基于成果导向的卓越专业单片机课程实践教学改革探索

杜 波，刘文洲

(长春工程学院 电气与信息工程学院，长春 130012)

引言

“卓越工程师教育培养计划”是教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》的重大改革项目，是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。“卓越计划”旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务，对促进高等教育面向社会需求培养人才，全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。

“卓越计划”具有三个特点：一是行业企业深度参与培养过程；二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才；三是强化培养学生的工程能力和创新能力。

长春工程学院电气工程及其自动化专业是国家级特色专业，同时也是国家级“卓越工程师教育培养计划”实施专业，为了“强化培养学生的工程能力和创新能力”，专业教学团队对《单片机原理及应用》等重点课程的实践教学进行了深入系统的研究，改革了教学内容与方法，优化了教学过程，有效提升了学生动手操作能力。

卓越计划试点班《单片机原理及应用》课程实践教学改革始于2013—2014学年，至今已进行了七轮，共涉及7个教学班级(5个单班和2个大班)，重点进行了团队教学、电路板教学和proteus仿真教学，在提高学生动手能力和应用能力等方面取得了明显成效。

一、准确定位课程教学目标和要求

《单片机原理及应用》课程是电气工程及其自动化专业的专业基础课，在学生培养过程中具有承上启下的关键作用。为了切实保证课程教学质量，课程教学团队从专业办学定位和人才培养目标出发，结合专业科技发展和社会需求，以突出学生学习成果为导向，根据“卓越计划”人才培养要求，重新审视、补充和完善了课程教学目标和要求。

(一)教学目标

1.系统了解和掌握单片机的原理及接口技术的知识目标；

2.通过单片机应用系统的设计和基本程序的编写并掌握基本应用方法，从而达到具有逻辑分析及解决实际问题的能力目标；

3.熟悉单片机系统在自动控制、智能仪器等方面的应用，从而达到学生在工程应用方面独立完成单片机系统任务的技能目标。

4.通过《单片机原理及应用》课程的学习，使学生熟悉和掌握单片机绘图和编程方面相关国家标准、规范，并培养学生的创新意识和严谨、协作等方面的工程素质。

(二)实践教学要求

1.了解单片机的内部结构和工作原理，能够熟练使用单片机的内部资源，利用外围部件构成单片机应用系统，实现系统功能；

2.熟练使用单片机实验系统和调试软件；

3.掌握单片机硬件设计方法；

4.掌握单片机指令系统及其应用、程序设计的方法和技巧；

5.了解控制过程中的各种人机接口技术及常用功能芯片；

6.掌握软硬件相结合的单片机控制系统综合调试方法，具备独立分析问题和解决问题的能力；

7.熟悉单片机绘图和编程方面相关国家标准、规范，培养学生严谨的工作作风，以及环保、协作、安全、经济等方面的工程意识。

二、采用学生团队设计方式教学，学练结合，以生为本

为了体现学生在学习过程中的主体地位，强化学生团队协作、求真务实和严谨工作作风等工程意识的培养，课程教学团队分别在电气1141班和电气1241班开展了学生团队设计方式的教学探索与实践。

(一)布置团队设计任务

课程教学伊始，主讲教师对全班同学进行分组，并从每组学生中选出能力较强者为组长，要求自行选择设计题目，题目选定后需经教师认可，若团队没有选题，可由教师推荐设计题目，题目确定后对团队任务进行分工，确保每位学生都参与到设计当中，要求对团队任务进行proteus仿真。

任课主讲教师要按照设计成果给每组分别赋分，同一小组成员得分一致，此部分成绩占课程总成绩的10%。

(二)任务执行过程

团队设计主要采用学生自行设计，由组长分配任务，各组学生分别进行查找资料、方案确定、电路设计、电路绘图、软件编程、软硬件调试。教师每个星期进行答疑和辅导。培养学生的工程意识和团队意识，同时为了培养自学能力和创新能力，课程进行至第三章指令系统的时候，要求学生以小组形式对部分指令进行自学和讨论，经过两个学期的实践，教学效果良好，既节约了课堂教学时间，又培养了学生的学习能力。

(三)任务验收

2013—2014学年第一学期电气1141班团队设计任务验收结果：全班共47人，按照成绩均等的原则，每组学生的实力相对平均，分为6组，每组7—8人，综合6组的团队设计成果和设计过程中的表现，给定团队设计成绩，同一小组成员得分一致。

表1 6组团队设计成绩

2014—2015学年第一学期电气1241班团队设计在分组上进行了调整，不再按照成绩均等原则分组，大家按照选题方向自愿分组，设计选题按照全组成员的设计水平设定难易程度，能力强的组分配稍难的题目，能力差的组分配较简单的题目，所以完成难度并不大，使每位学生都有能力和意愿去完成设计任务。同时增加设计组数，降低每组人数，加大每个人身上的任务量，任务更加明确了。全班共34人分为12组，每组2—3人。由于设计选题结合了成员的设计水平，因此增强了学生信心，设计效果有明显提升。

综合12组的团队设计成果和设计过程中的表现，给定团队设计成绩，同一小组成员得分一致。

表2 12组团队设计成绩

(四)教学总结

经过两个学期的团队设计的实践应用，对课程的教学效果有较大的影响。

首先，通过团队的形式布置自学指令的任务，不仅节省了课上时间，而且学生在以小组形式的自学和讨论中，不仅学会了指令，还培养了他们发现问题和解决问题的能力，达到教学目的。

其次，团队设计激发了学生的设计欲望，培养了他们的创新性和实践性以及协作能力，调动了学生的学习自主性和积极性。

最后，团队设计以小组为单位针对设计题目，进行设计，为日后的课程设计打下了良好的基础。

团队设计也有弊端，团队设计分组按照各组成绩均等的原则分组，但个别学生在团队中承担任务的能力相对较差，但却共享团队成果，虽然对电气1241班的团队设计进行了调整，将学生按照学习层次分组，按照不同层次选择不同层次的题目。即有的团队由成绩好的学生组成，选择较难的题目；有的团队成绩由不好的学生组成选择较简单的题目，充分调动学生的积极性，同时阻断他们的依赖性。成绩给定时忽略难易程度，以学生的进步和题目的进展来给成绩，弥补此项不足。

团队设计培养了学生的工程意识和协作精神，但毕竟是团组设计并不是个人战，难免有依赖性。

三、采用教师逐一示范、学生扩展练习的方式实施电路板实践教学

(一)讲、演、练有机结合实施教学

在卓越试点班《单片机原理及应用》课程的电路板实践教学中，教师突出重点知识、基础技能与能力，精选了教学内容。每一精选内容均对应有可实践操作的练习。在教学过程中，教师首先精讲知识重点，然后给学生做典型的示范练习，包括硬件电路讲解、软件编程与调试、功能示范等。学生在教师讲授与示范的基础上，提出进一步功能需求与设计构想，并通过讨论和动手操作实现功能扩展。最后由教师进行验收。

电路板教学内容、实践练习重点及教师示范和学生练习重点内容，见表3。

表3 电路板实践教学内容

(二)电路板教学效果

经过2015—2016学年第一学期电气1341、2016—2017学年第一学期电气1441、2017—2018学年第一学期电气1541三年的电路板教学，不仅使学生学会了电路板的使用，还锻炼了学生的动手实践能力和编程能力，做到了理论与实践相结合，最显著的就是课内实验的完成更加容易，课程设计这三个班级均能够完成全员仿真通过，甚至有的小组能够获得全员的优秀，取得了非常满意的教学效果，但也有弊端，由于电路板教学需要调试时间，因此需要将理论课变得更加紧凑，因此学生的课业压力较大，另外由于学生调试环节需要教师指导，因此比较适合单班执行。

四、实施proteus仿真教学，解决大班教学困境

(一)问题来源

经过三个学期的电路板教学，教学效果显著，但是由于调试环节需要教师进行指导，因此单班电路板调试效果较好。而卓越试点专业的电气16级和电气17级，学校执行了转专业政策，因此各从其他专业转来了一个单班的学生，卓越专业从一个单班变成了一个合班，一个合班的人数达到90多人，电路板调试已经不适合了，一方面学生人数过多课上教师辅导不过来，另一方面设备也是问题，一个教室同时开90多台电脑90块电路板，设备、教师监管、用电和桌椅大小都是问题，即使减半，也存在问题隐患；另外，电路板调试需要学生进行讨论，合班讨论课堂过于杂乱。这些原因都会导致教学效果大大下降。因此从2018—2019学年第一学期和2019—2020学年第一学期对电气1641、44班和电气1741、44班进行proteus仿真教学。

(二)教学设计与实施

1.内容和知识点与电路板教学基本一致；

2.课上教师在精讲理论知识的基础上，借助proteus/keil给学生做相关知识点实践练习的示范；

3.教师结合示范练习，向学生提出进一步的功能需求，作为学生课后作业，由学生自主解决和实现；

4.教师加强对学生课后练习内容的随堂辅导和网上辅导。

(三)proteus仿真教学效果

1.电路板教学虽然是培养学生动手能力的最佳方式，但是并不适合大班教学，proteus仿真教学课上以教师示范为主，学生在课下练习，不拘泥于时间和地点，形式灵活；

2.proteus仿真教学不需要电路板设备，只要有私人电脑就够了，省去了每年的设备维护；

3.proteus仿真不局限于电路板固定电路，学生可根据自己的需求进行自主设计，从而能够在练习中加入自己的设计理念，激发学生学习兴趣。

经过2018—2019学年第一学期和2019—2020学年第一学期电气1641、44班和电气1741、44班的proteus仿真教学，发现proteus仿真教学虽不如电路板教学效果显著，但对于大班实践教学是一种比较好的形式，值得借鉴和推广。

五、结束语

历经7个学期7个教学班的实践教学，2个班级的团队设计、3个班级的电路板教学和2个大班的proteus仿真教学，取得了一些经验。

团队设计能够锻炼学生的团队意识和协作能力，但存在一些弊端，无法避免有个别学生偷懒却共享设计成果，不能更好地锻炼每一个学生。

电路板教学以个体为中心，在有限的课堂教学中最大限度地对学生进行实践动手能力培养，面对实物教学，学生的学习兴趣被激发，动手能力得到提高，由于电路板调试任务量大，学生调试和教师辅导的工作量都很大，但通过实际电路板调试，学生及时将课堂知识转化为动手能力，单班教学效果很好。

proteus仿真教学是针对于合班人数较多的教学方式，一个合班人数可达到90多人，考虑到教师辅导工作量过大，另外电路板调试课堂的讨论和答疑环节会造成教学秩序过于杂乱，因此采用proteus仿真的形式进行实践教学，教学内容和电路板教学基本相同，但不进行课堂调试，只做演示，学生练习改为课下，辅导形式采用课堂答疑和课下网上答疑，取得的教学效果较好，能够在课堂上将工程意识带给学生，培养学生设计调试单片机控制系统的能力。

团队设计历时2个教学单班，电路板教学历时3个教学单班，proteus仿真教学历时2个教学大班，三种实践教学形式比较发现，电路板教学是最为有效的实践教学形式，但适合授课人数较少的场合，需要课堂教学紧凑连贯，相对传统教学课堂教学内容较多，教学效果最好。基于人数、设备、教学秩序的考虑，proteus仿真教学是对电路板教学的一种替代，适合教学人数较多的场合，教学效果较好。团队设计能够锻炼学生的团队意识和协作能力，但不适合在理论课堂引入，可以考虑在课设环节尝试。