“双创”背景下单片机课程的教学模式改革与实践

［摘 要］ 以社会需求为导向，以培养学生创新思维能力、集成创新能力为目标，教学团队在深度剖析“单片机原理及应用”课程实践教学现状的基础上，探索了教学模式改革与实践方案。方案不但引入案例驱动教学、头脑风暴及线上线下混合式教学等方法，而且详细探讨了将专业教育与创新教育融合在理论教学、实践教学、课程设计、科创竞赛、毕业设计等全流程中的具体措施和方法。实践证明，课程改革加速了教学响应、知识转化、知识应用，学生运用单片机技术解决实际问题的工程应用能力和创新实践能力有了显著提升。

［关键词］ 教学改革；专创融合；创新能力培养；单片机；实践

［基金项目］ 2021年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于《单片机原理及应用》课程开展专创融合教学的方法及路径”（2021GJJG435）；2020年度东北大学秦皇岛分校课程建设项目“东北大学秦皇岛分校校级课程思政示范课程”（2020KCSZ-B02）；2021年度东北大学课程建设项目“东北大学第三批课程思政示范课程”

［作者简介］ 蔡 凌（1980—），女，湖南武冈人，工学博士，东北大学秦皇岛分校控制工程学院讲师，主要从事智慧交通、网络资源调度研究；魏永涛（1980—），男，山东昌邑人，工学博士，东北大学秦皇岛分校控制工程学院副教授，创新创业中心主任，主要从事智慧城市、创新创业教育研究；段洪君（1971—），男，吉林德惠人，工学博士，东北大学秦皇岛分校控制工程学院副教授，主要从事复杂系统建模、优化及控制研究。

引言

创新创业能力培养是新经济业态下工程类高等教育人才培养的重要内容，也是国家创新驱动发展战略实施的迫切需要。党和国家对高校创新创业人才培养做出重要部署，国务院办公厅相继颁发《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》和《关于推动创新创业高质量发展打造“双创”升级版的意见》，教育部也相继出台了《关于做好2019届全国普通高等学校毕业生就业创业工作的通知》及《关于做好深化创新创业教育改革示范高校2019年度建设工作的通知》，这些意见及通知都明确指出，高等教育应将创新创业教育与专业教育有机结合，要求培养的学生不但要具备一定专业理论知识和技术技能，还应具有创新精神和创业意识。

一、研究背景

自动化专业毕业生是我国科技发展与创新突围的主力军与先锋队之一。由于自动化专业课程大多是通过科学的手段与方法将历史长河中积累下来的科学知识及技术凝练而成的，因而，具有较强的操作性和应用性，为以技术为背景的“双创”教育的融入提供了滋润的土壤。“单片机原理及应用”作为自动化专业的专业课程，具有厚基础、强实践、重应用的课程特征。然而，传统课程在教学目标、教学方法、教学内容等方面均较少地关注创新思维的培养，具体分析如下。

1.教学设计以“教得好”为目标。教学以完成知识传授为目标，保证学科知识的客观、中立，易忽视高层次的能力目标和素质目标。例如，由于课程概念多、知识点多、内容抽象、逻辑性强，常规课堂突出以教师为中心的教法，强调学生对知识的记忆与理解，欠缺对应用、分析、综合等能力的培养，更缺乏在专业教育与创新创业教育融合的趋势背景下对创新型人格的塑造。

2.教学过程采取的是课堂理论讲授附加实验课验证的形式，这种理论与实践分离的教学模式易使学生的理论学习缺乏感性认知，学习兴趣和热情不足；实践学习的途径主要是利用实验室功能有限的实验台开展实验，题目单一、学时少，而且大多只是机械地验证实验内容，无法提升学生的实践技能并升华所学理论知识。这种模式更为强调记忆与理解等低阶思维技能的培养，对应用、分析、综合和评价等高阶思维技能的训练略有忽视。而创新创业能力不但要以低阶思维技能为基础，还需高阶思维技能来帮助实现理论到创新的转化。

3.教学内容呈现局部性、孤立性。局部性、孤立性使教学内容与工程实际应用的综合性、系统性要求不相适应。学生很难建立专业知识与实际应用的联系，更难以达成在专业教育中提高创新能力、在创新中巩固专业知识的目标。

以培养学生“双创”能力为核心的改革是进一步激发课程生命力及推动课程发展的重要方式。因此，将课程的知识能力目标重新定义为：通过对单片机工作原理的讲解及启发、引导，使学生从原理认知、可行性论证、软硬件设计及调试、系统报告等方面进行全生命周期的体验，最终具备设计、开发单片机应用系统的能力。显然，创新创业基因是融入在知识能力目标之中。

二、“单片机原理及应用”课程建设思路

学生在学习“单片机原理及应用”之前，已具备模电、数电、微机原理等先决知识，知识结构扎实，理解、逻辑推理能力经过两年左右工科思维的培养和训练已得到提升，为单片机硬件系统架构、程序逻辑的建立提供了思维的保障。学生具有独立意识强、表现欲强等心理特点，而前期课程的实验课及课程设计，使学生具备了一定的动手实践能力，因此，有文献［1-4］提出了“教学做”一体的改革探索，并衍生出“项目引导、教学做一体”的教学模式［5-7］。近些年来，很多高校在“单片机原理及应用”课程上开展专创融合教育［8-10］，但并未清晰地阐明教学环节与创新能力培养之间的映射关系，而且各高校的办学特色、专业特点不尽相同，须针对本校的校情、学情展开具体的理论及实践研究，将教学目标从“教得好”转变为“学得好”，在教学过程中渗透高阶思维技能训练，强调学生具有对单片机应用系统进行设计、分析、评价的实操能力，激发学生的创新创业意识、精神及能力。

三、“单片机原理及应用”课程改革方案

由于社会需求的人才是多样的，且不同学生的创新、创业能力和热情也不尽相同，因此在教学过程中，应构建以学生为中心的内容体系，采取分层级的培养方式，在专业理论的基础上普及创新创业意识、精神并培养其创新素养。针对部分有强烈创新、创业意愿的学生，强化其创新创业能力，尤其是强化创新实战能力的训练。教学改革实践的具体思路，可以概括为以下几方面。

1.理论知识讲授环节。针对基础理论知识，引导学生利用网上资源自学，从而压缩讲授理论知识的学时。在课程讲解过程中引入问题引导法，改变以往讲解过程只注重what（是什么）的问题，引入多个why（为什么）和how（将如何）的延伸思考，启发学生的问题意识，培养其独立思考、自主分析和勇于探索的能力。教学是教师和学生的双边活动，在引导学生思考教师问题的同时，鼓励学生向教师提问，利用良性的师生互动，促进学生对知识的理解与掌握，激发其学习兴趣，启发其创新思维。课后开展线上头脑风暴、黑科技沙龙等活动，通过搜索、编辑和路演新科技、新技术、新应用，拓展学生知识的广度与深度，在培育其创新素养的同时，从时间、空间和内容三维度进一步延伸教学内涵。

2.理论知识实践环节。实践环节将理论课的实践教学、课后的实践作业和实验课教学等环节融为一体。在理论课的实践教学中，引入案例教学法，教师通过虚拟仿真平台实现对经典例程的仿真调试，学生则在案例的基础上自主完成进阶功能的调试，并借助现代信息技术，例如腾讯会议、QQ群的屏幕共享等资源，实现师生同步互动、生生同步互动，完成现场分享、讨论及点评。针对实践作业，引入情景教学法、项目驱动法，以需求为导向，要求学生自学部分芯片知识，在开发板平台上完成3或4个开放式小项目的开发，按照CDIO（构思、设计、实施、运行）流程提交，包括设计说明、设计思路、程序代码及注释、结果分析和项目视频的作业包。仿真软件和开发板的使用改变了以往学生的程序设计仅是纸上谈兵，无法自我验证，更无法实现对程序结果的分析及优化的现象。教师通过视频能够直观地观察到实验结果，降低了批改作业的难度和复杂度。在实验课中，要求学生利用实验箱平台完成4个较综合性的项目。

通过“仿真软件”“开发板”和“实验箱”的三平台及“学生的电脑屏幕”和“教师的授课屏幕”的两屏幕，为学生创造了学中做、做中学、边学边做的条件，强化其工程思维、工程实践能力，增强创新动力。同时，通过开展的生生合作活动，培养学生的合作与协调能力。

3.课程设计环节。课程设计是教学内容中极为重要的实践环节，通过将课程中各项零散内容高效结合，提升学生对单片机系统整体性的理解，实现对单片机等电气元器件实物的有效运用。教师发布课程设计题目及任务，鼓励学生充分利用网络、图书馆等资源查阅资料，设计系统方案及电路图，实现仿真电路绘制，依据仿真结果实现实物的最终制作及调试。根据学生创新意愿的不同，课程设计提供了关于经典题目的设计及开放性课题的设计两类选项。针对经典题目，任务书只给出基础功能要求，要求学生自主设计部分扩展功能，并根据基础功能的完成度及扩展功能的难易度评定最终成绩。利用已有的智能车平台，开设开放性课题，要求学生自主拟定课程设计题目，根据题目的难易度及完成度评定成绩。学生从拟定选题到制订设计方案，再到阅读说明手册、组装硬件、实验编程、实验调试和结果分析等一系列过程中，始终处于自主状态，其想象力、创造力，以及发现问题、分析问题、解决问题等能力均会得到提升。

4.科创竞赛环节。完备的理论基础附加课程实践、课程设计的实际操作和实践培训，造就了学生扎实的理论基础和实践能力。在鼓励学生积极参与各类项目及科创竞赛的同时，统筹教学资源，组织教师指导学科竞赛，强化学生的参赛水平，以赛促学，实现理论与实践、动脑与动手、方法训练与技能培养、教学与生产的四结合，达到对学生工程素质、实践能力、创新能力的综合培养。为提升对参赛学生的指导水平，鼓励教师积极参加与单片机相关的学术团体以及产品发布会，通过参与活动拓宽眼界，积累竞赛经验及教学素材。

5.毕业设计环节。在毕业设计阶段，为学生提供利用单片机设计、开发的开放性选题。学生提出设计的初步方案，教师负责对方案进行审查，并提出具体修改建议，具体审查内容包含选题意义及合理性、所需知识点、软硬件设计的合理性等。学生根据建议，继续完善并完成最终的设计方案。学生通过对具体产品的创新设计、优化改进，对设计的反复修改和改进，以及对软、硬件的不断修改和调试，实践能力和创新能力得到了进一步提升。

四、教学改革实施效果

自教学改革以来，学生对课程理论知识的掌握程度更加深入，动手能力、软件编程水平较改革前有显著提升；与此同时，利用仿真软件，有助于使学生对数电、模电等课程内容的理解更加透彻。针对“单片机课程设计”，以往的学生以完成布置的基本任务为主，而改革实施以来，约20%的学生在基本需求上自主扩展了4或5个功能，约40%的学生自主扩展了2或3个功能。而且，学生参加各类课程竞赛的积极性及水平也得到提升，获得国家级奖30余项。在自动化专业的优秀本科毕业论文中，约20%的选题与单片机相关，其中《基于嵌入式机器视觉的盲文识别系统的开发》《基于目标检测的视障人士智能导航系统》《基于OpenCV的年龄识别智能屏系统的设计》等具有较好的创新性。绝大多数学生认为，“课程使其逻辑思维更加严谨”“在调试过程中不断遇到问题，再不断解决问题，实践能力得到增强”，甚至有学生提出，“让自己萌动出制造‘小黑科技’的想法”，部分参加竞赛获奖的学生认为，“锻炼了我的工程实践能力，在工程的角度激活了我的创新思维，同时让我看问题的角度更加全面、清晰”。

结语

在“双创”融合的教育背景下，针对单片机课程传统教学中存在的问题，考虑到学生创新、创业能力和热情的差异性，提出分层级的培养方式，在专业理论的基础上普及创新创业意识、精神，培养其创新素养，并针对部分有强烈创新、创业意愿的学生，强化其创新创业能力，尤其是强化创新实战能力的训练。分层级的培养方式有效提高了学生的实践能力和创新能力，形成了积极的创新氛围，一些学生的学科竞赛成绩优异，综合素养全面提高。实践创新成效证明了该培养模式的可行性与实用性。该模式为东北大学秦皇岛分校提高学生的创造精神、实践能力和应用型人才培养转型提供了新思路。