课程思政背景下“单片机原理”课程教学改革探索

［摘 要］ “单片机原理”是电气工程及其自动化专业本科生的基础课程。在课程思政教育背景下，分析了单片机原理的课程思政特征，制定了本课程的课程思政目标，分别从宏观维度和微观维度出发，基于课程知识点挖掘课程中天然自带的课程思政元素，详细阐述了三个典型课程思政案例。在教学实施与改进方面进行了探索，组建产学研用赛结合型的课程教学团队，引入课程思政考核占比，提升课程思政育人实效，培养学生的家国情怀、哲学思维和工匠精神。

［关键词］ 课程思政；单片机；教学模式；教学案例；持续改进

［基金项目］ 2022年度上海理工大学机械工程学院教学发展研究项目“教学竞赛驱动下高校青年教师教学能力提升路径探索”

［作者简介］ 罗 （1986—），男，山西万荣人，工学博士，上海理工大学机械工程学院副教授（通信作者），主要从事大功率电力电子变流器研究；夏 鲲（1980—），男，上海人，博士，上海理工大学机械工程学院副院长，教授，主要从事高效电力电子设备及其故障检测技术、精密电机控制和测量技术研究；袁庆庆（1987—），女，江苏启东人，博士，上海理工大学机械工程学院副主任，副教授，主要从事电机高性能控制、新能源并网控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）17-0101-04 ［收稿日期］ 2022-11-06

引言

2020年5月，教育部印发的《全国高等学校课程思政建设指导纲要》明确指出，工学类专业课程，要注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当［1］。2022年7月，教育部等十部门印发了《全面推进“大思政课”建设的工作方案》，对“大思政课”建设工作进行了全面部署，为落实“大思政课”提供了明确的工作思路和方法［2］。“单片机原理”是上海理工大学电气工程及其自动化专业本科生的基础课程，是一门面向工程应用、实践性与综合性较强的课程［3］。同时，该课程也是一门理论及实践并重的专业必修课，具有知识点多、技术更新快、实践性强等特点。本课程以89C51单片机为典型机，介绍51系列单片机的基本概念、基本原理、硬件结构、指令系统、汇编语言程序设计、中断系统、定制器、扩展技术以及单片机应用技术。学生通过对本课程的学习，学生掌握单片机的基本原理、核心功能、汇编语言编程技术以及常用系统接口扩展技术，具备设计一个具有一定应用规模单片机系统的能力。本文分别从宏观维度和微观维度出发，在课程教学内容设计、教学方法运用和教学过程实施等方面进行探索，提升课程思政育人实效。

一、课程思政特征分析

“单片机原理”课程的特点是理论知识点多，核心概念较抽象，对单片机内部结构的理解以及硬件和软件的结合应用是教学重点和难点［4］。课程思政教育需要与课程内容紧密结合，对课程内容进行全面梳理和知识重构［5］。将所挖掘的思政元素有机融入课程教学，制定社会主义核心价值观、家国情怀、工程伦理、工匠精神、乐学善思等课程思政目标，理论联系实际，充分发挥实践教学的重要作用，形成知识引领、思政贯穿、面向实践的课程目标体系，达到教学目标和思政育人目标的一致，使学生学有所得、学有所悟、学有所思。

通过问卷调查、课堂观察、课后谈话、教学反馈等方式，基于学生自身特点、先修课程基础、学习环境、行业熟悉程度等方面全面分析课程优势和教学难点，为思政元素融入和教学方案制定奠定基础。基于课程思政目标，将国家发展战略与专业知识融合、行业标准规范与工程案例融合、职业精神与学识修养融合，理论实践并重，为教学活动开展制定丰富的课程思政案例库。

从宏观上分析，单片机隶属于芯片领域，以中国航天发展史为切入点，宇航芯片是中国空间站上实现关键功能的最小个体，但对航天任务的成败意义重大。随着我国航天事业不断发展，一大批国产宇航高端芯片应运而生，宇航芯片的性能和可靠性稳步提高，开启了“中国芯”的飞天之路。梦天实验舱成功发射后，三舱组成的中国“天宫”空间站全面建成，我国已实现宇航级芯片100%自主可控，激发学生的民族自豪感。居安思危，让我们思考我国芯片产业的现状，存在的“卡脖子”难题以及巨大的发展机遇。我们都是中华民族的一员，都肩负着国家发展的历史使命，大到整个学术界，小到每一名大学生，我们对自身学习和学术的定位都将会影响到社会未来的发展。通过课程思政教育，不仅让学生对专业课学习更为明确，更要让学生对自身有更加准确的定位，勇担时代使命，不负期许不负青春。通过介绍代表性国产单片机芯片的研发与应用现状，结合现阶段人们对于国产单片机产品的需求以及市场环境变化趋势，让学生对国产单片机的发展现状有清晰的认识。将课程思政元素有机融入单片机原理课程教学中，使学生在学习单片机知识，提高自己实践动手能力的同时，也感受到国产单片机芯片产业的日益强大，将爱党、爱国、爱人民的情怀扎根于心中，成为担当民族复兴大任的时代新人。

从微观上分析，单片机的核心功能与系统观、哲学观、方法论中的原则与思想天然契合，充分挖掘后可以训练学生的哲学思维，培养“工匠精神”。硬件和软件是完整的单片机系统相互依存的两部分：硬件是单片机系统软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是单片机硬件发挥性能的重要途径，单片机必须具备完善的硬件和高效的软件才能充分发挥性能。通常，在进行开发前，需要根据单片机系统的运行速度、成本、可靠性和研制周期等要求来确定硬件和软件功能的划分。因此，在课程学习时，要让学生清楚单片机系统硬件和软件的辩证统一关系，上升到方法论，训练学生的哲学思维。将单片机的一些核心功能与积极向上的人生观和价值观结合，单片机的中断可以让学生认识到合理安排时间的重要性，学会统筹规划，高效利用时间。早期的单片机没有中断功能，与外设交换数据只能采用程序控制传送方式，主机长时间处于等待状态，工作效率低，时间被浪费。中断功能使单片机具有实时处理功能，可以按重要程度及时处理随机发生的事件，无须长时间无效等待。单片机的定时器在单片机的工作运行过程中有定时或事件计数功能，常常会被应用于时间控制、程序延时、对外部时间计数和检测等场合。通过对单片机定时器的学习引导学生建立惜时勤勉的人生观，高效利用时间，提升自身的综合能力。

二、课程思政案例设计

（一）思政案例：小小“中国芯”，大大“航天梦”

2022年10月31日，中国在海南文昌航天发射场运用长征五号B运载火箭，将中国空间站三舱主体舱段中的最后一个舱段——梦天实验舱成功发射升空，随后梦天实验舱与天和核心舱进行快速交会对接，三舱组成的“天宫”空间站全面建成，天上宫阙今始成，古人对浩瀚宇宙的向往在社会主义中国变为了现实。1993年美国牵头组织建造国际空间站时，中国就曾经递交申请，但被拒之门外。如今中国凭借自己的力量独立开发了“天宫”空间站，并且已与19个国家和地区达成46项太空合作协议。随着我国航天事业不断推进发展，一大批国产宇航高端芯片应运而生，宇航芯片的性能和可靠性稳步提高，开启了“中国芯”的飞天之路。目前我国已实现宇航级芯片100%自主可控，这是全体中国人的骄傲。小小“中国芯”，大大“航天梦”。

（二）思政案例：居安思危，发展国产单片机

居安思危，我国消费级芯片产业的发展已经到了最迫切的关键时期。宇航级芯片全面国产化让我们欣喜，但我们也要清醒地意识到，在消费级芯片的发展上我们仍存在短板，面对“卡脖子”难题，我们应该怎么办？党的二十大报告指出，以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战［6］。一代人有一代人的长征路，一代人有一代人的使命担当，我们身处砥砺奋进的新时代，当厚植家国情怀，立勇攀科技高峰的壮志。课堂上，向学生展示宏晶科技推出的89C52单片机开发板，并进行功能演示，引出我国是全球最大的芯片消费市场，学生在学习和将来的科研或者工作中，在性能满足的前提下，尽量选用国产芯片，为国产芯片的发展贡献一份力量。

（三）思政案例：统筹规划，高效安排时间

我国宇航级芯片已经实现了独立自主可控，为实现中国航天梦提供了有力支撑。以“天宫”空间站为例，空间站上的控制芯片应对错综复杂的控制要求，并且对于一些随机的突发事件及时处理，引导学生思考这是如何实现的。以单片机为代表控制芯片在发展初期，CPU与外部设备之间的信息交互采用查询传送方式。由于外设工作速度通常比CPU慢很多，在连续数据传送时，CPU完成一次数据传送后需要等待很长时间再进行下一次传送，在等待时间内CPU不能进行其他操作。很显然，查询传送方式浪费了一种很重要的资源：时间。中断功能的出现使单片机具有实时处理功能，可以按重要程度及时处理随机发生的事件，无须长时间无效等待。空间站上控制芯片的中断功能可以通过分时操作启动多个外设同时工作，提高实时数据的处理时效，系统的实时数据、越限信息和故障信息可以通过中断立刻通知CPU，进而对系统实时正确的调节和控制。学生要掌握单片机中断功能的重要作用和使用方法，反映到日常生活中，学生要学会统筹规划方法，按重要性顺序办事，高效利用时间，合理规划自己的大学生涯。

三、教学实施与改进

坚持基于学情、创新方法、实践检验的教学理念，积极组织学生参加蓝桥杯单片机组、全国大学生电子设计竞赛等创新创业实践活动，从实践中来，到实践中去，将竞赛中的拓展知识点、软硬件调试经验、作品展示方法等内容及时反馈到课程理论教学中，把实践作为检验课程思政教学成效的重要标准。构建价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”的课程教学团队和教学资源，满足新时代大学生对新型教学方式和课程素材的需求。课程配套资源建设包括：选用李朝青等编著的《单片机原理及接口技术（第5版）》作为课程教材，该教材第1版至第5版已印刷50余次。教学团队编著了应用型本科规划教材《电气工程技术实训教程》，其中第七模块《单片机原理及应用实训》作为本课程配套的实验教学内容。基于超星平台和一网畅学平台建设课程配套的教学课件、思政案例库、课后习题、芯片技术手册、测试题库和教学视频等网络教学资源，结合单片机原理课程特点进行科学合理的组织设计，将在线平台资源和线下课堂教学融会贯通，满足线上线下融合式教学理念。课程配套实验环境包括Protues仿真平台、单片机开发板以及创新性实验平台，能满足认识型、验证型以及设计型实验教学需求。针对单片机实验教学，基于Protues仿真平台的实验课程资源与线下实践相比，学生缺乏动手实践机会。一方面完善仿真实验资源，按照由浅入深的原则组织验证性和设计性实验，形成递进式线上实验资源库；另一方面，通过虚实结合的方式将线上实验资源与线下开发板实验融合映射，开课前为学生配备单片机口袋实验室，形成可移动式的实践教学新模式，为动手能力培养创造硬件条件。课程配套有产学研用赛结合型的师资队伍，教学团队是“榜样100”全国优秀大学生社团——EE-CUSP电子设计社团的固定教师，可以满足课程理论教学和“双创”竞赛实践能力培养的要求。

课程坚持过程性加结果性考核体系，并创新引入课程思政占比（10%），从小组讨论、交流发言、思政报告、案例反思四方面考核课程思政教学成效。构建“课前准备、课中实施、课后总结”的全过程教学反思与持续改进机制，教学完成后及时进行教学反思，根据课上问答、课后谈话、答疑反馈、随堂测试、期末考试等手段不断优化完善教学内容、教学方法和教学理念。

1.课堂中的成功之处：记录学生接受程度高的教学部分，分析课程思政和教学知识点与教学方法的关联性。

2.课堂中的失误：记录学生接受程度低的教学部分，通过课后谈话、请教名师等方式选择合适的教学方法进行持续改进。

3.课堂中的灵感：记录事先没有准备，但效果很好的教学部分，进行总结并运用到日后的教学实施中。

4.课堂中的困惑：记录课堂上不明确的教学部分，通过查阅资料和咨询老教师进行及时学习，并运用到日后的教学实践中。

结语

本文从宏观维度和微观维度出发，全面分析了“单片机原理”课程的思政特征，基于课程中天然自带的思政元素设计了典型课程思政案例，对课程思政背景下“单片机原理”课程的教学实施与持续改进进行了探索。通过课程教学改革培养学生的家国情怀、哲学思维和工匠精神，促进学生德智体美劳全面发展，争做担当民族复兴大任的时代新人。