基于专业认证背景下单片机课程教学改革探索

丁电宽 李立新 李艾华

[摘 要] 工程教育专业认证是保障工程教育质量的重要手段，通过对国家级精品在线课程“单片机原理及接口技术”进行教学改革和探索。进一步重构实践环节内容，通过“工程师制”模式开展了项目案例式教学，引入了虚拟仿真平台实现虚实结合，教学练做一体化，科研成果反哺教学，并结合学科竞赛实现赛课合一，加强学生的工程实践能力和创新能力的培养，建立健全跟踪反馈机制实现课程改革的闭环控制。探索出一条能够持续改进的以培养学生工程实践能力为核心的课程改革之路。

[关键词] 专业认证;单片机原理及接口技术;教学改革;工程师制

[基金项目] 2019年度安阳师范学院教育教学改革研究与实践项目“基于专业认证背景的电子信息工程专业建设的研究与实践”（ASJY-2019-CYB-020）

[作者简介] 丁电宽（1971—），男，河南濮阳人，硕士，安阳师范学院物理与电气工程学院副教授，主要从事嵌入式技术、智能控制技术等研究;李立新（1966—），男，河南安阳人，学士，安阳师范学院物理与电气工程学院教授，主要从事单片机技术研究;李艾华（1965—），女，山东济南人，硕士，安阳师范学院物理与电气工程学院高级工程师，主要从事微控制器及数字电路设计研究。

[中图分类号] G462   [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）19-0101-04 [收稿日期] 2021-10-12

2016年6月2日，我国成为第18个《华盛顿协议》正式成员国，截至2020年底，全国共有257所高等学校的1600个专业通过了工程教育专业认证[1]。实施工程教育专业认证是教育部“十二五”期间本科教育教学改革工程的重要工作之一，也是“十三五”期间的重点推进任务[2]，在“十四五”开篇之年，继续推动本科工程教育专业认证仍是高校的重点工作之一。但是，目前单片机的实践教学方式脱离了工程教育的培养要求，学生缺乏现代工程设计思想和方法，缺乏综合运用多方面知识解决实际工程的能力[3]。为契合专业认证的大背景，安阳师范学院在积极推进师范专业认证的同时，也积极推进工程教育专业认证工作。电子信息工程和电气工程及其自动化两个工科专业正面临进行工程教育专业认证任务。为培养国际互认的工程科技人才，课程教学改革应以培养学生工程素质为主线，强调应用性和实践性[4]。

一、课程介绍

“单片机原理及接口技术”是我校电子信息工程和电气工程及其自动化两个专业的专业必修课程。该课程经过多年建设，于2015年评为省级精品资源共享课程，2017年评为省级精品在线开放课程，2019年评为国家级精品在线开放课程。截至目前，已在中国大学MOOC上运行了8个学期，选课学生达5万余人。

“单片机原理及接口技术”是一门工程实践性较强的课程，突出应用、技能和实践。该课程以MCS-51单片机为核心，系统介绍单片机的基本结构、指令系统、汇编语言程序设计、中断、定时和串口通信系统、系统扩展与接口技术、应用系统设计与开发等。通过本课程的学习，使学生在熟练掌握单片机原理、结构、单片机指令系统、程序设计、功能部件、接口扩展等内容的基础上，能够利用Keil、Proteus等软件平台进行基于51单片机的开发，使学生学会一种单片机（8051），掌握一类单片机开发应用技能，熟悉一批常见的工程案例，培养学习者综合运用单片机知识解决实际复杂工程问题的能力和创新能力，提高就业竞争力。

二、基于工程教育专业认证的单片机课程教学改革

（一）加强课程思政建设

高校人才培养首先要德才兼备[5]，作为高校教师不但要清楚教书育人是教师的本分，更要清楚为谁培养人、培养什么人、怎样培养人，要明白培养的人才要为中国特色社会主义服务，做到教书与育人相得益彰，充分发挥课程育人功能。作为主讲内容为单片机系统芯片的课程，分析中国芯片研发与国外的差距，积极推广国产单片机芯片宏晶科技的STC系列微处理器，以及在电路制板中，积极推广国产立创EDA电路制板软件，彰显国产单片机和国产制板软件的优势，培养学生的民族自豪感、科技自信心及专业认同感。结合学生在课程设计综合训练过程中的电路制作、调试及编程训练，挖掘学生的职业素养、职业规范、行为习惯、工程伦理及大国工匠方面的思政元素。通过课程思政增强学生的社会责任感，让学生树立正确的世界观、人生观和价值观，端正价值取向，让学生深刻认识到自己肩负着国家繁荣昌盛的责任，激励学生努力学习将来报效国家。

（二）依托国家级精品在线课程，开展混合式教学

工程教育专业认证理念是“学生中心、产出导向、持续改进”，在授课过程中，以生为本，先学后教，充分发挥教师的引导作用，推动从“教”转向“学”，实现“以学生为主体，教师指导为辅”的理念[6]。结合国家级精品在线开放课程，实现线上和线下同步，课程每学年开设2次，分为春季学期和秋季学期。一般每周一发布新内容，提前指导学生如何进行线上学习，如何充分利用网络资源查阅资料等，激发学生学习的兴趣，调动学生学习的主观能动性。课前通过问卷形式让学生反馈在学习过程中遇到的问题，再对问题进行整理归纳，做好线下课程设计，针对问题梳理知识点，通过项目驱动式教学、案例教学、探究式教学开展混合式教学。在次周发布新学习内容时，同时发布上一周的单元测试和单元作业，以便学生及时复习巩固上周所学内容和教师检查上周学习情况。线上线下混合式教学过程中，充分调动学生自主能动学习的积极性，围绕学生“学到了什么、是否学会了、学会了是否会用”开展教學设计，真正体现“以学生为中心”的理念。

（三）采用“工程师制”模式，开展项目案例式教学

工程师应具备的关键特征包括：分析能力、实践能力、创造力、沟通能力、商务与管理能力、伦理道德和终身学习能力[7]。在教学过程中，通过引入工程案例开展项目案例式教学。每4位学生为一组，实行“工程师制”模式，在项目实施过程中，每个人承担不同角色，分别担任项目经理、软件工程师、硬件工程师和科研秘书;在课堂上，学生也按照不同角色坐到各自分配好的位置上，明确分工，各司其职，培养学生的担当意识。通过不同工程项目，各自角色轮换，让学生感受到不同岗位的职责，让每个学生的能力得到全面提升，体现工程教育认证是“面向全体学生”的思想。通过“工程师制”的执行，培养学生的职业规范、团队意识、沟通协作能力及项目管理的能力。在项目实施过程中，和工程实践紧密结合，培养学生工程意识和创造力，提高学生独立分析问题、解决问题的能力，达到工程教育认证的培养目标。

（四）重构实践教学体系，加强实践教学环节

为加强学生在课程实践能力培养方面，突出以学生为中心，把课堂还给学生，单片机课程近三次大纲修订情况详见表1，从表中可以看出，理论学时由原来的56学时减为45学时，实验学时由原来的14学时增加到24学时，实践环节由原来的11学时修订为1学分独立的单片机课程设计，另外还有一个2学分的综合课程设计。实验内容由原来以演示实验、验证实验逐步拓展到设计性实验和综合实验。实践环节由原来以虚拟仿真为主修改为在仿真基础上，学生还需要依托立创EDA完成电路板的设计、器件选型及采购、焊接、编程、调试及软硬件联调的课程设计任务，最后完成设计报告。在这个过程中，结合“工程师制”，充分发挥学生主观能动性，各不同角色成员协同作战，不仅掌握了单片机的开发过程，而且掌握了如何选择器件、如何查看芯片手册、如何绘制电路原理图和PCB图、如何使用仪器仪表进行调试电路;而且学会了编程的架构、设计报告的撰写，学会了交流沟通和项目管理。最后根据每小组作品完成情况、调试情况、功能实现、报告的撰写及现场答辩几个环节综合评分。

（五）虚实结合，边学边做，学用结合

课堂上学生带电脑进教室，以“项目驱动”为载体，将理论与工程实践相结合，依托Proteus虚拟仿真平台，把一个个工程案例进行了虚拟仿真，把抽象的工程案例通过直观的虚拟仿真展现在学生面前，边讲解边操作，打破了传统“填鸭式”教学模式，激发了学生学习兴趣，更有利于学生学习和理解[8]。近几年的实践证明，提高了学生到课率的同时，提高了学生的听课率，学习效果有了明显改善。

通过翻转课堂、项目驱动等教学模式改革，坚持“学以致用”原则，突出实践，强化学生工程实践能力，加强学生的实践操作、工程实践和创新能力的培养;力求使学生达到懂原理、会设计、能制作、能应用的学习效果，达到重技能的培养目的。课题组还开发出两套开发板，能够保证各个实现项目的实例化，学生自己动手焊接和调试，真正实现对单片机的学习，有效实现了真正的学用结合，“教、学、练、做”一体化改革。

（六）赛课合一，促进学生创新能力的培养

依托蓝桥杯（单片机设计与开发）、全国大学生电子设计竞赛、挑战杯、“互联网+”等学科竞赛平台，整合竞赛考核知识点，把课程内容和学科竞赛结合起来，课内和课外结合起来，课堂同赛场，赛场如课堂，实现赛课合一。学生在此过程中，能进一步明确学习目标，规划好自己职业方向，同时，学生的动手能力和工程创新实践能力都得到了较好的锻炼。通过学科竞赛，既增加了学生自信，还促进了学生创新能力的培养，开阔了学生眼界、丰富了学生的知识，提高了学生的创新能力。

（七）科研成果反哺本科教学

把教师课题或科研成果分解成若干小课题，每个小课题可以独立作为单片机课程设计题目，通过单片机实现一定的功能。同时，教师团队积极吸纳本科生参与研究课题，让更多的学生参与到解决实际问题的行列中，培养学生解决复杂的工程能力，实现科研成果融入课堂反哺本科教学，对学生独立解决问题的能力的提高起到了很大作用。

（八）建立健全跟踪反馈机制，实现课程可持续改进

为做好工程教育认证，学院制定了“毕业生跟踪反馈机制办法”，加强对学生毕业后跟踪指导。课程团队和毕业生建有多渠道的联系方式，通过微信、QQ或邮件等形式，定期和学生进行交流沟通，解答学生在工作岗位上遇到的困惑或难题，并了解他们的工作岗位对单片机知识的需求，通过多次交流沟通，评价学生对知识的需求及岗位、社会对知识的需求，并把需求及时反馈到教学过程中，修订课程大纲，力争让在校学生能接受最新颖、最先进、最实用的专业知识，提升学生毕业的社会适应度[9]，实现课程可持续改进和课程的闭环控制，做到“学生今天所学的就是明天所用的”，让学生能跟上技术发展的步伐，跟上时代的发展。

结语

结合工程教育专业认证理念，依托国家级精品在线课程，对我校“单片机原理及接口技术”课程进行教学改革和探索。融入课程思政元素，重构实践环节内容，强化了实践教学。以“工程师制”模式开展项目案例式教学，引入虚拟仿真，实现虚实结合，引入学科竞赛，整合课程内容，实现赛课的统一，科研成果反哺教学，加强学生的工程实践能力和创新能力的培养，探索出一条能够持续改进的以培养学生工程实践能力为核心的课程改革之路。

参考文献

[1]教育部高等教育司.关于转发《教育部高等教育教学评估中心 中国工程教育专业认证协会关于发布已通过工程教育认证专业名单的通告》的通知：教高司函〔2021〕7号[A/OL].（2021-06-23）[2021-09-06].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/202106/t20210623_539714.html.

[2]王勇军.工程教育认证和新工科背景下的人才培养模式探索：基于桂林航天工业学院电子信息工程专业的分析[J].教育观察，2018，7（11）：73-75.

[3]谭筠梅，蓝天，张晶.工程教育认证背景下的单片机实验教学改革[J].实验科学与技术，2018，16（2）：150-152+165.

[4]赵宇洋，李争，孟凡华.工程教育认证专业的单片机实践教学改革[J].教育教学论坛，2019（29）：131-133.

[5]姜忠爱，蔡卫国，牛春亮.单片机原理与应用教学模式与课程思政改革研究[J].高教學刊，2020（9）：129-131.

[6]叶茜.基于工程教育认证的单片机课程教学分析[J].无线互联科技，2018，15（5）：88-90.

[7]张同庄，胡明，郭健鹏，等.以能力为导向的单片机卓越工程师培养[J].高教学刊，2016（21）：92-93.

[8]DING Diankuan， LI Lixin. The application study of MCU in visual classroom interactive teaching based on virtual experiment platform[C]//International conference on advanced research on electronic commerce， Web application， and communication， ECWAC 2011：199-204.

[9]楊宇祥，邵伟，高瑞鹏，等.专业认证背景下的单片机课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2020（35）：197-198.

Exploration of the Teaching Reform of SCM Courses under the Background of

Professional Certification

DING Dian-kuan， LI Li-xin， LI Ai-hua

（School of Physics & Electrical Engineering， Anyang Normal University， Anyang，

Henan 455000， China）

Abstract： Engineering education professional certification is an important means to ensure the quality of engineering education. Through the teaching reform and exploration of the national high-quality online course of MCU Principle and Interface Technology， this paper further reconstructs the content of practice links， carries out the project case teaching through the “engineer system” mode， introduces a virtual simulation platform to realize the combination of virtuality and reality， the integration of teaching， learning， practicing and doing actual work， the support of feedback of scientific research achievements to teaching， and the integration of competitions and course teaching combined with the discipline competitions， in order to strengthen the cultivation of students’ engineering practical ability and innovation ability， establish and improve the tracking and feedback mechanism to realize the closed-loop control of curriculum reform. This paper tries to explore a way of curriculum reform that can be continuously improved to take the cultivation of students’ engineering practical ability as the core.

Key words： professional certification; SCM Principle and Interface Technology; teaching reform; engineer system