基于学业导师制的大学生创新力培养探索研究——以“单片机与接口技术”为例

胡 滨，代昆玉

（贵州大学 计算机科学与技术学院，贵州 贵阳 550025）

引言

“单片机与接口技术”系高校计算机科学与技术专业的核心课之一，它以8051系列单片机为学习对象，讲授单片机系统的体系结构、汇编指令、定时/计数器、中断、串行口、IC总线、AD与DA转换器、存储器及输入输出接口扩展电路等内容，使学生掌握使用单片机进行软件、硬件设计的方法，提升有效使用所学知识解决实际问题的能力。由于该课程教学内容涉及运用以单片机为核心的计算机软件、硬件系统开发学科前沿技术，极易在授课对象中开展创新型实践应用教学，引发学生对新问题、新方法、新技术的思考与实践探索。然而，我国高校传统的教学模式以课堂知识教学为主，实践环节大多是简单验证性实验，很少或没有涉及对授课对象创新实践能力有针对性的科学训练，难以满足新时代社会主义经济建设高层次创新型人才的迫切需求。

近年来，以习近平同志为核心的党中央高度重视高校创新型人才培养工作。习近平总书记在2021年9月召开的中央人才工作会议上指出，我国必须走好人才自主培养之路。2021年12月，《求是》杂志发表习近平总书记的重要文章《深入实施新时代人才强国战略 加快建设世界重要人才中心和创新高地》。文中强调，必须面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，深入实施新时代人才强国战略，全方位培养、引进、用好人才，加快建设世界重要人才中心和创新高地，为2035年基本实现社会主义现代化提供人才支撑，为2050年全面建成社会主义现代化强国打好人才基础。习近平总书记从实现中华民族伟大复兴的战略高度为我国高等教育创新型人才的培养指明了方向。在该时代背景下，作为高校计算机专业核心课程的“单片机与接口技术”，对学生创新力培养的教学改革需求迫在眉睫。然而，由于该课程教学内容多，授课学时数少，教学改革矛盾突出，如何高效培养学生的创新力、寻求合适的教改方法尤为重要。高校大学生创新力培养需要在课程专业知识教学中融入实践创新元素，与原本的课堂教学形成协同效应，促使教学对象的创新力素质教育达到潜移默化的作用。

一、学业导师制与项目驱动

高校传统的授课方式采用的是任课教师授课制，即主讲教师在课堂教学中对授课对象开展一对多的教学活动。由于任课教师在教学时间、授课精力、专业知识等方面存在诸多限制，他们无法满足广大学生实践指导学习与创新能力训练的需求。针对这一教学矛盾，教育部在2019年10月印发了《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》。该意见提出，大力建立健全本科生学业导师制度，让符合条件的教师兼顾学生的不同特点，激发每一个学生的优势潜能，帮助高校学生制订更具个性化的培养方案和学业生涯规划。我院以此纲要为准则，充分发挥学业导师制的作用，重视学生学业生涯规划教育与人才培养训练，开展了“单片机与接口技术”课程的教学改革工作。同时，以学生为教学中心，引入任课教师课堂知识教学为主、课外学业导师项目驱动为辅的大学生创新力培养模式，积极开展学业帮扶计划，并贯穿学生大学期间的创新力培养过程，如图1所示。

图1 学业导师项目驱动示意图

图1展示的是课程教学中学业导师项目驱动示意图。具体而言，在“单片机与接口技术”课程教学过程中，主讲教师开展课堂知识教学，针对授课班级学生需求选拔优秀的教师参与教学对象的课外学业导师实践教学工作。学业导师结合自身研究方向与科研课题拟定难度适中、适合学生参与的实践训练项目，以实践训练项目为驱动，吸引学生加入课外专业知识技能实训与创新能力培养的素质教育环节。在这种基于学业导师的项目驱动教学模式下，学生按学习兴趣以3～5人为一个小组自由组队，与各个学业导师建立联系，在学业导师的指导下积极主动地参与大学生科技创新能力培养的学习与实践训练。

二、项目实践探究实例

“单片机与接口技术”课程教学内容覆盖面广，主要涉及8051单片机硬件结构组成、中断系统的使用、定时/计数器工作原理、串行通信接口、键盘与显示器接口、DAC/ADC接口、8051指令系统、汇编语言程序设计、高级语言Keil C51、Proteus虚拟仿真等知识。由于课程教学内容多、课时数少，教师应该选择合适的教学切入点实施基于学业导师的项目驱动创新力培养与训练。在该课程的教改过程中，担任学业导师指导任务的教师要以课程教学知识点为基准，结合自身科研方向，拟定符合大学生的实践训练项目。学生可通过参与项目实践训练，明确专业培养目标，了解专业学科前沿技术，并在项目实践过程中提升自身科学素养，培养科学思维及科技创新能力。下面介绍几个实例。

（一）温度采集与显示系统设计和实现

环境信号的数据采集是计算机控制系统的基础功能之一。在众多的外围数据中，环境温度是一种常见的采集对象。由于计算机可加工处理的信号是数字量，而外界采集得到的环境温度是连续变化的模拟量信号，无法直接输入计算机控制系统进行加工处理，因此需要借助模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号再输入计算机系统做信息处理，反之则需使用数模转换器（DAC）进行转换再向外围系统输出。本实例项目训练学生基于8051单片机系统，使用线性温度传感器、ADC、LED数码管显示器等，设计与运用计算机外围数据采集应用系统。该系统的硬件组成主要包括三个模块，分别是温度采集、ADC数据处理、数据显示。其基本结构框如图2所示。

图2 温度采集显示系统的基本结构示意图

在该项目的实践过程中，学生基于8051单片机，根据具体的应用场景选择合适的温度传感器采集外界温度，经过8051单片机对采集的信号进行模数转换，再通过LED数码管显示器显示其数值。在这个实践实训过程中，学生通过资料查阅了解温度传感器的选择方法、ADC的工作原理，掌握单片机与外围温度传感器的通信技术、LED数码管显示器的使用方法、编写与调试相应的控制程序，从而独立完成计算机外围数据采集与信息显示的计算机应用系统。该项目的实施有助于训练学生的动手实践能力，帮助他们形成分析问题、解决问题的创新思维能力。

（二）红外遥控系统设计与实现

红外遥控在家用电器中有着广泛的应用，甚至在计算机外围设备中也有使用，如无线鼠标、无线游戏操控杆。本实例项目要求训练对象设计与实现一套基于计算机控制技术的红外线遥控系统。该红外遥控系统分为两个模块，即实现遥控信号输出功能的红外信号发射模块、实现遥控信号接收与解码功能的红外信号接收模块。其基本组成结构框如图3所示。学生可借助8051单片机作为遥控信号发射与接收的主控处理器芯片，在此基础上利用单片机内部的定时器和外部中断控制器实现遥控信号的发射编码与接收信号解码。在该系统的设计与实现中，编码、解码功能需根据实际需要选择使用专门的电路芯片实现。

图3 红外遥控系统基本结构示意图

项目要求学生基于8051单片机，根据应用场合需要选择相应的编码、解码芯片设计与实现基于单片机控制的红外通信系统。在项目实践训练中，学生需要深入理解键盘控制器、红外信号的编码与解码、红外信号发射接收器的工作原理与使用方法，并且需要编写与调试控制系统中的程序代码。该项目的实施有助于提高受训对象的动手实践能力，提高他们查阅资料、分析问题、解决问题的创新实践能力。

（三）GPS信号接收机的设计与实现

全球有四大卫星定位系统，包括我国北斗卫星导航（COMPASS）、美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）以及欧洲伽利略（GALILEO）。这些卫星定位系统在交通运输、无线通信、地质测绘、国土安全等众多领域发挥着重要作用。美国GPS由于具有定位精度高、通信时长短、通信协议公开、软硬件成熟、使用免费等优点，得到广泛应用。GPS定位系统开发就个人用户而言特指用户接收，即GPS信号接收器。本实例项目要求参训学生基于8051单片机设计与实现一个简易的GPS信号接收机，并将接收信号转换为经纬度信息进行显示。项目设计与实现的接收机主要包括三部分，分别是8051单片机控制器、GPS接收器硬件模块、LCD显示器。其基本结构框如图4所示。

图4 简易GPS信号接收机基本结构示意图

该项目基于8051单片机系统，结合GPS接收器芯片、LCD显示器设计与实现一个简单的GPS信号接收机。项目的实施过程中，学生需要深入理解GPS接收器、LCD显示器的工作原理与使用方法，掌握串行、并行数据的转换处理方法以及LCD显示器的数据显示技术，并编写与调试相应的控制程序。项目的实施有助于提高受训对象的动手实践能力，培养他们的科学素养，训练其分析问题、解决问题的动手创新实践能力。

三、教学效果评价

为评价“单片机与接口技术”课程建设引入学业导师项目驱动培养授课学生创新力的成效，本文对我院近五年（2017—2021年）该课程教改前后的教学成果进行分析。其中，前三年（2017—2019年）中，课程未开展学业导师项目驱动计划；后两年（2020、2021年），全面引入学业导师项目驱动计划对授课学生实施创新力培育训练。本文从主观与客观两个维度，即授课对象的主观评论、大学生创新创业项目统计数据，全面进行分析。

（一）授课对象的主观评论

本课程自2020年开始引入学业导师项目驱动计划对授课学生开展创新力培养的课外实践训练。为获取授课对象的主观评价材料，课程教学期间采用匿名问卷的方式，以20%的抽样率随机发放问卷表采集学生的主观评论意见。参与学业导师项目驱动训练学生的代表性主观评论如表1所示。

由表1可知，参与创新力培养训练学生的主观评论集中体现在如下几点：（1）有助于提升学生对课程知识的学习兴趣；（2）能帮助学生明确自身专业学习与培养目标；（3）有助于学生了解所学专业的前沿技术；（4）有助于增强学生的动手实践能力；（5）有助于学生科学思维能力的形成；（6）有助于提升学生的实践创新能力。从匿名采样的学生主观评论来看，在课程教学中引入学业导师项目驱动的大学生创新力培养模式，其对受训对象的专业知识学习兴趣、动手实践能力、科学思维方法、创新能力培养等方面都有着积极的促进作用。

表1 参与创新力培养训练的学生评论

（二）大学生创新创业项目数据分析

在“单片机与接口技术”课程中开展学业导师项目驱动的创新力培养教学改革，可让授课学生积极参与其中，并收获颇深。创新思维是大学生创新力的重要表征，可表现为受训对象在创新实践过程中发现新科学问题的能力。此能力的训练是高校学生创新力培养的重要内容，它直接影响着受训对象在项目后期创新力的可持续性发展前景。在本教改效果客观评价中，可以借助受训对象申请参与“大学生创新创业训练计划”（SRT）项目的统计数据进行分析。为避免平行班教学不对称引起的评价偏差，仅对本课程参训学生申请项目、获得立项资助项目中与课程教学内容相关的项目数据进行教改效果评价分析。近五年（2017—2021年）开展的基于学业导师制的项目驱动大学生创新力培养教改工作统计数据如图5所示。

图5 SRT项目申报统计情况

图5从三个维度，即参与申请项目的学生人数、申报的项目数、获得立项资助的项目数，显示了近五年SRT项目申报情况的统计数据变化。统计结果表明，相比过去的三年，授课学生在2020年、2021年参与申请项目的人数明显增长，申报项目数量、获得立项资助的项目数量有质的飞跃，这充分展示了受训对象在创新思维能力训练方面有着明显的提升效果。有诸多因素导致上述统计数据发生整体上升变化，如学生综合素质提高、SRT项目宣传吸引力度增大、学业导师制逐步健全与完善，等等。分析学生主观评论可以发现，基于学业导师制引入项目驱动开展学生创新力培养的教学改革探索，在一定程度上促进了授课对象对课程专业知识学习的主观能动性，提升了学生的创新思维能力，帮助他们提高了创新实践过程中发现新科学问题的能力与解决新问题的信心。这些因素综合在一起，对参训学生的创新力培养都起到积极的促进作用。

四、总结与展望

深入贯彻落实习近平总书记关于高等教育创新人才培育指导意见的重要论述，是新时代中国特色社会主义发展的战略需要。因此，要结合课程特点，充分挖掘“单片机与接口技术”实践教学相关的教改切入点，将学业导师项目驱动引入授课对象的专业知识教学并贯穿其大学期间的创新力培养过程。课程教改活动表明，课堂教学引入学业导师项目驱动计划可让授课对象在收获专业知识技能的同时，激发其学习主观能动性，有助于提升学生在创新实践过程中发现新问题的创新思维能力，达到构建符合新时代社会主义建设需求的高校创新人才育人体系的目的。近五年的教学效果数据评价分析表明，将学业导师项目驱动计划引入课程教学后，学生的学习主观能动性、创新项目参与人数、立项资助SRT项目数都有明显的提升。