学竞结合的《专业基础技能训练》课程教学改革研究

喻勇涛，卢艳军，张晓东，高云红，张太宁

（沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳）

一 引言

工科学生入学时面对工程领域所知甚少，其经验知识的主要来源是实验、实训和实习等实践环节。若尽早地对学生实施工程启蒙教育，除了设置一些相关的工程导论、专业导论、工程伦理和工程管理等理论课程之外，还要尽早开设工程实践类课程[1]。沈阳航空航天大学测控技术与仪器专业（以下简称沈航测控专业）于2019年通过了中国工程教育专业认证，在工程教育专业认证的核心理念的指导下，对专业人才培养进行了一系列的改革，在课程体系设计中设置系列实践课程和实施实践课程教学改革，将工程意识和工程思维培养落实到人才培养过程中，其中包括增设面向大一新生的《专业基础技能训练》课程，用以补全嵌入式系统课程群建设，形成合理的课程阶梯。

《专业基础技能训练》课程是测控专业面向大一新生开设的一门专业必修实践类课程。专业设置该课程的目的是为学生尽早提供一个接触本专业和工程实践的机会，使其通过该课程了解本专业的相关知识、开发工具和使用软件等，帮助学生初步了解未来职业，使学生明确自己的学习目标。同时，通过实践课程教学设计中的工程案例分析和课程实践项目设计，了解专业领域工程项目设计开发的流程和对专业知识、技术和能力的要求，为培养学生初步的工程意识和工程思维打下良好的基础。

课程以STM32为教学平台，结合相关实验项目，讲授STM32系统的基础知识，软硬件开发环境，STM32内部资源和外设模块的使用，以及基本的嵌入式系统开发方法与开发流程等内容，使学生具备基础的嵌入式系统软件设计开发能力。课程在第一学期开课，以实验教学的方式对嵌入式系统的基本使用方法进行教学，课程目标主要围绕学生对STM32系统开发流程、内外部资源工作流程、基本使用方法展开，使学生具备先用起来的能力。

课程通过对加强学生基本操作训练，养成学生严谨求实的科学态度、认真细致进行科学实验的良好习惯和初步建立工程意识和工程思维。这对帮助学生在后续的学习中能够自觉地运用工程思维，将所学知识与实际应用相结合，成长为一名合格的工程技术人才是非常必要的。作为嵌入式系统课程群的“先头部队”，如何在深入分析学生情况、课程特点以及现有可用资源的情况下，设计出一套更适合本课程的教学方法，对此课程和嵌入式系统后续课程教学都具有重要意义。

二 大学生竞赛与专业教学

大学生科技竞赛是高等教育阶段的一种课外活动。它包含多种题材，涉及从数学、物理到电子、机械等多个学科领域，具有丰富多样的题目形式，并且数量众多，吸引了大量学生的参与。大学生科技竞赛活动为参赛学生提供了与课堂教学不同的学习体验以及接触课堂之外的知识和信息的机会，激发了他们的学习兴趣，培养了他们的专业能力[2]。

在参加电子设计竞赛的过程中，参赛学生的表现暴露了高校在专业教育中的存在的共性问题，具体到测控专业，反映了在实践教学方面的两个问题：一是验证性实验的实践教学模式单调，学生在课程时间内枯燥的完成规定内容，无法充分思考理论与实践的联系，削弱了学生的教学主体作用，抑制了学生动手能力的提高；二是设计性综合性实验偏少甚至没有，无法将知识点系统性地组织起来供学生学习，不利于学生系统性、创新性思维的培养[3]。

针对电子竞赛暴露出来的问题，教学单位应强化学生对于硬件的应用技术、软硬结合综合应用能力、新技术新器件的跟踪和使用等能力的培养，增加综合型、设计型、创新型实验，且实验内容应定期更新，保持与电子赛事、技术更新的同步[4]。

三 学竞结合的《专业基础技能训练》教学改革

在沈阳航空航天大学浓厚的电子科创竞赛氛围中，结合《专业基础技能训练》课程定位，考虑学生知识储备和后续专业课程安排，提出学竞结合的《专业基础技能训练》教学改革思路，对课程教学进行革新，提高学生学习的主体地位，实现培养工程创新型人才的目标。

构建“以竞促学、学竞结合”的教学方法，以电子竞赛为驱动，教师的角色由授课者转变为竞赛指导者，把竞赛场景纳入到教学过程中，竞赛既是手段也是目的，鼓励、组织和指导学生参加各级嵌入式系统专题比赛、单片机设计大赛、电子设计竞赛等，尤其是各类校级、院级等入门难度的比赛，学生把竞赛作为课程所学知识的练兵场，使学生在竞赛的过程中学习相关知识，既准确又高效，有力地推动工程创新型学生培养[5]。

（一） 学竞结合的课程教学方法

《专业基础技能训练》支撑测控专业毕业指标的三项二级指标，强调专业知识和技能的应用，在第一学期开课，如果以常规入门型课程来教学，则可能因不知然、不知所以然，较难吸引学生兴趣，甚至使其产生畏难情绪，影响后续课程学习。

结合嵌入式系统知识体系学习特点和《专业基础技能训练》课程定位，考虑学生知识储备和后续专业课程安排，以及学校、学院浓厚的科创氛围，拟展开“以竞促学、学竞结合”的学竞结合式的教学方法改革，激发学生学习兴趣，增强学生学习主体地位，达到短期培养学生的STM32开发能力，长期积极学习高年级理论课程，持续成长的目的。

根据授课阶段对教学方法进行设计：

以竞赛为驱动的教学以学生为主体，教师既授课，也是竞赛指导。在课程初期，教师讲解课程内容，学生通过验证，掌握应用技能，且理解相关技能在竞赛中的用途；在课程后半程，教师角色转变为竞赛指导，和学生一起，分析竞赛要求，讨论潜在问题，提出竞赛方案，教师在整个过程结束后，对学生竞赛完成情况进行评估，评估结果作为课程最终成绩的重要组成部分[4]。

对每次授课的教学方法进行设计：

每次授课时，除授课教师外，还聘请有电子竞赛经验的同学或者指导教师作为助教，从课程内容的补充讲解、实验指导到竞赛实战应用要点等，突出学竞结合的“竞”的特点。

闭环反馈和改进：

设计授课效果问卷，课程结束时，通过调查问卷形式采集学生对课程的评价，结合过程数据，对学生的培养情况进行统计，并反馈至下一学年的授课调整，形成下一轮教学需要强化的方面和改善措施。

（二） 竞赛项目技能树式的课程内容

对电子竞赛所需的典型嵌入式系统技术进行分析拆解，设计“竞赛项目技能树”式的课程内容（图1）。

图1 课程内容组成

根据嵌入式系统为实践性较强的课程的特点和具体情况，构建符合“源于竞赛，用于竞赛”的授课内容设计。

设置验证型实验，这是根据入门竞赛需求（如智能循迹小车比赛）和课程知识点设置，要求学生在验证过程中掌握知识点的原理和实际操作流程；

设置选做型实验，是验证型实验内容的另一种实现方法，知识点内容相同但体现形式不同，学生自主选做，满足实践能力、创新意识较强学生的学习需求；

设置综合设计型实验，是综合整个课程的知识，利用实验室资源，需要学生设计一个具有实际意义的嵌入式应用系统的实验，该实验以院级或校级电子竞赛的形式进行，难度适中，学生以此进行系统性工程实践；

设置研究型实验，以省级或国家级竞赛项目为蓝本，经适当调整后确定内容，学生自由选择，适用于想尝试更大竞赛难度的学生。

学生也可在科创协会/社团中自行选题，对课内实验进行无差别替换。

表1为部分实验清单。

表1 部分实验清单

（三） 电子竞赛式的课程考核方法

配合教学方法和课程内容的学竞结合特点，参考实际院级或校级电子竞赛评比机制，建立电子竞赛形式的课程考核方法。课程内，根据项目组整体评价结果和组内分工的不同，形成学生个体的评价，激发学生的团队意识，提高学生的主动性。课程外，考虑将学生参加科技社团以及在社团中的综合实践表现，作为课内评价补充或者等效替换。另外，结合工程认证持续改进思想，在稳定的框架内容中根据学生情况有侧重地微调考核内容。

考核内容方面（图2）：

图2 考核内容的组成

基础型实验和选做型实验，鼓励学生在报告框架内，充分利用多媒体展示实验成果；

综合设计型和研究型实验，要求参考电子竞赛报告要求，提交包含摘要、总体方案设计、硬件方案设计、软件方案设计、非技术因素、总结等内容的结题报告；

若学生对课内实验内容无兴趣，可提交在科技社团中的成果物作为等效考核成果。

考核方式方面：

实施答辩检查制度。邀请有竞赛经验的学生或指导教师，联合课程组教师组建答辩组，对实验设计作品进行验收检查，以答辩会形式对同学完成的实验作品进行打分评价，引入同学互评机制加强师生交流互动，用“设计作品答辩记录表”作为形成性评价文档。

此外，向设计有新意有想法有特色的学生进行加分鼓励，包括非技术因素的考虑，对于各个实验设计实现自主发挥新功能的学生，给予适当加分，而且设计的自主发挥新功能越新颖、质量越高，加分也越多。

综合上述实施方案，形成课程设置、课程实施、课程考核与课程评价的闭环[6]，不断更新和优化学竞结合的教学模式。

四 实施效果

充分实施本教学改革方案的效果主要体现在两个方面：

一方面，为测控技术与仪器专业大一新生设计面向电子竞赛的课程内容，解决嵌入式系统知识的复杂性和学生知识储备的薄弱性的矛盾，提升学生的学习热情，明确学习的目的性。课程结束后，通过问卷星设计问卷，对测控2020级3个行政班89名学生进行了调查。问卷分别针对学生对STM32平台的熟悉程度、对课程学习成果自我满意度和后面专业学习的渴望程度进行了调查，具体调查结果统计情况如表2所示。

表2 教学效果调查统计结果（学生自我评价）

另一方面，通过加入有竞赛经验的助教和参考竞赛评价方式的考核方法，从过程和结果导向上，引导学生对工程问题的系统性、创新性进行思考，培养学生的创造精神和创新能力。表3为本课程班级学生获奖统计表格。

表3 本课程学生比赛获奖统计（测控1班，2020学年）

通过表2和表3统计结果可知：通过该实践课程的学习，对专业及专业相关的知识、专业面向的工程领域的了解和对专业学习的渴望等方面都有显著的提高，与往届学生相比，该届学生很早地了解了本专业的相关知识和背景，为下一步的专业学习打下了良好的基础；学竞结合的教学方法激发了学生广泛参与各类赛事的热情，也收获了较好的成绩。

五 结语

在充分分析《专业基础技能训练》课程特点和我院大学生电子科技竞赛过程中存在的问题与需求后，文本提出学竞结合的课程改革，以电子竞赛作为桥梁，解决嵌入式系统知识的复杂性和学生知识储备的薄弱性的矛盾，提升学生的学习热情，明确学习的目的性；根据学竞结合的出发点，设计课程内容、改变教学方法和考核方式，从过程和结果导向上，引导学生对工程问题的系统性、创新性进行思考，培养学生的创造精神和创新能力，践行工程认证教育理念。调查问卷数据和竞赛成绩数据表明，学竞结合的教学方式帮助学生更好地掌握了课程内容，激发了学生的专业兴趣，为下一步的专业学习打下了良好的基础，达到了教改预期目的。