单片机原理及应用多维立体化混合式教学模式改革与实践

2024-02-27张强丁建尚福鲁

创新创业理论研究与实践 2024年2期

张强，丁建，尚福鲁

（青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520）

单片机原理与应用课程是使学生掌握单片机的基本原理和应用的课程，是培养学生专业能力的重要组成部分，是一门应用性和实用性都很强的课程。该课程涉及电子信息、计算机和自动化等多方面技术，是自动化、控制类相关专业的重要专业课程。通过培养学生的创新能力和工程素养，可以使学生具备更强的发现、分析和解决问题的能力，从而实现“学以致用”，提高学生的实践能力。在新工科背景下，应用型本科专业对学生创新实践能力培养有了更高要求，传统的教学理念和方法已经无法满足新时代对创新型人才的培养要求。

1 单片机原理及应用课程教学存在的不足

工程教育认证的核心理念是以学生为中心，培养学生的工程创新能力。单片机原理及应用在电路原理、数电、模电、自控原理及计算机应用基础等先修课程的基础上，重点培养学生应用单片机知识解决复杂工程问题的能力[1]。单片机的独特特性决定了该课程包含大量复杂和零散的概念，基础概念相对抽象。该课程还要求学生有较高的实践动手能力[2]。通过对单片机原理及应用课程的教学方式进行分析，发现存在以下问题，不符合工程教育专业认证的理念。

（1）在传统的教学方法中，课程教学以教师为中心，为“老师讲，学生听”，在教学过程中，教师起主导作用。师生之间缺乏沟通，教师未能及时了解学生的学习情况和调整教学方法，导致教学模式过时，学生学习枯燥，与强调培养学生创新能力和解决工程领域复杂工程问题实践能力的工程教育专业认证要求不符。

（2）缺乏对创新能力的培养，配套单片机课程的实验内容相对单一，以验证性实验为主。学生按照实验教学手册中的指导要求按部就班地取得实验结果，不利于创新思维的培养，也不利于进一步锻炼单片机系统的设计、开发、硬件测试和软件调试等方面的能力。

（3）理论教学与实践应用脱节，目前的课程教学仍以传统单片机硬件接口及汇编语言编程讲解为主，并未结合广泛应用的新型电气控制元件讲解，未考虑控制设备的理论课程。各知识点相对松散，缺乏连贯性，所选案例相对单一，并没有充分考虑工程实践的内容，也没有重视提高学生的工程应用能力。在编程控制技术教学中，没有充分考虑实际中有较高要求的自动化控制问题，只强调汇编和C 语言编程指令讲解，无法实现芯片和电子元件的实际工程应用，影响了学生实践应用能力的培养，学生在学习该课程后无法很好地获得实践知识。理论知识教学过于抽象，学生难以很好地对课程知识内容进行理解和应用。

2 基于OBE理念的课程教学改革

2.1 课程目标

改革并完善“以学生为中心、以教师为主导、以现代信息技术为支撑、以提高学生综合应用能力为目标”的新型交互式学习体系，改进“以课堂教学为主导，以微课、线上课堂、个性化自主式学习为辅，以赛促学综合实践”的立体化学习环境，完善“分别以教师和学生为对象的双重教学评价体系”，以促进课堂教学质量的全面提高，同时开辟多种渠道，培训师资，提升教师的综合素质，把单片机原理及应用课程建成体现现代教学理念和创新精神，具有一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教学管理的示范性课程，把课程建设成省级优秀课程。课程目标与教学内容及考核环节之间的关系如表1所示。

表1 课程目标与教学内容、考核环节之间的关系

2.2 教学模式

采用“以学生为中心、以教师为主导、以现代信息技术为支撑、以提高学生综合应用能力为目标”的新型交互式学习体系（如图1 所示），充分利用信息化和实验室资源，完善原有以教师授课为主的单一教学模式[3]。充分利用电子爱好者协会和开放实验室资源，建成以老带新、以赛促教、赛教融合的混合式教学新模式，使教学向自主化发展，向解决工程复杂问题的方向发展，不受时间、地点的限制。在教学过程中充分调动学生和教师的积极性，确立学生主体地位。

图1 以学生为中心的教学模式

2.3 教学方法

实现由以教师授课为主，单纯传授理论知识和技能的教学模式向以学生为中心的教学模式转变，既讲授理论知识，又注重学生自主学习能力和解决工程实际问题能力的培养。充分利用工程实践和实验室教学资源[4]，引导学生提出问题、探讨问题、解决问题，采用可鼓励学生自主创新的教育教学方法，开展以学生为中心的探究式教学。利用无人机、智能车等新式智能产品调动学生好奇心，激发其主动学习的兴趣，逐步确立学生在教学过程中的主体地位，使教学向个性化学习、主动式学习、浸入式学习的方向发展，不断提高教学质量。

培养学生自主学习的意识和能力，通过协会和开放实验室，由高年级学生“传帮带”低年级学生开展自主学习，帮助学生形成持久的学习动机。通过网络预习、课中探讨式学习、课后自主学习、课外实践动手学习3 个方面培养学生的自主学习能力。

教师课前布置预习大纲，引导学生自学，发现自己的问题。课后，教师充分使用中国大学幕课、学堂在线等网络资源[5]，根据教学进度与要求为学生布置网络自学任务，使学生结合自身水平、特点，自行选择相应的补充学习内容。后期，教师结合临沂校区学生实际，建立自己的网上课程资源，让学生更加适应线上线下相结合的教学模式[6-7]。

课外继续扩大竞赛规模，丰富竞赛种类，为学生创造实践动手的机会和条件，营造良好的学习环境，调动学生的主动性[8]。充分利用电子爱好者协会，开展由高年级学生和任课教师共同担任辅导教师的第二课堂活动，发挥学生带动学生的优势，激发学生主动学习的兴趣和热情。

2.4 教学评估模式

教学效果评估采用教学目标评价法，为有效评价OBE 理念下的课程建设，确立课程评估的方法与原则[9-10]。

（1）以学生为中心，注重学生学习成果和课程对人才培养目标的支撑度。

（2）结合目标、过程和效果，对课程质量进行全面综合评价，重点评估课程的目标定位、教学条件、教学过程和教学效果。

（3）课程采用学生评估与专家评估相结合的方式，由校内外专家同行、教学督导和学生等不同主体进行综合评估，确保课程评价客观有效、公正公平。

采用过程性评价模式，对学生学习过程进行观察、评估和监督[11]，如学生网上自学记录、课堂讨论表现和课外实践记录、预习及复习情况记录、期中期末测试等，激发学生的积极性和学习效率，促进学生自主学习能力和综合实践能力的提高，为教学提供反馈，根据课程评估存在的问题与不足，在原有教学质量监控措施的基础上，结合本校办学特色，明确持续改进评估的主体、内容及方式，构建集监控、管理、评价、反馈、改进5 个功能于一体的良性闭环系统[12]，从持续改进的角度提出改进课程质量评估的对策，便于重新设计并改进教学内容、方法和方式，实现课程教学的持续改进。

2.5 创新能力培养

教师应合理应用现代化教学资源辅助教学，将丰富的资料图文并茂地呈现给学生，把最新的课程信息补充进教学[13]。创造机会让学生成为课堂的主人，通过探讨互动、实践操作加强学生自主学习能力，提高综合应用能力[14]。为此，设立了“五级提升式”课外学科竞赛平台体系（如图2 所示），通过各种竞赛提升学生的团队合作精神和实践能力。学科竞赛育人平台可以为学生提供丰富的学科竞赛知识和技巧，帮助教师在课堂上进行竞赛教学，增强学生的学习兴趣和参与度。学科竞赛育人平台可以通过与教学的结合，为学生提供更加丰富和多样化的学习资源和机会，促进学生的学习和成长，同时也为教师提供更加便捷和高效的教学辅助工具。竞赛育人平台可以通过激发学生兴趣、增强学生自信、提高学生能力、促进教师成长和拓展教学内容等方式，促进教学的提高和优化。

图2 “五级提升式”课外学科竞赛平台体系

3 教学实践

教学团队从2021—2022 学年开始实施上述混合式教学模式，所带教学班学生成绩与往届相比，各项成绩都有所提高。表2 是本学期期末试卷得分分析表，表3 是由总评成绩计算出的各毕业指标点的得分分值及达成情况。

表2 期末试卷分析

表3 指标点达成度评价

由表2 可知，第三大题之所以得分率相对较低，主要原因是这道题的工程复杂度比较高，有些学生虽然能掌握相关基础知识点，但是在综合实践应用方面仍有提升空间。从表3 可以看出，这个教学班的毕业指标点全部达标，说明大多数学生在工程领域对复杂工程问题的解决能力还需要进一步提高的情况下，总体上已经掌握了与机电控制有关的单片机知识。针对上述问题，后续教学拟从以下几个方面加以完善：（1）以案例教学为主，重点加强解决复杂工程实际问题能力的培养，加强学生分析设计能力的训练，以解决复杂工程实际问题；（2）在实验教学上，突出设计实验方案，提升学生自主解题能力；（3）鼓励学生在课外实践项目中，在项目方案的设计和分析比较中，充分利用文献资源，提高分析问题和解决问题的能力。

通过课程教学方案改革，学生参加竞赛比重由原来的8%提高到了50%，2021 及2022 年度获全国大学生电子设计竞赛省一等奖6 项，二、三等奖20 余项，获全国大学生智能汽车竞赛省一等奖4 项，二、三等奖10 余项，竞赛获奖质量和数量均有明显提升。