“新工科”背景下单片机课程设计教学的改革研究

周 玉，周丽娟，朱文球，彭召意，杨振亚

（1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412008；2.湖南工业大学计算机与通信学院，湖南 株洲 412008）

0 引言

对于我国工程教育改革而言，建设与发展“新工科”应满足以国家新经济蓬勃发展对工程科技人才的需求，培养适应技术高速发展且满足企业需求的工科人才是大势所趋。“新工科”主要集中在电子信息类、电气工程类、机械工程类、计算机类等多个专业。这些“新工科”专业具有的共同点是与现实工业结合密切，需要掌握和应用现代化技术来解决复杂的工程问题。

单片机课程是“新工科”建设的一门重要课程。单片机课程设计教学是单片机课程中的重要实践教学环节。本论文针对目前高校单片机课程设计实践教学存在的问题，提出以项目应用为导向、网络科技为手段的教学理念，改革课程设计教学环节，项目应用贯穿所有实践环节，采用工程项目模块化的实验教学，校企合作式的课程设计教学，全面培养学生在工程实践中研发的综合能力[1]，最终使学生达到基于“新工科”建设的单片机课程设计教学的培养要求。

1 单片机课程存在的问题

“新工科”的人才培养目标[2]对我们现行的单片机课程实践教学提出了很高的要求，通过调研，我们发现学校教学理念和教学发展层次不一，理论教学发展较快而实践教学相对滞后，存在重理论教学轻实践教学的现象，单片机课程设计教学[2]不能跟上“新工科”建设的要求，存在的问题如下：

1.1 课程设计教学模式落后

（1）因开实验箱或实验板数量不足，设计题目和内容有限，无法充分考虑学生的个体差异[2]，难以做到所有选题都能很好地与工程问题切合。

（2）学生按照老师布置的任务[2]按部就班的实施，课设的难度较大，难以全面调动学生的积极性，也难以实现对学生团队合作精神的培养。

（3）部分教师知识技能没有跟紧“新工科”教学的发展，使得单片机课程设计课题陈旧，与实际工程应用脱节[2]。

1.2 课程设计教学技术平台落后

单片机实践教学仍然是师生在实验室中完成的落后方式，没有建成虚拟仿真实践教学平台，学生缺乏快捷获取大量实践知识的途径，教师也无法通过平台发布实践课程的相关信息，不能实时指导学生。整个实践教学环节无法通过网络科技手段执行。

由于单片机课程设计教学整体落后，没有形成符合“新工科”建设的教学体系，造成单片机课程设计教学与工程应用脱节，不能达到“新工科”形势下的人才培养要求。

2 课程教学目标的改进

教学改革首先要确定课程目标的改进。我校电气工程专业正在进行工程教育专业认证的申报[3]，根据相应要求，开设“单片机系统课程设计”支撑电气工程专业毕业要求中的“问题分析”能力的培养[4]，即通过本课程课堂教学、软件使用、课堂提问、答辩等教学环节的实施，使学生掌握单片机控制系统基本结构、工作原理、设计开发流程，使学生具备一定的专业知识，具有工业控制系统设计和开发能力。具体如下：

课程目标1：能够针对复杂工程问题，选择和使用恰当的技术手段和现代工程工具[5]，进行系统的整体或单元设计，以满足单元或系统设计要求，领会相关工具的局限性。培养学生自主的工程实践学习能力，能够识别复杂工程问题中所涉及的自然科学和工程科学的相关理论知识[6]，把复杂工程问题的单元或模块分解以给出解决思路（指标点3.1）。

课程目标2：掌握和了解电气新产品、新技术，能分析和评价所设计完成的开发应用对社会、健康、安全、法律以及文化的影响[7（]指标点6.2）。

根据电气工程及自动化专业的培养目标和毕业要求，本课程支撑专业培养计划中毕业要求3和毕业要求6，课程培养目标和毕业设计的对应关系见表1[7]。

表1 课程目标与毕业要求的对应关系

3 单片机课程设计教学方案的改革

在单片机课程设计教学中，摒弃陈旧的教学方案，采用校企合作方式执行，企业补充教学硬件资源并提供企业工程师，教学整个环节采用双师制，由工程师和教师配合一起全程进行教学。同时加以项目内容的改革和考核机制的改进，辅以虚拟仿真平台支持，这种教学模式能较好地培养学生利用已学知识解决实际工程问题的能力和团队精神，达成课程设计的教学目标。实施方案如图1所示。

图1 课程设计教学模块实施方案

3.1 把企业引入课程设计教学环节

利用学校学院现有的企业实习基地，联系对应企业将企业引入课程设计教学。

该方案的优势是：利用企业资源部分解决实验硬件不足的问题；通过企业补充实践性较强的工程项目；通过企业提供实践经验较强的工程师参与课程设计教学。

教学课堂采用双师教学，即企业工程师和教师共同教学，确保课程设计项目密切结合实际的工程应用，工程师和指导教师协作提供备选项目课题，全程进行学生的教学和指导工作。

3.2 实施项目内容差异化

课程设计项目的选题应力求综合各专业课程知识，让学生将所学的多门课程知识相融合，通过课程设计实践，学生能够有效地提高自身的综合实践能力。部分课程设计项目选题情况见表2，每个课题项目任务均不相同，完成课题需根据设计要求，进行整体方案设计，硬件电路设计和软件程序设计。具体教学采用理论讲授，集中指导，分组指导，单独答疑等相结合的教学方法。课程设计项目设置差异化，具有在“新工科”背景下满足行业需求的特色。

表2 部分单片机课程设计项目选题

项目的开展模拟开发团队的工作模式，将学生以2～3人为一组，首先推选一位组长，由组长自行组队，并安排队员完成指定的任务。在组成团队的过程，按能力情况将学生分为三个群组（基本/加强/高水平），安排学生选择对应级别的项目内容，随着教学进程的推进，允许学生根据情况，调整到高一级的团队，或选择高一级的项目。学生团队化，项目差异化贯彻了以学生为中心，因材施教的原则。学生可以根据自身水平层次选择合适的项目，既能保持学习兴趣和热情，又能克服困难提高项目实践能力。这种良性的学习过程能够鼓励学生积极向上的精神，并且经历项目实施过程学生获得了团队共同协作完成项目的经验。

3.3 设计考核方法

单片机课程设计对每组同学采用答辩方式进行验收考核。课程设计总成绩为平时成绩、设计报告、设计运行和答辩之和，其中平时成绩占10%，设计运行占40%，答辩成绩占20%，设计报告占30%。答辩成绩分由个人成绩和团队成绩构成。答辩过程中对每位同学都有不同的提问，答不出的问题，同组其他成员可以补充，并计入该组员的成绩。团队成绩同时作为组长，组员的考评分之一。这种考核方式能够较大范围体现公平，既能让优秀的同学脱颖而出，又能让不够努力的学生得到同组的鞭策和帮助，有效地学到知识，得到提高。答辩环节也加强了学生团队精神，培养了部分同学的领导组织能力。

总成绩采用五级记分制，折合标准为：90分以上为优秀；80～89分为良好；70～79分为中等；60～69分为合格；60分（不含60分）以下为不合格。各考核环节与课程目标与成绩比例分配情况见表3。

表3 课程目标考核方式及成绩比例

3.4 建设单片机虚拟仿真平台，扩展单片机课程设计实践教学

（1）根据课程设计实践教学的特点和需求，建设单片机课程虚拟仿真平台，利用开发工具Proteus加网络搭建单片机虚拟仿真平台。Proteus具有强大的硬件电路设计和测试功能，并能根据项目的需求进行多种型号单片机的仿真调试。利用该平台资源可以通过单片机接口电路设计、单片机控制设计和交互式模拟，使学生学习并参与完整的项目训练，能以虚拟仿真方式观察系统的运行结果。整个过程学习形式丰富多样，教学生动具体，学生学习兴趣增强，学习效率提高[8]，从而提高学生的工程应用能力。

（2）课程设计实践环节都能得到平台的资源，获得技术支持。平台上包括实践课程设计介绍、软件资源、讲课视频、项目课题、项目演示、课程设计项目指导、报告提交等等，对所有学生老师开放，便于课程设计的教学开展。

（3）通过虚拟仿真平台实时教学，实时学习，扩展实践教学内容和时间。老师在课后通过网络平台加强对学生的交流和指导，实时掌握学生动态，调整上课的进度和方式[9]。学生通过网络平台实时进行单片机项目的学习和训练，也能及时了解课程教学的开课时间、线下教室地点，以便提前进行课程预习，掌握知识要点，及时提交课程学习报告。

4 教学效果分析

我院电气工程专业在2021年已经与广州一家科技股份有限公司对接，引入该企业工程师，先在部分班级试点开展了单片机课程设计环节的教学改革。

2020年智能电网班进行常规课程设计，2021年智网2019级各班开始实施课程设计的部分教学改革举措。试点班级进行分组项目选题，各组每天都有具体的任务，学生学习比较积极主动，课程设计后期分组进行了项目答辩并给出验收考核成绩；各班均由一位企业工程师和一位教师协同进行教学和管理。通过试点班级的教学改革，得到具体的教学效果数据如图2和图3所示。其中图2为不同年级的成绩统计（选取部分班级的成绩）；图3是不同年级成绩的柱状分析图，通过成绩的数据分析，普通班级的成绩分布以80～89和70～79分 数 段 为 主，占 据 总 学 生 数 的74.42%；而进行改革的试点班级及格成绩（60～69）的百分比下降到0，下降了11.63%；中等成绩（70～79）的百分比下降到9.3%，下降了16.3%；良好成绩（80～89）百分比上升到68.75%，提高了19.91%，优秀成绩（90以上）百分比上升到21.88%，提高了7.93%；最高分提高了2分。显然试点班级的良好率和优秀率均有较大幅度上升，试点班级教学效果有较大提高，学生的综合实践能力有了较大提高。

通过试点班级的教学改革，学生普遍提高了工程实践应用能力，增强了团队合作精神，整体成绩有较大幅度的提高，教学效果良好。教学改革的试点过程充分证实这种单片机课程设计的改革不但有较强的理论依据，而且具体实施也是切实可行的。

图2 单片机课程设计成绩年级统计结果

5 结语

本文以单片机课程设计实践为例，根据“新工科”建设的要求，通过分析高校单片机课程设计教学中存的问题，以我校电气与信息工程学院的学生为改革对象，提出了合理的单片机课程设计实践教学改革方案，该改革方案通过试点班级的展开，学生学习兴趣有较大提高，实践能力得到较大提升，教学改革取得良好效果，说明该改革方案构建了符合“新工科”建设要求的单片机课程实践教学模式，可以在更多教学班级范围展开，以期达成“新工科”形势下单片机课程实践教学的目的。

图3 不同年级成绩柱状分析结果