现代产业学院工程实践课程改革与探索——以单片机原理及应用为例

张向群，张 柯，杜根远

（许昌学院信息工程学院，河南许昌 461000）

0 引言

新工科是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国当前工程教育改革的主流方向。由于培养新工科人才需要借助和依托于平台或载体，为此现代产业学院便催生出了符合新工科培养的新型办学机制，已逐步成为培养新工科人才、建设高水平应用型大学的重要载体。其中，单片机原理及应用是现代产业学院一门面向应用、理论性和实践性较强的课程，对学生学习核心专业课程、完成毕业设计、参加各类竞赛等提供了有力支持，对提升工程素养和创新创业能力具有重大作用。因此，如何打破传统教学对单片机课程的限制，落实国际工程认证教育理念，适应新工科专业人才培养，是目前需要深入探索及解决的问题。

近年来，许多高校对单片机课程进行了改革和实践。师红宇等提出了启发学生自主探索的实验教学方式，以大数据为依托，构建评价、反馈平台，提高了实验教学效果，但教学方式仅限于实验方面。吴阳等对单片机的课程内容和教学方法、手段、考核方式进行改革，激发了学生的学习兴趣，但未能将理论与实践相结合。龙顺宇等提出了新工科+PBL 模式的单片机项目式教学，将项目教学方法与其它学科相关联，但仅局限于项目式教学。冯新刚等将单片机课程理论教学、实验和课程设计相结合，分为小项目、中项目、大项目贯穿于整个课程内容，但未能将实验与生活场景相联系。王建军提出面向产业构建实践课程共同体，提高过程性评价在学生成绩的占分比例以培育新工科应用型工程人才，但缺乏具体的教学模式。上述措施取得了一定的效果，但均存在局限性，未能以学生发展为中心和成果导向为理念，还是局限于以知识传递为主的教学方式，并未将理论与实践结合起来。

本文在新工科背景下，基于OBE 教学理念，对现代信息产业学院单片机原理及应用课程进行改革和实践。以学生自主发展为目标，以学生发展为中心和成果导向理念，实施全方位的教学建设与改革。在经过多年教学探索后，建立了以完成具体生活场景作品为目标，基于OBE 理念的教学模式。通过将虚拟仿真引入教学过程中，以赛促学，提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，从根本上解决了传统教学方式以教师讲授为主导的教学弊端。

现阶段，在学习单片机原理及应用时，学生普遍存在的问题包括思维活跃低、学习兴趣不高及动手能力差，无法综合运用所学知识做出合格的作品。此外，由于学生之间能力差异较大，部分差生基础薄弱，课堂参与度较低。针对以上情况，本文以新工科实践需要为先导、以单片机课程内容和教学目标为基础进行教学改革，努力营造真实的教学环境，使学生在实践中锻炼自身的动手能力，实现自主发展。

1 教学模式改革

教学模式改革主要体现在教学内容重构，而教学内容重构则主要表现为将按章节分类的旧学科教学体系重构为项目教学体系。其中，项目又分为小项目、中项目、大项目，每个项目对应不同的知识点，难度也从易到难。例如，首先从最容易的信号灯项目开始，然后是中等难度的电子时钟项目，最后到难度较大的综合项目空调控制系统。项目可以是一些生活场景，以激发学生的学习兴趣，例如先让学生点亮一盏灯，然后显示流水灯，最后完成十字路口的交通信号灯设计。并且，根据全国蓝桥杯单片机程序设计与开发大赛内容修订教学大纲和内容，立足行业，突出实践，以赛促学，鼓励学生参加相关科技比赛，并将比赛成绩纳入课程成绩。此外，采用线上、线下混合式教学方式改革以教师为主导的传统教学模式，解决传统教学方式讲授知识点的弊端，使学生学习不再受固定时间、地点的约束，实现了以学生为主体的现代化教学模式。

2 教学改革具体措施

2.1 项目驱动

本文以知识、能力、思维、情感、思想五位一体的教学目标，结合许昌学院信息工程学院对应用型本科人才的培养目标，在教学模式中以任务驱动式为主，构建学生自主学习的翻转课堂教学组织模式。让学生两人一组，自由组合、自主探究、自由选题、提交作品、书写作品设计报告、答辩考核，教师会给定一些题目，但鼓励学生提出新的作品题目，培养学生的目标和成果导向意识。并且，对于创新能力较强的学生，鼓励他们做出更好的作品进行课外比赛；对于中等学生，给定题目库，让学生从中进行选择；对于基础较差的学生，则需要特别指导，针对性的与学生商探讨选题。

在课程改革之前，单片机原理及应用一直采用传统笔试进行考核，平时成绩和实验占总成绩的30%，试卷成绩占70%。然而，这种传统考核方式无法全面、客观地反映学生的学习情况，未能体现新工科对学生工程实践能力的培养。因此，本文对现有考核方式进行改革，在成绩认定方面，采取平时成绩占30%，实验成绩占50%，报告成绩占20%的综合评定方式，根据学生的课堂参与度、对作品认知程度、现场答辩效果等过程性表现、团队合作、创新程度、功能、课程报告书、小组pk 等方面考核学生，使课程评分更公正、合理。

2.2 理论应用与教学实验相结合

通过将虚拟仿真技术应用到理论教学中，对重难点问题进行仿真模拟实验（见图1），让学生能够直观看实验结果，使课堂教学更生动。

此外，利用虚拟仿真软件进行实验教学。虚拟仿真实验具有以下优点：①为实际电路实验作铺垫；②让学生先进行虚拟仪器仿真，可有效避免操作失误造成电子设备、芯片、仪器损坏；③学生自行设计的综合性创新作品，可能由于一些芯片或电子器件无法购买从而无法开展实验，可先进行虚拟软件仿真。总之，虚实结合的方式具有以下优点：①学生可随时随地进行学习，不受实验资源和场地限制；②学生在做完硬件实验后，可利用软件仿真实验进行分析对比，通过修改实验参数，进行方案论证、结果观察；③有利于学生在硬件电子设备和仪器匮乏的情况下，完成综合性创新课程设计。

Fig.1 Virtual simulation software demonstration图1 虚拟仿真软件演示

2.3 学生工程实践能力培养

单片机课程贴近生活实际，具有很强的工程实践性，这些特点决定了在课程教学过程中必须重视实验。然而，现阶段由于实验设备价格较高、实验仪器笨重等原因，在一定程度上限制了学生的学习时间。并且，大多数院校在实验教学上，按照教科书流程进行操作，不利于培养学生的创新能力。

为此，许昌学院信息工程学院课程组将传统试验箱（笨重、价格贵，只能固定在实验室学习）换成便于提拿的单片机实验板（小巧、灵活、学生随时随地学习、价格低），让学生在空板上进行元器件连接、焊接等操作，结合硬件调试、软件编程、虚拟仿真、软硬件综合调试等方式进行实验，便于学生利用课外时间在图书馆、宿舍等地点随时随地学习。并且，本文以蓝桥杯、电子设计大赛、挑战杯、大学生创新创业训练、校内机器人、工程技能大赛等为导向，通过梳理大赛过程中所考察的知识点，将课程内容紧密结合大赛题目进行实验教学，使学生在实践过程中提高自身的工程实践能力。

2.4 教学与科研相融合

许昌学院信息工程学院课程组积极将科研和教学相结合，以单片机为控制器研制超声气体传感器测量声学气体的弛豫信号。已经申请了国家自然科学基金面上项目和河南省科技厅项目。

基于单片机技术申请了“一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置（ZL 201710375855.6）”和“一种氢气声转动弛豫探测方法（ZL 201810308054.2）”两个发明专利，并且分别在2020 年2 月和6 月获得国家知识产权局授权。

2.5 积极开展课程思政

在课程改革过程中，引入思政内容。例如，从单片机芯片属于高科技芯片产品入手引入思政内容，中国在芯片研发上领域与国外仍存在较大差距，近期中美贸易争端中一些企业被动受罚也是因为核心技术受制于人，从芯片核心技术研发方面鼓励学生努力学习，争取未来解决这些卡脖子技术。此外，以单片机专业著名的两个人物周立功（建立单片机公司）和郭天祥（学好单片机课程，编写单片机教材，参加科技比赛，创新创业）为例，增强学生的专业认同感，提高学生学习动力。

在课程教学过程中，以培养学生工程实践能力为切入点，着重培养学生单片机基础知识、工程实践能力、发现问题和解决问题能力，激发学生学习热情，将创新精神、工匠精神、工程素养、道德情操、社会责任感等价值理念传授给学生，帮助学生建立正确的人生观、价值观和自我认同，培养学生的团队协作能力和责任心、激发其学习的内动力，建立为国家和民族奋斗的信念。

3 教学改革成效

经过教学改革后，学生学习积极性大幅提升，许昌学院信息工程学院2020-2021 学年2019 级学生单片机课程考试成绩相较于2018 级学生成绩有着大幅度提升。如表1 所示，2018 级、2019 级一班学生的平均成绩分别为69.20、84.57 分；2018 级、2019 级二班学生的平均成绩分别为71.30、87.42 分，可以看出课改后的课程平均成绩提高了约10分，课程目标达成度较高。

Table 1 Comparison of grades of 2018 and 2019 students表1 2018级与2019级学生的成绩比较

以许昌学院信息工程学院2020-2021 学年2019 级学生为例检验教学改革效果，将72 人以两人分为一组进行试验，共产生36 个作品。其中，8 名学生的作品将进一步完善，参加大学生创新创业训练项目；10 名学生作品将参加挑战杯大学生课外科技作品竞赛；5 名学生的作品将申请实用新型发明专利。

此外，有8 名学生参加了蓝桥杯单片机设计与开发编程大赛，4 人获得蓝桥杯河南省赛区一、二、三等奖，1 人获得全国总决赛二等奖。根据教务处近两年统计的学生评教结果显示，该课程学生评价分数较高，被评为优秀课程。图2为部分学生的优秀作品。

Fig.2 Display of students'excellent works图2 学生优秀作品展示

4 结语

本文通过分析传统单片机教学中存在的问题，改革现有教学内容和模式。通过以赛促学、结合教学和实践等方式，着重培养学生的工程实践能力，鼓励学生参与课程相关的竞赛，以提高学生学习积极性。经过教学实践表明，构建的单片机原理及应用课程教学模式符合新工科人才培养需要，有助于提高学生的工程实践能力，为课程改革提供了具体的实践模式，课程教学效果较好，学生积极性显著提高。