新工科背景下單片機原理及應用課程教學改革探析

摘" 要：分析單片機原理及應用課程教學改革存在的問題，旨在進行新工科背景下基于MATLAB的單片機原理及應用課程教學改革與實踐，通過研究MATLAB與單片機原理及應用課程相結合的人才培養(yǎng)方案，從教學內(nèi)容體系、教學結構、教學模式、考核機制等方面探討課程教學的新變化，實施具有新體系、新結構、新模式、新考核機制的教學，培養(yǎng)知識能力與產(chǎn)業(yè)需求相匹配的人才。以期培養(yǎng)適應面向工程實踐的應用型創(chuàng)新人才。

關鍵詞：新工科；MATLAB；單片機原理及應用；教學改革

文章編號：1671-489X（2025）02-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.02.0

0" 引言

高素質人才是推動國家工業(yè)變革和實施發(fā)展戰(zhàn)略的保障因素。與傳統(tǒng)工科專業(yè)相比，新工科專業(yè)注重培養(yǎng)既有專業(yè)技能又有創(chuàng)新能力的人才，在新工科建設中，課程教學需要有新體系、新結構、新模式、新考核機制。電氣類工科專業(yè)單片機原理及應用課程為電氣學科提供控制理論基礎和工程實踐平臺，基于MATLAB的課程教學和實踐改革對學生學習及發(fā)展具有積極的影響。在新工科建設背景下，應當深入分析基于MATLAB的單片機原理及應用課程教學中存在的問題，充實課程內(nèi)容、改革教學方式，以培養(yǎng)學生的思維能力和設計能力，使其能真正將知識應用到工程中。

1" 基于MATLAB的單片機原理及應用課程教

學研究現(xiàn)狀

目前，電氣類專業(yè)單片機原理及應用課程與行業(yè)脫節(jié)嚴重，在知識、創(chuàng)新、綜合素質培養(yǎng)等方面多多少少都存在問題，無法達到人才培養(yǎng)目標。主要有以下幾個方面的問題。

1.1" 教學模式不完善

教學理念陳舊，教學方式單一，評價標準不合理，以及教學目標不清晰，導致學生對知識的學習有所欠缺，對各個章節(jié)內(nèi)容沒有全面系統(tǒng)的認識。單片機原理及應用與其他課程相比，知識點繁雜，不易理解，學生自主學習性差[1]。教學模式主要存在問題如下。

1.1.1" 實踐與理論脫節(jié)

實踐內(nèi)容還停留在LED閃爍、流水燈、數(shù)碼管顯示等基礎實驗，而對于如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，并不能很好地將單片機應用到實際系統(tǒng)中，在教學上不能很好地將理論與實踐相結合。

1.1.2" 教學方法單一

缺少項目驅動式教學，學生孤立地理解知識點，如單片機的中斷系統(tǒng)、串口通信等知識，很難將知識點在電子產(chǎn)品系統(tǒng)中協(xié)同應用，降低了學習的積極性和主動性。

1.1.3" 個性化教學不足

學生的基礎知識和學習能力存在差異，但個性化教學不足。如在教學單片機C51語言編程時，沒有針對不同層次的學生提供不同難度的編程任務，不能滿足不同學生的學習需求。

1.2" 學科與行業(yè)融合的深度不夠

目前開設的單片機原理及應用課程采用滿堂灌、填鴨式教學等方法，存在重理論、輕實踐，課程知識與行業(yè)關聯(lián)不緊密、與實際應用脫節(jié)等問題，學生缺少對MATLAB與單片機原理及應用課程關系的認識，程序設計、電路設計能力不足。同時，存在課程實踐內(nèi)容難度小、缺乏挑戰(zhàn)性，不利于解決復雜問題，降低了學生對本課程的學習興趣[2]。

1.2.1" 與電子電路設計行業(yè)融合不足

在教學過程中，硬件協(xié)同設計欠缺，學生雖然學習了單片機的基本硬件結構，但是對于如何與其他復雜的電子元件進行協(xié)同設計思考深度不夠，如單片機數(shù)據(jù)處理與前端電路高精度放大器、濾波器等的配合。PCB布局布線知識薄弱，在設計單片機系統(tǒng)PCB時，學生不知道如何處理布線，如何合理安排電源和地平面等。

1.2.2" 與自動化控制行業(yè)融合淺

教學中僅僅簡單介紹了一些控制算法的基本概念，沒有深入講解如何將這些控制算法在單片機上進行實現(xiàn)和優(yōu)化。例如，對單片機溫度控制系統(tǒng)，學生不清楚如何根據(jù)實際的溫度傳感器特性、加熱或制冷設備的動態(tài)特性來調整PID參數(shù)，以實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的溫度控制。

1.3" 缺乏實踐平臺

受資金、實踐平臺條件不足等因素制約，學生缺乏對MATLAB軟件和仿真平臺的了解，學習過于重視書本，只記住理論知識而缺乏實踐，導致眼高手低、動手能力弱。

1.4" 思政體系不健全

傳統(tǒng)的單片機原理及應用課程缺乏與團隊合作、項目經(jīng)驗相關的講解，課程內(nèi)容中缺乏思政元素的融入。只有考勤、作業(yè)與期末考試的評價，指標過于單一，難以將專業(yè)理論知識傳授與德育相融合，培養(yǎng)學生的思政素養(yǎng)和綜合素質迫在眉睫。

因此，建立新體系、新結構、新模式、新考核機制是基于MATLAB的單片機原理及應用課程改革的目標，也是未來教學改革與實踐的趨勢[3]。

2" 具體改革內(nèi)容、改革目標和擬解決的關鍵

問題

2.1" 改革內(nèi)容

2.1.1" 進行新工科背景下基于MATLAB的單片機原理及應用教學改革

根據(jù)MATLAB與單片機原理及應用課程特點，從教學體系、導向、方法等方面入手，在授課過程將理論與實踐相結合，培養(yǎng)復合型、創(chuàng)新型高素質人才。建設MATLAB與單片機原理及應用課程相結合的知識庫資源，使得MATLAB與單片機原理及應用的理論知識不再脫節(jié)；因材施教，以行業(yè)需求為導向，激發(fā)學生的學習積極性。同時，以技能為出發(fā)點，完善理論與實踐新體系，通過改革，健全和完善新工科電氣類課程培養(yǎng)方案[4]。具體改革內(nèi)容如圖1所示。

2.1.2" “雙目標三階段”教學模式

單片機原理及應用課程是理實一體化課程，根據(jù)其課程性質，宜采取“雙目標三階段”教學模式。所謂“雙目標”，是指思政育人目標和專業(yè)學習目標，在教學過程中采用線上和線下相結合的形式，融價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)為一體。所謂“三階段”，即課前、課中、課后階段，教師應充分利用課堂教學主渠道，助力學生德智體美勞全面發(fā)展。

2.1.3" 立足“兩性一度”的教學過程

“兩性一度”指的是“高階性”“創(chuàng)新性”“挑戰(zhàn)度”。立足“兩性一度”，強調以學生為主體，開展課程教學改革，具體包括優(yōu)化課程目標與內(nèi)容，健全課程考核機制，以此實現(xiàn)單片機原理及應用課程更好地服務專業(yè)人才的培養(yǎng)[5]。教學過程如圖2所示。

2.2" 改革目標

本文圍繞新體系、新結構、新模式、新考核機制，探討如何將學生培養(yǎng)成適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展的應用型人才，在單片機原理及應用課程知識傳授中，達到學科與行業(yè)、企業(yè)間的同頻共振。基于MATLAB的單片機原理及應用課程改革目標包括設計教學內(nèi)容新體系和新結構、建立教學過程新模式和課程新考核機制。

2.2.1" 設計教學內(nèi)容新體系和新結構

以學生為主線，突出知識向能力的轉化，重塑基于MATLAB的單片機原理及應用課程內(nèi)容的新體系和新結構，完善教材各章節(jié)內(nèi)容及前后銜接關系，避免課程脫節(jié)。

2.2.2" 建立教學過程新模式

以培養(yǎng)應用型人才為目標，將學科與產(chǎn)業(yè)有機融合，以工業(yè)需求為導向，規(guī)劃對學生能力的培養(yǎng)，夯實技能基礎。采用學科+課程+應用的方式，優(yōu)化教學資源，兼顧單片機控制方向交叉性，將產(chǎn)業(yè)與實踐培養(yǎng)融入課程體系，構建教學過程新模式[6]。

2.2.3" 建立課程新考核機制

基于MATLAB與單片機原理及應用課程實踐程度高的特點，重新設計考核機制。傳統(tǒng)教學以作業(yè)、出勤和實驗等方面為考核內(nèi)容，而新工科背景下在培養(yǎng)學生能力時需要進一步加大對學生專業(yè)技能水平的考核，提高學生的分析設計與應用能力。因此，設置平時表現(xiàn)（20%）、章節(jié)作業(yè)（10%）、項目（10%）和期末考試（60%）四個環(huán)節(jié)，具體關系如圖3所示。

2.3" 擬解決的關鍵問題

2.3.1" 如何設計教學內(nèi)容新體系和新結構

單一的課程內(nèi)容不能適應社會的發(fā)展，必須根據(jù)社會需求培養(yǎng)不同層次的人才，不僅要做到因材施教，而且要因需施教。因此，要以工程應用為目的，建立教學內(nèi)容新體系、新結構，以培養(yǎng)適應社會需求的高質量人才。

2.3.2" 如何建立教學過程新模式

將理論分析、電路分析、程序設計電路仿真結合起來進行教學，運用MATLAB軟件方法解決電路分析的實際程序問題，有效地將學生從盲目的軟件學習中解脫出來。

2.3.3" 如何建立課程新考核機制

對協(xié)同分析與設計能力、應用能力和合作意識進行考核，評判學生的綜合素養(yǎng)，將德育納入課程考核中。

3" 實施方案、實施措施、實施計劃

3.1" 實施方案

根據(jù)問題剖析、內(nèi)容、措施、成果、目標五個方面進行教學。分析單片機原理及應用課程教學中存在的問題，進而從教學設計、示范課情況、資源整合、師資建設、考評機制各層面剖析有關課程的主要因素，后續(xù)根據(jù)MATLAB基礎知識、專業(yè)知識、綜合知識的內(nèi)容選擇，進行業(yè)務備課，選擇相應的教學形式、教學手段并進行過程評價，從而推動單片機原理及應用課程良性發(fā)展，形成完整的課程教學實施方案[7]。具體實施方案如圖4所示。

3.2" 實施措施

3.2.1" 課程體系優(yōu)化

重新修訂教學大綱，課程內(nèi)容中大量增加程序設計、電路設計方面的知識，使學生更好地具備自主學習能力；增加電路設計和仿真軟件（MATLAB/Proteus）在單片機原理及應用課程教學中的應用，增強學生的思維能力，讓單片機課程不再枯燥乏

味；增加單片機應用最新發(fā)展方向的內(nèi)容，使學生了解單片機控制學科發(fā)展前沿與最新學科動態(tài)；與此同時，縮減單片機結構、概念等煩瑣、不易理解的教學內(nèi)容。

3.2.2" 教學模式多樣化

采用多樣化的教學模式，開展“雙目標三階段”教學，立足“兩性一度”，以提高學生的學習積極性。通過教學平臺（釘釘、學習通）上傳課件、動畫、教學視頻、作業(yè)，甚至可以發(fā)起討論交流。在課堂上充分利用手機簽到、選人、搶答、主題討論、直播等方式助力教學，了解學生的學習動態(tài)，針對不同學生做到因材施教。

3.2.3" 調整教學結構，讓學生做到知行合一

將單片機編程C語言、MATLAB軟件與單片機實際電路建模、程序設計相結合，加大實踐課程比重，通過引導+歸納+案例+仿真式+動手操作式教學，提高學生創(chuàng)新能力，實現(xiàn)知行合一的良性循環(huán)。并且鼓勵學生參加如電子設計、“互聯(lián)網(wǎng)+”等大賽，增強基于MATLAB的單片機原理及應用課程教學效果。

3.2.4" 培養(yǎng)團隊協(xié)作意識，優(yōu)化考核機制

改革原有的一卷定成績的評價模式，采用“模擬項目+真實項目平臺”的考試模式，檢驗“真學、真做”效果，由結果導向轉為過程導向考核和知識與技能雙考核。同時，在教學過程中，教師在關注知識傳授的同時注重思政元素的融入，重視對學生的德育培養(yǎng)。總之，要實現(xiàn)考核機制的多元化評價。

3.3" 實施計劃

改革實施計劃，須融合新體系、新結構、新模式、新考核機制的改革目標，將教學內(nèi)容、硬件、教案、項目仿真、教學方式、資源庫都納入進去，如圖5所示。

4" 結束語

本文開展基于MATLAB的單片機原理及應用課程教學改革，將C語言、MATLAB軟件（程序設計）、電路仿真與項目教學緊密聯(lián)系起來，依據(jù)教學內(nèi)容和改革目標，提出新體系、新結構、新模式、新考核機制的改革思路，實現(xiàn)融教學做于一體，并通過“雙目標三階段”“兩性一度”的立體化設計，融入思政元素，將專業(yè)知識學習、能力提升、思維訓練、價值塑造有機融合，致力于提升學生的應用與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)工匠精神，增強團隊意識。

5" 參考文獻

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[2] 黃瀚，楊琴，問思童.高職院校在MOOC教學模式下的“單片機原理及應用”課程的教改研究[J].科技風，2023（24）：93-95.

[3] 蘇俊維.基于創(chuàng)新式項目驅動的單片機課程教改探討[J].科技視界，2021（8）：12-13.

[4] 翁海勇，李海蕓，劉浪，等.“分散—貫穿式”農(nóng)業(yè)工程專業(yè)《C語言與單片機應用開發(fā)》課程實踐教改設計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究，2021，27（11）：50-53.

[5] 劉順財，李婷.基于單片機課程教學創(chuàng)新教改探索[J].南方農(nóng)機，2023，54（14）：192-195.

[6] 吳德廣，陳源，陳日恒.工程教育背景下STM32單片機課程教改與實踐[J].現(xiàn)代農(nóng)機，2024（1）：95-97.

[7] 郝海燕，張小青.卓越工程師背景及任務驅動的單片機課程教改[J].教育教學論壇，2020（36）：187-188.