夢想為思政主線，將安全規范、創新意識、科學精神、愛國情懷、責任擔當等思政元素有機融入教學環境、教學環節、教學內容和課外活動。

三學：課前導學、課中教學和課后促學。

七步：課中教學包括七個教學環節，分別為析任務、識元件、裝電路、檢電路、編程序、調電路、評效果。

雙循環：安裝電路與檢查電路循環、編寫程序與調試電路循環。

通過研發仿真軟件以及各種信息化手段，突出教學重點，解決教學難點，理實一體化教學，逐步完成八個子任務，最終實現LED數字時鐘項目的整體制作。

（二）編程七步雙循環，呈現典型活動過程

1.課前導學，任務預習

以任務二——LED燈電路安裝編程調試為例，通過超星平臺發布LED燈安裝與編程調試任務，借助智慧職教等平臺，讓學生自主預習LED燈安裝規程、控制原理等，并完成課前任務與測試，根據課前數據分析，確定教學難點及制定教學策略。

2.課中教學，突重破難

根據“七步雙循環”教學環節實施課中教學，具體包括以下幾部分。

析任務：創設情境導入安裝LED燈以及編程任務，通過分組討論分析任務，制定任務實施方案及步驟，培養學生在整體實施任務前做好規劃準備的工程思維。

識元件：識別LED燈的質量、引腳極性判別等，為安裝電路做準備；利用AR元器件模型技術、仿真萬用表等介紹元器件的結構及識別要求，培養學生質量意識。

裝電路：按照行業標準以及考證要求安裝LED燈電路；利用交互3D動畫、AR元器件模型技術、高清投屏等信息化手段示范操作，講解安裝規范，培養學生規范意識和職業標準意識，突出教學重點。

檢電路：對電路進行工藝檢查及功能測試。通過微課、仿真萬用表、高清投屏等手段對電路故障進行檢測與排查，突破教學難點。

編程序：調用例程或編寫程序。利用VR設備線上云游參觀科技館展覽，引入國產單片機芯片實現LED燈流水效果任務；利用仿真軟件、交互3D動畫、圖形化編程、人工智能AI編程突破編程教學難點，培養學生嚴謹細致的學習態度。

調電路：將程序下載到單片機調試LED燈流水效果。利用仿真軟件、虛實結合萬用表、高清投屏等手段，展示電路調試過程，突出教學重點，培養學生安全意識、科學精神。

評效果：展示電路功能效果并評價，通過實時可視化系統呈現可視化評價圖表，反饋教學效果。

3.課后促學，任務拓展

課后拓展任務，包括課后作業、興趣小組、技能培訓、參加社區志愿服務、科技制作與專業技能競賽等活動，讓學生鞏固專業知識、拓展專業技能與提升綜合素質。

（三）實時可視化評價系統，多元多維綜合評價

將課前導學評價數據、課中多元化主體評價數據、課后拓展任務完成情況數據導入可視化系統，自動生成能體現班級、小組、個人多維度的可視化評價圖表，直觀精準分析和評價學生的學習效果；通過課內課外評價，檢驗教學目標達成情況，同時呈現學生評價的增值過程。

三、學生學習效果

（一）自研軟件突重破難，高效達成教學目標

通過開展理實一體化教學，自研輔助教學軟件，突出教學重點，突破教學難點；利用自主研發軟件（在線測試軟件）進行知識測驗，數據顯示全部學生達到了項目所要求的知識水平。

3D動畫等軟件輔助電路安裝，LED燈仿真軟件等輔助編程調試，全部學生順利完成LED數字時鐘電路制作，并根據評價數據，學生達到了本項目的技能要求。

德技并修，課堂教學融入思政元素，可視化系統圖表反映學生的行業標準意識、安全意識、規范意識、勞動意識和工程思維等得到強化，學生素質得到明顯提高。

（二）合作企業認可作品，實現作品轉化產品

學生實訓作品具備產品的工藝與功能要求，通過拓展作品功能，對接電子產品新版國家標準（GB 4943.1-2022），增加了具有電路保護功能的可充電鋰電池供電，設計并利用3D打印制作出多款外殼，作品得到合作企業的高度評價與認可。

（三）課內課外有效銜接，提升學生綜合素質

課內學知識、練技能、強意識；課外鞏固知識、拓展技能、提升素質。學生積極參加各類實踐活動，對學科技能競賽榮獲企業獎學金、職業院校技能大賽電子產品設計與應用技能大賽獲獎起到積極作用。通過課內課外有效銜接，學校、企業和社會等多方協同合作，達到全員、全方位、全過程育人，學生綜合素質明顯提升。

四、反思及改進措施

（一）特色與創新

1.育人四融合，共筑青年科技夢想

以育時代青年、筑科技夢想為思政主線，將思政元素有機融入教學環境、教學環節、教學內容和課外活動中。學生對科技制作興趣高漲，通過課外科技作品創作，參加省市級青少年科技創新比賽獲獎，助力青少年愛國立志，共筑青少年科技夢想。

2.工作室引領，推進“三教”改革

校企合作平臺共同開發實訓項目，開發輔助教學軟件，賦能教師，提高團隊教師專業水平；校企合作共同開發了配套的新型活頁式教材；融合信息技術，利用人工智能AI編程改變教學方式，推動課堂革命，助力高效課堂教學。

3.數字化改造，提升師生數字素養

教師根據教學需要研發九款輔助教學軟件，并向國家版權局申請了軟件著作權，教師研發能力得到提升，改變傳統教學方式，實現數字化升級改造，有效突出重點突破難點，提高師生對數字資源的獲取、制作、使用等數字素養能力。

4.可視化評價，改進評價呈現方式

針對常規評價數據不夠直觀，教師自主設計搭建實時可視化評價系統界面，將數據及時導入可視化評價系統，打破各平臺數據壁壘，服務個性化教學需求；通過改進評價呈現方式，提高評價數據的直觀性，提高教學效率。

（二）不足與改進措施

1.不足

個別學生因數學基礎與抽象思維存在差異，在語言的學習和編程思路設計方面存在一定難度；從教學設計到教學實施過程，如何將教育理論更好地落實到教學實踐中，還有待進一步加強。

2.改進措施

在以后的教學中，教師應課前準備相關資料讓學習有困難的學生提前自學，課中重點指導并分層教學，課后加強基礎知識的學習和抽象思維的訓練；教師應不斷加強理論學習，同時向有經驗的名教師學習并積極參加各類比賽，不斷提高實踐能力。

五、結束語

以“LED數字時鐘安裝與編程控制”作品為例的教學設計，以項目為載體，在教學過程中運用多種豐富的信息化手段突破重難點，可以有效解決學生理解難的問題，同時激發學生對單片機編程學習的興趣。以LED數字時鐘制作為例，采用“三學七步雙循環”線上線下混合式教學模式開展教學，逐層遞進，從任務一到任務八，逐步實現LED數字時鐘的整體功能，學生掌握專業技能，成長為社會需要的技術技能型人才。

責任編輯 陳春陽