周 玉，周麗娟，朱文球，彭召意，楊振亞

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412008；2.湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲 412008）

0 引言

對(duì)于我國工程教育改革而言，建設(shè)與發(fā)展“新工科”應(yīng)滿足以國家新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展對(duì)工程科技人才的需求，培養(yǎng)適應(yīng)技術(shù)高速發(fā)展且滿足企業(yè)需求的工科人才是大勢所趨。“新工科”主要集中在電子信息類、電氣工程類、機(jī)械工程類、計(jì)算機(jī)類等多個(gè)專業(yè)。這些“新工科”專業(yè)具有的共同點(diǎn)是與現(xiàn)實(shí)工業(yè)結(jié)合密切，需要掌握和應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)來解決復(fù)雜的工程問題。

單片機(jī)課程是“新工科”建設(shè)的一門重要課程。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)是單片機(jī)課程中的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。本論文針對(duì)目前高校單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)存在的問題，提出以項(xiàng)目應(yīng)用為導(dǎo)向、網(wǎng)絡(luò)科技為手段的教學(xué)理念，改革課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，項(xiàng)目應(yīng)用貫穿所有實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用工程項(xiàng)目模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，校企合作式的課程設(shè)計(jì)教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生在工程實(shí)踐中研發(fā)的綜合能力[1]，最終使學(xué)生達(dá)到基于“新工科”建設(shè)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)的培養(yǎng)要求。

1 單片機(jī)課程存在的問題

“新工科”的人才培養(yǎng)目標(biāo)[2]對(duì)我們現(xiàn)行的單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)提出了很高的要求，通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)理念和教學(xué)發(fā)展層次不一，理論教學(xué)發(fā)展較快而實(shí)踐教學(xué)相對(duì)滯后，存在重理論教學(xué)輕實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)象，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)[2]不能跟上“新工科”建設(shè)的要求，存在的問題如下：

1.1 課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式落后

（1）因開實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板數(shù)量不足，設(shè)計(jì)題目和內(nèi)容有限，無法充分考慮學(xué)生的個(gè)體差異[2]，難以做到所有選題都能很好地與工程問題切合。

（2）學(xué)生按照老師布置的任務(wù)[2]按部就班的實(shí)施，課設(shè)的難度較大，難以全面調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)。

（3）部分教師知識(shí)技能沒有跟緊“新工科”教學(xué)的發(fā)展，使得單片機(jī)課程設(shè)計(jì)課題陳舊，與實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)[2]。

1.2 課程設(shè)計(jì)教學(xué)技術(shù)平臺(tái)落后

單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)仍然是師生在實(shí)驗(yàn)室中完成的落后方式，沒有建成虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生缺乏快捷獲取大量實(shí)踐知識(shí)的途徑，教師也無法通過平臺(tái)發(fā)布實(shí)踐課程的相關(guān)信息，不能實(shí)時(shí)指導(dǎo)學(xué)生。整個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)無法通過網(wǎng)絡(luò)科技手段執(zhí)行。

由于單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)整體落后，沒有形成符合“新工科”建設(shè)的教學(xué)體系，造成單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)與工程應(yīng)用脫節(jié)，不能達(dá)到“新工科”形勢下的人才培養(yǎng)要求。

2 課程教學(xué)目標(biāo)的改進(jìn)

教學(xué)改革首先要確定課程目標(biāo)的改進(jìn)。我校電氣工程專業(yè)正在進(jìn)行工程教育專業(yè)認(rèn)證的申報(bào)[3]，根據(jù)相應(yīng)要求，開設(shè)“單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”支撐電氣工程專業(yè)畢業(yè)要求中的“問題分析”能力的培養(yǎng)[4]，即通過本課程課堂教學(xué)、軟件使用、課堂提問、答辯等教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，使學(xué)生掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)開發(fā)流程，使學(xué)生具備一定的專業(yè)知識(shí)，具有工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)能力。具體如下：

課程目標(biāo)1：能夠針對(duì)復(fù)雜工程問題，選擇和使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段和現(xiàn)代工程工具[5]，進(jìn)行系統(tǒng)的整體或單元設(shè)計(jì)，以滿足單元或系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，領(lǐng)會(huì)相關(guān)工具的局限性。培養(yǎng)學(xué)生自主的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)能力，能夠識(shí)別復(fù)雜工程問題中所涉及的自然科學(xué)和工程科學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)[6]，把復(fù)雜工程問題的單元或模塊分解以給出解決思路（指標(biāo)點(diǎn)3.1）。

課程目標(biāo)2：掌握和了解電氣新產(chǎn)品、新技術(shù)，能分析和評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)完成的開發(fā)應(yīng)用對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響[7（]指標(biāo)點(diǎn)6.2）。

根據(jù)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求3和畢業(yè)要求6，課程培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1[7]。

表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)方案的改革

在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，摒棄陳舊的教學(xué)方案，采用校企合作方式執(zhí)行，企業(yè)補(bǔ)充教學(xué)硬件資源并提供企業(yè)工程師，教學(xué)整個(gè)環(huán)節(jié)采用雙師制，由工程師和教師配合一起全程進(jìn)行教學(xué)。同時(shí)加以項(xiàng)目內(nèi)容的改革和考核機(jī)制的改進(jìn)，輔以虛擬仿真平臺(tái)支持，這種教學(xué)模式能較好地培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力和團(tuán)隊(duì)精神，達(dá)成課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)。實(shí)施方案如圖1所示。

圖1 課程設(shè)計(jì)教學(xué)模塊實(shí)施方案

3.1 把企業(yè)引入課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)

利用學(xué)校學(xué)院現(xiàn)有的企業(yè)實(shí)習(xí)基地，聯(lián)系對(duì)應(yīng)企業(yè)將企業(yè)引入課程設(shè)計(jì)教學(xué)。

該方案的優(yōu)勢是：利用企業(yè)資源部分解決實(shí)驗(yàn)硬件不足的問題；通過企業(yè)補(bǔ)充實(shí)踐性較強(qiáng)的工程項(xiàng)目；通過企業(yè)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較強(qiáng)的工程師參與課程設(shè)計(jì)教學(xué)。

教學(xué)課堂采用雙師教學(xué)，即企業(yè)工程師和教師共同教學(xué)，確保課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目密切結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用，工程師和指導(dǎo)教師協(xié)作提供備選項(xiàng)目課題，全程進(jìn)行學(xué)生的教學(xué)和指導(dǎo)工作。

3.2 實(shí)施項(xiàng)目內(nèi)容差異化

課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題應(yīng)力求綜合各專業(yè)課程知識(shí)，讓學(xué)生將所學(xué)的多門課程知識(shí)相融合，通過課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，學(xué)生能夠有效地提高自身的綜合實(shí)踐能力。部分課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題情況見表2，每個(gè)課題項(xiàng)目任務(wù)均不相同，完成課題需根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。具體教學(xué)采用理論講授，集中指導(dǎo)，分組指導(dǎo)，單獨(dú)答疑等相結(jié)合的教學(xué)方法。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)置差異化，具有在“新工科”背景下滿足行業(yè)需求的特色。

表2 部分單片機(jī)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題

項(xiàng)目的開展模擬開發(fā)團(tuán)隊(duì)的工作模式，將學(xué)生以2～3人為一組，首先推選一位組長，由組長自行組隊(duì)，并安排隊(duì)員完成指定的任務(wù)。在組成團(tuán)隊(duì)的過程，按能力情況將學(xué)生分為三個(gè)群組（基本/加強(qiáng)/高水平），安排學(xué)生選擇對(duì)應(yīng)級(jí)別的項(xiàng)目內(nèi)容，隨著教學(xué)進(jìn)程的推進(jìn)，允許學(xué)生根據(jù)情況，調(diào)整到高一級(jí)的團(tuán)隊(duì)，或選擇高一級(jí)的項(xiàng)目。學(xué)生團(tuán)隊(duì)化，項(xiàng)目差異化貫徹了以學(xué)生為中心，因材施教的原則。學(xué)生可以根據(jù)自身水平層次選擇合適的項(xiàng)目，既能保持學(xué)習(xí)興趣和熱情，又能克服困難提高項(xiàng)目實(shí)踐能力。這種良性的學(xué)習(xí)過程能夠鼓勵(lì)學(xué)生積極向上的精神，并且經(jīng)歷項(xiàng)目實(shí)施過程學(xué)生獲得了團(tuán)隊(duì)共同協(xié)作完成項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。

3.3 設(shè)計(jì)考核方法

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)對(duì)每組同學(xué)采用答辯方式進(jìn)行驗(yàn)收考核。課程設(shè)計(jì)總成績?yōu)槠綍r(shí)成績、設(shè)計(jì)報(bào)告、設(shè)計(jì)運(yùn)行和答辯之和，其中平時(shí)成績占10%，設(shè)計(jì)運(yùn)行占40%，答辯成績占20%，設(shè)計(jì)報(bào)告占30%。答辯成績分由個(gè)人成績和團(tuán)隊(duì)成績構(gòu)成。答辯過程中對(duì)每位同學(xué)都有不同的提問，答不出的問題，同組其他成員可以補(bǔ)充，并計(jì)入該組員的成績。團(tuán)隊(duì)成績同時(shí)作為組長，組員的考評(píng)分之一。這種考核方式能夠較大范圍體現(xiàn)公平，既能讓優(yōu)秀的同學(xué)脫穎而出，又能讓不夠努力的學(xué)生得到同組的鞭策和幫助，有效地學(xué)到知識(shí)，得到提高。答辯環(huán)節(jié)也加強(qiáng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神，培養(yǎng)了部分同學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)組織能力。

總成績采用五級(jí)記分制，折合標(biāo)準(zhǔn)為：90分以上為優(yōu)秀；80～89分為良好；70～79分為中等；60～69分為合格；60分（不含60分）以下為不合格。各考核環(huán)節(jié)與課程目標(biāo)與成績比例分配情況見表3。

表3 課程目標(biāo)考核方式及成績比例

3.4 建設(shè)單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)，擴(kuò)展單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)

（1）根據(jù)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)和需求，建設(shè)單片機(jī)課程虛擬仿真平臺(tái)，利用開發(fā)工具Proteus加網(wǎng)絡(luò)搭建單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)。Proteus具有強(qiáng)大的硬件電路設(shè)計(jì)和測試功能，并能根據(jù)項(xiàng)目的需求進(jìn)行多種型號(hào)單片機(jī)的仿真調(diào)試。利用該平臺(tái)資源可以通過單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制設(shè)計(jì)和交互式模擬，使學(xué)生學(xué)習(xí)并參與完整的項(xiàng)目訓(xùn)練，能以虛擬仿真方式觀察系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。整個(gè)過程學(xué)習(xí)形式豐富多樣，教學(xué)生動(dòng)具體，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率提高[8]，從而提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

（2）課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)都能得到平臺(tái)的資源，獲得技術(shù)支持。平臺(tái)上包括實(shí)踐課程設(shè)計(jì)介紹、軟件資源、講課視頻、項(xiàng)目課題、項(xiàng)目演示、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目指導(dǎo)、報(bào)告提交等等，對(duì)所有學(xué)生老師開放，便于課程設(shè)計(jì)的教學(xué)開展。

（3）通過虛擬仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)教學(xué)，實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)，擴(kuò)展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和時(shí)間。老師在課后通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的交流和指導(dǎo)，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生動(dòng)態(tài)，調(diào)整上課的進(jìn)度和方式[9]。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，也能及時(shí)了解課程教學(xué)的開課時(shí)間、線下教室地點(diǎn)，以便提前進(jìn)行課程預(yù)習(xí)，掌握知識(shí)要點(diǎn)，及時(shí)提交課程學(xué)習(xí)報(bào)告。

4 教學(xué)效果分析

我院電氣工程專業(yè)在2021年已經(jīng)與廣州一家科技股份有限公司對(duì)接，引入該企業(yè)工程師，先在部分班級(jí)試點(diǎn)開展了單片機(jī)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的教學(xué)改革。

2020年智能電網(wǎng)班進(jìn)行常規(guī)課程設(shè)計(jì)，2021年智網(wǎng)2019級(jí)各班開始實(shí)施課程設(shè)計(jì)的部分教學(xué)改革舉措。試點(diǎn)班級(jí)進(jìn)行分組項(xiàng)目選題，各組每天都有具體的任務(wù)，學(xué)生學(xué)習(xí)比較積極主動(dòng)，課程設(shè)計(jì)后期分組進(jìn)行了項(xiàng)目答辯并給出驗(yàn)收考核成績；各班均由一位企業(yè)工程師和一位教師協(xié)同進(jìn)行教學(xué)和管理。通過試點(diǎn)班級(jí)的教學(xué)改革，得到具體的教學(xué)效果數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。其中圖2為不同年級(jí)的成績統(tǒng)計(jì)（選取部分班級(jí)的成績）；圖3是不同年級(jí)成績的柱狀分析圖，通過成績的數(shù)據(jù)分析，普通班級(jí)的成績分布以80～89和70～79分 數(shù) 段 為 主，占 據(jù) 總 學(xué) 生 數(shù) 的74.42%；而進(jìn)行改革的試點(diǎn)班級(jí)及格成績（60～69）的百分比下降到0，下降了11.63%；中等成績（70～79）的百分比下降到9.3%，下降了16.3%；良好成績（80～89）百分比上升到68.75%，提高了19.91%，優(yōu)秀成績（90以上）百分比上升到21.88%，提高了7.93%；最高分提高了2分。顯然試點(diǎn)班級(jí)的良好率和優(yōu)秀率均有較大幅度上升，試點(diǎn)班級(jí)教學(xué)效果有較大提高，學(xué)生的綜合實(shí)踐能力有了較大提高。

通過試點(diǎn)班級(jí)的教學(xué)改革，學(xué)生普遍提高了工程實(shí)踐應(yīng)用能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作精神，整體成績有較大幅度的提高，教學(xué)效果良好。教學(xué)改革的試點(diǎn)過程充分證實(shí)這種單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的改革不但有較強(qiáng)的理論依據(jù)，而且具體實(shí)施也是切實(shí)可行的。

圖2 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)成績年級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語

本文以單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，根據(jù)“新工科”建設(shè)的要求，通過分析高校單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中存的問題，以我校電氣與信息工程學(xué)院的學(xué)生為改革對(duì)象，提出了合理的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革方案，該改革方案通過試點(diǎn)班級(jí)的展開，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有較大提高，實(shí)踐能力得到較大提升，教學(xué)改革取得良好效果，說明該改革方案構(gòu)建了符合“新工科”建設(shè)要求的單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)模式，可以在更多教學(xué)班級(jí)范圍展開，以期達(dá)成“新工科”形勢下單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)的目的。

圖3 不同年級(jí)成績柱狀分析結(jié)果