基于“岗课赛证”融通单片机课程改革与实践——以“智能增压供水监控系统的设计与制作”项目为例

彭小平，周欢喜

（长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124）

为贯彻落实2021 年全国职业教育大会上习近平总书记关于职业教育的重要指示，要坚持立德树人，优化类型定位，深化“三教”改革，提升教育质量，推动“岗课赛证”融通综合育人，创新培养高素质技术技能人才的育人模式。为促进职业教育高质量发展，大幅提升新时代职业教育现代化水平和服务能力，国家启动实施《职业教育提质培优行动计划（2020—2023 年）》，以实现职业教育提质培优。为深化高技能人才培养模式改革，需要进一步围绕教学，进行“岗课赛证”的一体化设计：课程内容要瞄准“岗位需求”，对接职业标准和工作过程，吸收行业发展的新知识、新技术、新工艺、新方法；“课”是教学改革的核心，要通过课程改革，推动“课堂革命”，完善课程教学评价体系；“赛”是课程综合实践的高级别展示，通过完善三级师生比赛机制，融入竞赛标准，提升课程教学水平；“证”是课程学习的行业检验，通过融通多类职业技能鉴定标准、资格证书要求，将职业活动所需要的综合能力融入证书，拓展学生就业创业能力，实现有效的高技能人才培养途径[1]。

一、课程改革背景及存在的主要问题

为加快推进人才强国战略，健全现代职业教育体系、培养一大批高技能人才是新时期国家对职业教育的新要求。电气自动化技术随着我国的制造业转型升级发展得越来越快，大部分高职院校的电气自动化专业的单片机应用技术课程与应用电子专业的单片机课程的教学目标、教学设计及教学载体相差无几，没有针对电气自动化的岗位能力需求，没有融合技能大赛规程和“1+X”技能等级证书标准的要求[2]，课程内容没有及时更新。电气自动化专业的典型工作岗位是面向电气自动化设备及自动控制系统设计、安装、调试、维护、维修及生产一线，单片机课程需要根据岗位能力分析，侧重电气自动化设备及自动控制系统的设计安装与调试，否则学生在将来的就业中难以快速适应岗位要求。

二、单片机课程改革的基本措施

（一）基于“岗课赛证”融通，重构教学内容

课程团队调研行业企业，分析电子产品设计与生产岗位对单片机应用与实践能力的需求，结合行业标准、国家专业教学标准与学院专业人才培养方案，针对“1+X”物联网单片机应用与开发（中级）职业标准的“智能终端硬件设计”“单片机程序开发”等工作领域，融合智能控制、物联网、变频调速等新技术，融入“电子产品设计与制作”“全国大学生电子设计大赛”等技能竞赛规范[3]，重构教学内容。“智能增压供水监控系统的设计与制作”为电气自动化专业的“单片机应用与实践”课程的综合性实践项目，从简单到复杂、从单一到综合，以学生认知规律构建教学载体，融入了继电器控制、交流电机变频器多段调速及模拟量调速控制、直流电机调速、电动调节阀控制、物联网智能控制与电气自动化专业岗位能力培养紧密结合的教学内容。

本教学项目针对老旧小区、农村及偏远地区自来水增压供水系统智能化程度低，耗能严重，供水的可靠性、稳定性较差的问题，设计一款智能增压供水监控系统，服务区域小微企业技术升级、乡村振兴。系统要通用性好、可靠性程度高、操作简单方便，能对不同使用场合情况的水压及水位进行监测，实现变频蓄水；能根据压力情况，控制阀门开合度，实现蓄水和供水的智能控制，具有安全、节能、通用、智能等特点，有较好的实用价值和市场前景。

通过对电气自动化行业背景研究、岗位需求调查，发现当前行业对嵌入式、智能控制技术、传感器及物联网技术、变频器及伺服运动控制技术的人才需求量非常大，因此以智能增压供水监控系统产品实际研发及制作为主线进行教学整体设计，融合当前行业所需的高新技术，结合岗位能力培养要求。重构后的教学项目包含管网压力监测系统、直流水泵供水控制系统、电动调节阀供水控制系统、模拟量变频增压供水系统、智能增压供水监控系统等8 个教学任务，如图1 所示。本教学项目以成果为导向，以实际产品研发为主线，进行模块化、结构化教学内容设计，有机融入乡村振兴情怀，劳动精神，环保、安全规范意识，严谨细致、精益求精的工匠精神，达到培养学生单片机产品设计、制作、创新等能力的目标。

（二）结合实际需求，设计教学载体

图1 “智能增压供水监控系统”教学内容重构

城市中的老旧小区由于管网容量不足、水压不够，特别是用水高峰期，高楼层供水不足，低楼层水压不够，用户叫苦不迭。我国广大农村及偏远地区由于地形复杂，用户环境不一，既有深井取水，又有增压供水；既有生活用水需求，又有农田灌溉用途，甚至有些偏远地方还没有通电。为解决老旧小区、农村及偏远地区的供水问题，设计了“智能增压供水监控系统”这个教学载体。监控系统的电路含电源模块及电源滤波电路、晶体振荡电路、复位电路、独立按键、指示灯、蜂鸣器、无线通信接口、液晶显示模块、压力水位传感接口电路、12 位串行A/D 转换处理模块、 D/A 转换处理模块及运算放大电路、L298N 直流电机驱动电路、继电器驱动电路等。系统可以对水井、自来水管网水压及水塔水位进行监测和增压供水。在用水低峰期间通过单片机驱动输出电压信号控制变频器频率或通过继电器模块控制变频器加大水泵功率蓄水，用水高峰期间保持合理的泵送功率进行供水；通过多机无线通信输出电压信号，控制电动调节阀得到合适的阀门流量，实现蓄水及供水的智能控制；针对部分农村地区供电不稳定及部分农田附近没有供电的情况，需要用到蓄电池及直流水泵紧急供水，达到自来水管压力监测、水位监测、交流水泵变频控制、电动调节阀远程监控系统的设计要求。

（三）针对课程教学问题，系统化设计教学策略

单片机课程对高职学生来说有一定的难度，本专业的学生既要熟知硬件，又要精通软件编程项，还要有一定的综合实践能力，这些都是大部分学生所欠缺的。针对这些问题，以三全育人为指导，以“岗课赛证”综合育人为路径[4]，以打造“职教六合金课”为教育理念，以学生感兴趣的智能化、产品化、模块化的智能增压供水监控系统为教学载体，以符合企业生产理念的数字化工卡为牵引，以真实企业环境“校中厂”为依托，通过“（课前）开源—启智—明理→（课中）引流—强技—赋能→（课后）拓渠—精技—有为”三个阶段开展教学，实施“混合式教学+任务驱动+理虚实一体”的教学策略，通过一款实际产品的设计开发及制作，实施“领-定-仿-制-调-拓”六环教学步骤，实现培养德技并修的单片机开发的创新型技术技能人才的目的。

1.以学习者为中心，打造“职教六合金课”

基于以学习者为中心的教学理念，将课程思政与民生需求相融合、课程内容与创新创业相融合、常规教学与技能竞赛相结合、技能训练与工作实际相融合、虚拟仿真训练与实际产品设计制作有机结合、线上学习与线下训练相融合，打造理虚实一体的“职教六合金课”。

2.基于“混合式教学+任务驱动+理虚实一体”的教学策略，构建“六环”教学实施步骤

以工作过程为导向，确定了“混合式教学+任务驱动+理虚实一体”的教学策略，构建“领-定-仿-制-调-拓”六环教学实施步骤，课前主要在省资源库（微知库）及大学MOOC 在线课程学习，课中主要依托数字化工卡平台、功能强大的PROTEUS 8.7 仿真软件进行原理图设计及系统仿真、实物制作及调试，让学生的单片机开发能力得到有效提升。

3.以成果为导向，以数字化工卡为牵引，以“校中厂”为依托，开展实训

基于成果导向，以实际产品研发为主线，以符合企业实际生产理念的数字化工卡为牵引，每个任务都具有三个阶段的成果：方案设计、软硬件设计及仿真、产品制作与调试。教师通过工卡平台进行审核，闭环监控。系统仿真调试无误后，在“校中厂”实训车间进行生产，全方位训练学生方案设计、系统软硬件设计、安装、焊接、调试的能力及6S 素养。

三、教学实施过程

“智能增压供水监控系统的设计与制作”基于项目驱动，以实际产品研发为主线，以数字化工卡为牵引，通过“（课前）开源—启智—明理→（课中）引流—强技—赋能→（课后）拓渠—精技—有为”三个阶段开展教学，基于“领工卡→定方案→做仿真→制产品→调系统→拓能力”六个环节实施教学，如图2 所示。系统化设计课程思政，润物无声中融入思政教育，达到培养“明理、精技、有为”的创新型单片机开发技术技能人才的目的。

（一）课前：开源—启智—明理

环节一：领工卡，教师利用数字化工卡平台发布工卡及任务，利用微知库等平台推送教学资源及大国工匠、乡村振兴、用水安全、节能环保等短视频。学生登录工卡平台，领取任务（开源），在线学习课前所需知识（启智），完成测试；小组收集多方资讯，进行头脑风暴，开展讨论，设计草案；教师在线答疑，解除学生困惑（明理），统计平台数据，优化课堂教学策略。

（二）课中：引流—强技—赋能

环节二：定方案，分组讨论、设计方案。教师通过案例引入，明确任务，根据课前学习情况，查漏补缺，引导分组讨论，学生完成元器件的选型、系统硬件功能框图设计，上传到工卡平台，教师审定方案，确保设计的可行性。

环节三：做仿真，根据方案，先仿真，再实物。学生按照“实际产品”要求，通过PROTEUS软件设计系统原理图，编写Keil C51 程序，完成仿真调试，教师利用数字化工卡平台精准指导（引流）。由于学生基础不一，各组实力也不一定均衡，教师需根据学生学习情况，在基本任务要求的基础上，布置创新任务，训练学生的创新思维、可迁移学习能力，教学难点是程序设计，学生或小组协作，或观看微课解决难点。要求学生规范设计，学生在功能实现后，把设计上传到工卡平台。

环节四：制产品，实物制作。通过角色分工，教师为产品经理，学生分别担任小组长、领料员、工艺员、焊接工等实际生产人员，按照数字化工卡工艺要领，规范操作，不断训练各项技能，精益求精（强技），完成元器件安装、焊接，融入6S 素养。

环节五：调系统，多元评价。学生制作好实物后，完成系统外围传感器及执行机构的接线，将Keil C51 程序编译后的HEX 文件下载到单片机，完成功能测试，老师综合评价学生作品、展示成果、表扬和纠错。各小组在数字化工卡平台、金课坊完成组内自评、小组互评、总结。完成后要求学生按6S 管理整理工位，打扫卫生，使学生形成良好的职业素养、劳动习惯（赋能）。

（三）课后：拓渠—精技—有为

环节六：拓能力，提升技能。教师根据学生学习能力，分层定向推送拓展任务，鼓励创新创业及社会实践，并成立兴趣小组，鼓励同学们利用课余时间积极参加全国技能大赛、电子设计大赛的训练和培训。参加创新创业实践，拓展学生学习渠道（拓渠）。鼓励参加物联网、智能控制等当前符合行业需求的新技术和新规范的课后实践项目，根据国赛标准，进一步提高学生的各项技能（精技），培养学生可迁移学习的能力，使学生在服务小微企业、乡村振兴方面有一番作为（有为）。

四、课程改革效果

（一）学生三维目标达成度高

通过对数字化工卡平台分析，16 组学生作品中，优秀率31%，良好率68.75%，合格率93.75%。各阶段成果中，方案设计、原理图设计、程序设计、硬件合格率均在90%以上，技能水平得到大幅提高。对微知库近三年数据进行统计发现，学生液晶、AD 、DA、单片机通信、程序设计等理论成绩逐年提升，三维目标达成度高。规范意识、质量意识及单片机综合应用能力得到了大幅提高。

（二）学生技能大赛成绩优异

本教学项目将技能竞赛与常规教学有机结合，为“现代电气控制系统安装与调试”“全国大学生电子设计大赛”“集成电路开发与应用”培养了大批后备军，学习氛围进一步提高。近三年来学生参加技能大赛获得“现代电气控制系统的安装与调试”“集成电路开发与应用”全国一等奖3 项，省一等奖6 项。

五、结束语

本教学项目以“岗课赛证”综合育人为路径，以打造“职教六合金课”为教育理念，系统化进行课程及教学设计，以学生感兴趣的智能增压供水监控系统实际产品的设计制作为教学载体，以数字化工卡为牵引，以实际“校中厂”生产为依托，实施“混合式教学+任务驱动+理虚实一体”的教学策略和“领-定-仿-制-调-拓”六环教学步骤，教学效果得到明显的提高，技能竞赛成绩优异，实现了培养企业所需的创新型单片机开发技术技能人才的目的。