以“学科竞赛为平台、应用能力培养为核心”单片机课程教学改革的研究

郑洪庆，程 蔚，蔡 凡，韩之刚，张洪杰

（闽南理工学院，福建 石狮362700）

随着新一轮科技革命与产业变革，对未来新兴产业和新经济对人才的能力提出高要求。以培养应用创新型人才为目标，借助学科竞赛这平台，加强学生的动手能力，分析、解决问题的能力及创新能力[1]。对于电子信息类的学生来说，单片机是一门很重要的必修课程。结合我校电子信息工程专业的需求和定位，依托2017年福建省本科重大教改项目，对单片机课程进行改革。提出以学科竞赛为平台，以应用能力培养为目的的课程教学模式。

1 单片机教学现状

1.1 理论课时较多，缺乏实践

目前大部分高校的单片机教学是先理论再实验，理论课只讲不做，实验课只做不讲，理论和实验在时间和空间上断档。另外，课堂上知识点多，学生遇到问题无法在课堂上解决，日积月累造成学生失去学习动力[2]。

1.2 设备陈旧，缺乏应用创新

传统的单片机实验室一般采用实验箱，虽然比较全面，但形式固化更新速度慢，不利于学生接触新技术[3]。实验箱自身开发能力较弱，学生想完成设计性和综合性设计时，受到时间和地点的限制，无法提升创新实践。

1.3 单片机课程与其他相关课程缺乏联系

单片机应用开发一般离不开传感器，控制算法等。涉及这些内容的课程的授课教师与单片机授课教师不同，教学内容、计划缺乏整合，教师之间缺少沟通，不能将知识进行整合教学[4]，很容易造成学生知识的孤立，不能掌握系统的专业知识和技能，无法培养学生职业素养。

1.4 竞赛资源不足，缺乏引领

学生希望通过参加各类学科竞赛提高自身的创新实践能力，但竞赛资源不足[5]。比如教师指导不到位，教师自身能力，课程内容限制，教学过程中没有引领学生学习高级的芯片以及学生自学能力等[6]。

2 单片机课程教学改革实践

2.1 基于学科竞赛平台的重构教学内容

2.1.1 “电子设计竞赛”平台

电子设计竞赛题目涉及电子信息类的相关课程包括电路、模电、数电、传感器、自动控制原理，单片机等，涉及知识面广，对基础知识要求高[7]。选择合适的传感器及元件，设计电路，制作电路板，焊接电路，编写程序，采用不同的控制算法完成对象控制。在训练和竞赛中，接触到新技术和新器件，对理论教学和实验教学提出了新的要求[8]。在理论教学中增加电子涉及的新技术和新器件的应用等，在实验教学中，摒弃陈旧的实验内容，如分立元件的电路实验，增加集成运放的各种应用、电子线路仿真设计等内容，丰富实验内容。

2.1.2 “蓝桥杯”全国软件与信息技术专业人才大赛

大赛单片机组，主要针对配套的开发平台，完成题目的程序设计，达到锻炼学生单片机开发的能力。主要涉及的模块有：单片机、数码管、键盘、各类传感器、A/D和D/A、电机驱动等。

课程群内容重构及学期安排如图1所示。

图1 单片机课程群内容重构及学期安排

2.2 口袋版单片机开发平台

针对单片机原有实验箱存在的问题，开发口袋版单片机开发板，促进理论与实践的衔接，拓展实验项目，延展学生实践时间和空间，引领学生自主学习更高级的芯片。

以学科竞赛为平台，开发口袋版单片机开发板。主要包括：

（1）基础模块：矩阵/独立按键、最小系统、中断系统、A/D与D/A、UART模块等。

（2）拓展模块：DS18B20 温度、DS1302、AT24C02、超声波测距、PWM电机驱动、红外收发及兼容高级单片机芯片-STM32等。

通过模块的有机结合，组成由易到难，由浅到深的项目。具体项目如表1所示。

表1 口袋版开发板的基本项目

2.3 教学模式改革

2.3.1 项目驱动式+翻转课堂教学

目前大部分大学生处于被灌输状态，缺少自主学习能力培养，遇到问题时，不知道从何处解决[9]。采用项目驱动式+翻转课堂教学模式，每周或每两周之前，布置并分析下周要完成的项目，学生利用课后时间结合线上课程和口袋版开发板，选择传感器，设计电路，编写程序，验证想法，完成项目。遇到问题时，小组内成员交流讨论，通过查阅资料，解决问题。解决不了的问题，在翻转课堂上，提出由大家一起讨论。此模式一方面提高学生分析、设计、解决问题的能力；另一方面提高课堂教学效率，和学生一起解决问题，激发学生的思考、分析问题的能力。

2.3.2 线上线下混合式教学

借助互联网优势，建立线上课程，扩展单片机开发内容。以工程实践为主，制作微课教学视频，如使用KEIL软件创建工程，编写单片机程序，程序下载与调试，流水灯，串口通信，温度记录器，超声波测距等工程训练实践项目的教学视频。在理论教学中增加高级单片机芯片的讲解，为学生学习高级单片机芯片做好过渡。学生通过电脑或手机随时随地观看学习。打破原来只能在固定的教室和固定的时间学习[10]。通过学生课后自主学习和操作，提高工程实践能力，锻炼自主学习能力。

2.3.3 组织课外兴趣小组

组织课外兴趣小组，在新生入学后进行引导并纳新，采取传帮带方法，大一大二大三组成梯队，引导学生自学模电、数电，组合口袋版单片机开发板，学习单片机知识，为后续应用打下基础，组合参加学科竞赛逐步培养学生的工程实践能力，培养团队合作能力。

2.4 以应用能力为主的评价体系

传统的考核方式仅以一份期末试卷为主，学生只注重理论知识学习，减少动力实践，无法全面考核学生单片机设计开发能力[11]。如果注重学生实践动手能力，会激发学生单片机开发能力，但理论知识会弱化[12]。因此考核方式很重要。本文采用“235”考核方式，20%为翻转课堂及线上课程的分数，30%为期末理论知识的考核，50%期末前几周布置的大项目设计的成绩。通过多元化的考核方式，注重学生应用能力的考核。

2.5 教师团队建设

学科竞赛涉及内容广泛，对指导教师提出更高的要求，改变原来教师只负责一两门课程的现状，从长远看，需要建设一支具有“学科交叉融合”、理论知识扎实、工程实践经验丰富的导师队伍，提升教师的业务水平。教师一方面需要根据知识体系提取教学内容，根据相应的教学方法把知识传授给学生，并参加学科竞赛的培训和指导工作。另一方面根据学生掌握情况和学科竞赛知识的改变微调教学内容与方法，做到闭环控制，如图2所示。

图2 “负反馈”教学内容重构

通过校内学习与企业实践相结合，对教学内容进行重构，对理论和实践环节进行教学资源整合，强化工程实践能力的企业实训环节，培养学生项目实践能力，明确每门课程在人才培养中的作用。做好核心课程建设规划，细化并落实基本专业能力和核心专业能力。

3 运行与成效

闽南理工学院是一所地方性民办本科院校，刚升本不久。学生素质和教师水平参差不齐，基础比较弱，通过参加形式多样的学科竞赛，进一步提高学生单片机综合应用能力和创新实践能力。近两年来，积极引导学生参加学科竞赛，注重学生实践创新能力的培养和教师团队的组建。近两年的各类学科竞赛中取得较好的成绩，如表2所示。

表2 近两年学生参加的学科竞赛

从表中可以看出，这两年学生参加部分学科竞赛，并取得一定的成绩，并且成绩逐年提高。

4 结束语

改变传统的教学模式，以“学科竞赛为平台，应用能力培养为核心”，重构单片机课程群的教学内容及课程计划，利用互联网优势，线上线下混合式教学，采用项目驱动式+翻转课堂教学式，改变传统的考核模式，建立一支具有“学科交叉融合”、理论知识扎实、工程实践经验丰富的导师队伍，旨在培养具有较强的工程实践能力和创新意识的应用型人才。通过对本课程的教学模式改革，提高了学生的自主学习能力，单片机设计与开发能力，增加了学生的学习积极性，提升了参加学科竞赛的成绩。