应用型本科单片机一流课程建设改革与实践

曹丽娟 周杨景 连元宏 胥建鹏 赵柏树

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞 523419）

2019 年10 月，中华人民共和国教育部发布了《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），提出要建设适应新时代要求的一流本科课程，让课程优起来、教师强起来、学生忙起来、管理严起来、效果实起来，形成中国特色、世界水平的一流本科课程体系，构建更高水平的人才培养体系。全面开展一流本科课程建设，树立课程建设新理念，推进课程改革创新，实施科学课程评价，严格课程管理，立起教授上课、消灭“水课”、取消“清考”等硬规矩，夯实基层教学组织，提高教师教学能力，完善以质量为导向的课程建设激励机制，形成多类型、多样化的教学内容与课程体系。经过三年左右的时间，建成万门左右国家级和万门左右省级一流本科课程（简称一流本科课程“双万计划”）。在这样一个“双万计划”的大背景下，我校单片机原理及应用课程也积极开展了相关的课程改革与实践，为一流课程建设做好了准备。

一、单片机原理及应用课程建设改革与实践的相关基础

单片机原理及应用课程建设的改革依赖于“教研项目、师资力量、服务对象”三大基础。首先，本课程的建设目标明确，建设思路清晰，紧密结合课程相关的教研项目展开课程建设改革。如：该课程在2016年获得校级质量工程项目的“重点课程”立项、2019 年获得校级“教学改革”项目立项和广东省的质量工程项目“在线开放课程”的立项、2020 年获得广东省的教学改革项目立项以及广东省疫情阶段在线教学优秀案例二等奖。课程前期建设的良好基础，为课程的后续建设做好了一定的铺垫。

同时，本课程建设团队师资力量雄厚，既有经验丰富、视野开阔的高级工程师，又有基础扎实、认真负责的中青年讲师。5位课程建设教师中，2位为双师型教师，3位分别是省级、市级、校级的优秀教师，常年从事该门课程的一线教学。其中，课程建设负责人先后获得过“校级”讲课比赛第一名、“广东省第四届青年教师教学比赛”三等奖、“广东省疫情阶段在线教学优秀案例”二等奖，课程建设负责人将该课程的理论知识予以实践化，积极指导学生参加各类电子设计大赛，有着丰富的教学和实践项目经验。课程团队成员多年成功的授课经验和教研成果，也为课程的建设提供了有力保障。

本课程建设的服务对象多，覆盖面广。我校开设该课程的专业有：电子信息工程、物联网工程、建筑电气智能化、机械电子工程以及机械设计制造及其自动化以及机器人工程六大专业，参与学习的学生非常多，可见，该门课程建设改革非常重要。

二、单片机原理及应用课程建设改革与实践的具体实施

在分析该课程建设改革基础条件的前提下，本文分别从教学理念的升级、课程思政的融入、教学内容的创新、教学模式的优化、教学方法及考核评价的多元这六个方面展开，详细阐述该课程建设改革的具体措施。

（一）课程的教学理念层面

为实现将传统“以教师为中心的教与学”转变为“以学生为中心的学与教”，激发学生的学习兴趣，引导学生自主学习，切实提高学生的学习效果，本课程引入基于CDIO（构思、设计、实现和运行）的教学理念，以现实生活中实用的电子产品或学生的优秀作品为载体，让学生通过作品的构思、作品的设计、作品的实现、作品的运行过程，具备一定的软硬件设计与制作能力，包括积极主动地学习知识的精神，具有可持续发展的终身学习能力、创新能力，以及团队沟通交流能力，激发学生的创新意识，进而培养学生的自主创新能力。

（二）课程的思政层面

本课程多角度地融入课程思政元素，将课堂与思政相结合，将德育与智育相结合，赋予课程思政的时代广度与厚度，实现“全员、全过程、全方位”的三全育人。

“全员”体现在教师和学生两个方面：作为课程思政的传播者，教师本人首先要做到德业“双馨”，充分发挥教师的示范性和榜样作用，例如时间观念、着装、言行举止、人生态度等。作为课程思政的接受者，学生应积极利用课程所学，提高正确认识问题、分析问题和解决问题的能力；形成探索未知、敢于挑战的责任感和使命感；养成精益求精的大国工匠精神和科技报国的家国情怀。

“全过程”体现在从“新知导入”，到“新知讲解”，再到“归纳总结”，整个教学过程都有思政的有效融入。具体而言，可通过以“现实生活中实用的电子产品或优秀的学生作品”作为“新知导入”的载体，激发学生产生“学有所用”的共鸣，提高学习的兴趣。在课程的“新知讲解”部分，所有内容都是按照“原理、应用、实操”的模式展开的，而在多个实验、实践、实操环节中，实现“学中做，做中学”的同时，引导学生主动用实践检验理论知识，锻炼理论联系实践的思维方式。在课程的“总结”部分，可引入“脑图”工具，制作思维导图，串起课程内容的知识脉络，引导学生理解课程内容的全貌和内容之间的联系，进而培养学生综合分析、总结的能力。以电子时钟为例，其涉及课程第4、5、6 章节的内容，分成“制作（一）、（二）、（三）”3 个层次，依次递进，引导学生亲身经历和体验“一个功能完整的作品”实现的分解步骤和全过程，在锻炼学生分析问题、解决问题能力的同时，培养学生的探究精神，启发学生敢于挑战、勇攀科学高峰的责任感和使命感。

“全方位”则体现在本课程的9大章节都有思政元素的有效融入，达到课程育人的目标。如：通过第1 章“单片机及单片机技术的发展概述”，结合“中美贸易战的本质是技术战”的背景，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，产生“努力学好专业课，为祖国贡献一份力”的共鸣。通过第4 章“单片机IO 口控制”中“逐层递进”的教学方法，以及“一题多解”的思路剖析，类比引导学生思考生活中分析问题、解决问题的思路与方法，激发学生的创新思维和开放思维。通过第6章“单片机定时/计数器应用——制作电子琴”，播放或弹奏《我爱我的祖国》或《祝你平安》等曲目，在增加项目趣味性，提高学生参与度和积极性的同时，一定程度上激发了学生的爱国情怀，让学生在掌握专业知识的同时，提高思想政治素养。通过第7章“单片机串行通信的概述”，拓展到“我国的5G 领先技术”，激发学生强烈的民族自豪感和爱国主义情怀，提升学生学习的动力。通过第9 章“单片机应用系统设计与开发”，渗透精益求精的大国工匠精神和职业道德。

（三）课程的教学内容层面

本课程在充分考虑授课对象的学情和应用型本科人才培养需求的同时，将多个课程进行融合，实现课程讲授内容的重构；依托“以赛促教，以赛促学”，创新课程的实践教学内容；通过多平台（虚拟仿真软件、实验箱、开发板）协同，创新实践教学媒介；同时，以“研”促教，丰富课程学习资源。

具体而言，首先，我校结合应用型本科人才的培养目标及学生的基础素质，将微机原理与接口技术和单片机原理与应用两门课程有机融合，从微型计算机的基本知识和概念、基本原理和基本分析方法入手，引入目前使用最广泛的51系列单片机，选取AT89S51型号单片机作为典型对象展开教学；通过本门课程的学习，使学生熟悉单片机的组成和工作原理，具备一般单片机系统的设计开发、分析和应用能力，为学生触类旁通，进一步了解掌握其他各种类型单片机的应用及学习后续的嵌入式课程奠定坚实的理论基础。

其次，针对该门课程实践应用性强的特点，将课程负责人和团队成员多年指导的省级国家级大学生电子设计竞赛、大学生创新创业训练项目、大学生“挑战杯”等作品融入实际教学中，丰富和充实课程的实践教学内容。后期再开设单片机系统设计与制作、电子综合设计与制作等课程，进一步加强实际应用，有效培养学生的实际动手能力。

在实践内容部分的教学中，除了采用传统的硬件实验箱、开发板，还增加了虚拟仿真软件的使用，程序运行于虚拟的MCU 上，使软件调试不再依赖于实物硬件电路，仿真结果达到系统预期效果后，再进行硬件实物制作，这样既达到了实验效果，又经济方便。而且虚拟仿真软件的使用，有效解决了物理空间和时间（如实验室开放时间）的限制问题，为学生课下灵活学习提供了可能。

当然，课程负责人主持的省级质量工程项目——在线开放课程建设，实现了该门课程线下教学经验和成果的共享，同时，这也将成为线下课堂教学的重要辅助，在线开放课程中的一系列“微课”小视频为学生提供了碎片化学习机会，是学生课前预习、课后复习的首选资源，有利于应用型本科学生发现问题、分析问题、解决问题能力的培养。

（四）课程教学模式层面

本课程核心知识点统一采用“原理+应用+实操”模式，实现“以学生为中心”的“学中做、做中学”，能力培养优先，边学习边实践，注重学思结合，鼓励创新应用，不断引导学生主动用实践检验理论知识，锻炼理论联系实践的思维方式。其中，“应用”部分采用“虚实结合”模式，利用“单片机虚拟仿真软件”实现“理论可视化”教学，增强对学生视觉的冲击力。而且虚拟仿真软件的使用，有效解决了物理空间和时间（如实验室开放时间）的限制问题，为学生课下灵活学习提供了可能。“实操”部分，采用“行动导向的项目/任务驱动”模式，在教师的指导下，实现学生的参与式、实践式教学。教学过程不再是间接的知识传授、灌输和记忆，而是以观察、总结、综合为手段，最后落实到课本知识体系中。学生不再只是被动接受知识，而是与教师互动，主动建构自身的知识和能力，学生成为主角，摆脱了传统教学中的被动性和依赖性。因为学生看到自己亲手完成的项目成果，对课程内容产生了兴趣，增强了自信，提升了能力，学会了知识，锻炼了技能。

同时，整个课程以“IO口内容”作为核心章节及应用基础，形成该课程教学内容的核心载体，在帮助学生对单片机基本概念做到融会贯通的同时，也为学生学习后续章节——单片机的中断、定时/计数器、串口的应用编程做了铺垫，逐层递进，从而优化和托起整个教学过程。

（五）课程教学方法及手段层面

基于“以学生为中心”的教育理念，在“充分考虑学生的学情、需求和应用型本科人才培养的目标”的大前提下，本课程教师灵活应用多种教学方法，如项目任务驱动、师生互动启发、问题引导发现、分组讨论、重点讲授、实操演示、虚实结合、理论可视化、类比总结、举一反三、一问多解等。同时，整个教学过程，既体现“BOPPPS有效教学法”的应用，又注重现代信息化教学手段（“91速课”“雨课堂”“超星学习通”“问卷星”“脑图”）的有效融入。

BOPPPS 有效教学法包含六大教学结构，分别是导言（Bridge-in）、学 习 目标（Objective/Outcome）、前测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、后测（Post-assessment）和总结（Summary）。“BOPPPS 有效教学法”在本课程中的应用体现在：在“导言（Bridgein）”环节，精挑新知导入的素材，如以“往届学生制作出的与该课程相关的优秀作品和实际生活中常见的电子产品”作为载体，以图片、简短小视频等形式，采用“提问、启发发现、小组讨论发言”等方法，激发学生学习的兴趣，引出学习主题和学习目标（Objective/Outcome）。而“新知讲解”环节中的“理论原理”部分，多采用“重点讲授、师生互动启发”等方法；“应用”部分，多采用“类比法、举一反三法、一问多解法、小组讨论发言法、理论可视化等教学方法。其中，本课程的“理论可视化”教学是借助虚拟仿真软件，增强对学生的视觉冲击力，激发学生的学习兴趣。在“实操”环节，多采用项目/任务驱动法、实操演示法、分组讨论法，实现师生、生生互动的参与式学习（Participatory Learning）。前测（Pre-assessment）和后测（Post-assessment）通常借助于现代信息化教学手段（“企业微信”的“填表”功能或者“问卷星”）来展开。总结（Summary）则是通过“脑图”工具，生成思维导图，串起课程内容的知识脉络，引导学生理解课程内容的全貌和之间的联系，进而培养学生综合分析、总结的能力。

与此同时，无论是在本课程的课前、课中还是课后，都有现代信息化教学手段的使用。如：课前，利用“91速课”，发布预习公告、任务要求及素材等；课中，利用“雨课堂”实现课堂互动（提问应答、匿名表决等），利用“超星学习通”实现分组讨论、随堂测验等；课后，利用“91速课”“超星学习通”发布作业和讨论等。而且“企业微信”的“填表”功能和“问卷星”小程序的使用，为及时调查统计学生的兴趣、先备知识以及学生的学习情况提供了可能。

（六）课程考核评价层面

在紧密围绕“课程目标达成情况”的大前提下，本课程采用多元化的考核评价方式，实现由传统的“结果导向”向“过程与结果并重”转变，即用5∶5替换原来的3∶7。也就是说，课程综合成绩评定分为：平时成绩20% +作业成绩15%+实验成绩15%+期末成绩50%。其中，本课程的考核评价与“课程目标达成情况”的有效结合，表现如下。

1.平时成绩与学生的“素质、能力”目标培养相结合

平时成绩包括“考勤”和“课堂表现”两个方面，二者的比例是3∶7。考勤方面：以本学期为例，利用“企业微信”平台中自带的“消息读取标识”功能和“超星一平三端”平台上的“签到”功能，实现了由“传统单一的教务系统考勤”到“多途径”的考勤方式的转变，这能有效督促学生形成良好的纪律意识和严格的时间观念。课堂表现方面：引入“课堂活跃度”作为平时成绩的组成部分之一，借助现代信息化教学手段（“91速课”“雨课堂”“学习通”等），有效开展各项课堂活动（主题讨论、随堂测验等），并实时记录学生的课堂表现，可以很好地激励和挖掘学生的自我表现能力和语言表达能力等；同时，这对培养学生创新思维、积极思考的习惯，以及构建“你追我赶”的良好学风都是很有帮助的。整体而言，学生也对这个“课堂互动加分环节”的设置比较满意。

2.作业成绩与学生的“知识、能力”目标培养相结合

根据不同章节的教学侧重点不同，与之对应的各章节的作业形式也就呈现多样化，如第2章考查学生“基本概念、原理”相关知识点的客观题、第3章考查学生“熟练使用proteus、keil软件”的实操题、第4到第9章考查学生“将基本理论原理，予以软硬件设计应用”的编程题，以及第1 章考查学生“查阅资料，归纳总结能力”的综述报告。通过设置不同题型的作业，实现对“学生的知识、能力目标的达成情况”的有效监测。

3.实验成绩与学生的“知识、能力、素质”三大目标培养相结合

考虑到本课程实践性强的特点，课程实验成绩的融入必不可少。因为实验的本质目的是帮助学生对理论知识掌握情况进行查漏补缺，引导学生将理论知识予以实践，产生学以致用的共鸣，在锻炼学生软硬件综合设计能力的同时，培养学生的创新思维、独立思考以及团队合作沟通交流能力，所以，本课程实验成绩分为“实验完成成绩和实验报告成绩”两个维度，二者比例是7∶3。其中，实验完成成绩主要包括“实验完成内容量和完成的质”。因为在本课程每次实验内容的设置上，是有明显难易梯度的，从“基本的功能验证”到“部分的程序修改和完整的程序设计”等，以满足不同层次学生的需求，所以，实验完成的“量”和“质”都要考虑。同时，规范合理的实验报告撰写，有利于培养学生的文档构思设计、文字图片处理等基本能力。可见，实验报告成绩的融入，也能锻炼学生的相应能力。

三、单片机原理及应用课程建设改革与实践的成效

课程建设是服务于学生的，建设的成效自然也得由学生来评判。无论是学校教务系统上的学生评教结果，还是“问卷星”小程序中不记名的调查结果都表明，学生对该课程的教学满意度较高。其中，在对课程教学效果的总体评价中，73.81%的学生给了满分5 分，19.05%的学生给了4 分，7.14%的学生给了3 分。同时，学生对该门课程所学知识的认可度也很高。96.08%的学生认为该课程的教学内容实用，能产生“学有所用”的共鸣。而且，学生结合课程所学，学科竞赛参与度也较高，每年都有学生获得省级以上的奖项。

四、小结

本文分析了单片机原理及应用课程建设的基础条件，从教学理念的升级、课程思政的融入、教学内容的创新、教学模式的优化、教学方法及考核评价的多元等六个角度详细阐述了课程建设改革的具体措施。以上改革举措的有效实施，促使该课程建设改革取得了一定成效。当然，一流课程的建设任重道远，如何将该课程打造成应用型本科院校中典型的“金课”代表，是一个需要继续深入探究的课题。