［摘 要］ 以社會需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力、集成創(chuàng)新能力為目標，教學(xué)團隊在深度剖析“單片機原理及應(yīng)用”課程實踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探索了教學(xué)模式改革與實踐方案。方案不但引入案例驅(qū)動教學(xué)、頭腦風(fēng)暴及線上線下混合式教學(xué)等方法，而且詳細探討了將專業(yè)教育與創(chuàng)新教育融合在理論教學(xué)、實踐教學(xué)、課程設(shè)計、科創(chuàng)競賽、畢業(yè)設(shè)計等全流程中的具體措施和方法。實踐證明，課程改革加速了教學(xué)響應(yīng)、知識轉(zhuǎn)化、知識應(yīng)用，學(xué)生運用單片機技術(shù)解決實際問題的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力有了顯著提升。

［關(guān)鍵詞］ 教學(xué)改革；專創(chuàng)融合；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；單片機；實踐

［基金項目］ 2021年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“基于《單片機原理及應(yīng)用》課程開展專創(chuàng)融合教學(xué)的方法及路徑”（2021GJJG435）；2020年度東北大學(xué)秦皇島分校課程建設(shè)項目“東北大學(xué)秦皇島分校校級課程思政示范課程”（2020KCSZ-B02）；2021年度東北大學(xué)課程建設(shè)項目“東北大學(xué)第三批課程思政示范課程”

［作者簡介］ 蔡 凌（1980—），女，湖南武岡人，工學(xué)博士，東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院講師，主要從事智慧交通、網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度研究；魏永濤（1980—），男，山東昌邑人，工學(xué)博士，東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院副教授，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心主任，主要從事智慧城市、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育研究；段洪君（1971—），男，吉林德惠人，工學(xué)博士，東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院副教授，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)建模、優(yōu)化及控制研究。

引言

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)是新經(jīng)濟業(yè)態(tài)下工程類高等教育人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容，也是國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略實施的迫切需要。黨和國家對高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)做出重要部署，國務(wù)院辦公廳相繼頒發(fā)《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》和《關(guān)于推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展打造“雙創(chuàng)”升級版的意見》，教育部也相繼出臺了《關(guān)于做好2019屆全國普通高等學(xué)校畢業(yè)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)工作的通知》及《關(guān)于做好深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校2019年度建設(shè)工作的通知》，這些意見及通知都明確指出，高等教育應(yīng)將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育有機結(jié)合，要求培養(yǎng)的學(xué)生不但要具備一定專業(yè)理論知識和技術(shù)技能，還應(yīng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識。

一、研究背景

自動化專業(yè)畢業(yè)生是我國科技發(fā)展與創(chuàng)新突圍的主力軍與先鋒隊之一。由于自動化專業(yè)課程大多是通過科學(xué)的手段與方法將歷史長河中積累下來的科學(xué)知識及技術(shù)凝練而成的，因而，具有較強的操作性和應(yīng)用性，為以技術(shù)為背景的“雙創(chuàng)”教育的融入提供了滋潤的土壤?！皢纹瑱C原理及應(yīng)用”作為自動化專業(yè)的專業(yè)課程，具有厚基礎(chǔ)、強實踐、重應(yīng)用的課程特征。然而，傳統(tǒng)課程在教學(xué)目標、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面均較少地關(guān)注創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，具體分析如下。

1.教學(xué)設(shè)計以“教得好”為目標。教學(xué)以完成知識傳授為目標，保證學(xué)科知識的客觀、中立，易忽視高層次的能力目標和素質(zhì)目標。例如，由于課程概念多、知識點多、內(nèi)容抽象、邏輯性強，常規(guī)課堂突出以教師為中心的教法，強調(diào)學(xué)生對知識的記憶與理解，欠缺對應(yīng)用、分析、綜合等能力的培養(yǎng)，更缺乏在專業(yè)教育與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融合的趨勢背景下對創(chuàng)新型人格的塑造。

2.教學(xué)過程采取的是課堂理論講授附加實驗課驗證的形式，這種理論與實踐分離的教學(xué)模式易使學(xué)生的理論學(xué)習(xí)缺乏感性認知，學(xué)習(xí)興趣和熱情不足；實踐學(xué)習(xí)的途徑主要是利用實驗室功能有限的實驗臺開展實驗，題目單一、學(xué)時少，而且大多只是機械地驗證實驗內(nèi)容，無法提升學(xué)生的實踐技能并升華所學(xué)理論知識。這種模式更為強調(diào)記憶與理解等低階思維技能的培養(yǎng)，對應(yīng)用、分析、綜合和評價等高階思維技能的訓(xùn)練略有忽視。而創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力不但要以低階思維技能為基礎(chǔ)，還需高階思維技能來幫助實現(xiàn)理論到創(chuàng)新的轉(zhuǎn)化。

3.教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)局部性、孤立性。局部性、孤立性使教學(xué)內(nèi)容與工程實際應(yīng)用的綜合性、系統(tǒng)性要求不相適應(yīng)。學(xué)生很難建立專業(yè)知識與實際應(yīng)用的聯(lián)系，更難以達成在專業(yè)教育中提高創(chuàng)新能力、在創(chuàng)新中鞏固專業(yè)知識的目標。

以培養(yǎng)學(xué)生“雙創(chuàng)”能力為核心的改革是進一步激發(fā)課程生命力及推動課程發(fā)展的重要方式。因此，將課程的知識能力目標重新定義為：通過對單片機工作原理的講解及啟發(fā)、引導(dǎo)，使學(xué)生從原理認知、可行性論證、軟硬件設(shè)計及調(diào)試、系統(tǒng)報告等方面進行全生命周期的體驗，最終具備設(shè)計、開發(fā)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的能力。顯然，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基因是融入在知識能力目標之中。

二、“單片機原理及應(yīng)用”課程建設(shè)思路

學(xué)生在學(xué)習(xí)“單片機原理及應(yīng)用”之前，已具備模電、數(shù)電、微機原理等先決知識，知識結(jié)構(gòu)扎實，理解、邏輯推理能力經(jīng)過兩年左右工科思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練已得到提升，為單片機硬件系統(tǒng)架構(gòu)、程序邏輯的建立提供了思維的保障。學(xué)生具有獨立意識強、表現(xiàn)欲強等心理特點，而前期課程的實驗課及課程設(shè)計，使學(xué)生具備了一定的動手實踐能力，因此，有文獻［1-4］提出了“教學(xué)做”一體的改革探索，并衍生出“項目引導(dǎo)、教學(xué)做一體”的教學(xué)模式［5-7］。近些年來，很多高校在“單片機原理及應(yīng)用”課程上開展專創(chuàng)融合教育［8-10］，但并未清晰地闡明教學(xué)環(huán)節(jié)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)之間的映射關(guān)系，而且各高校的辦學(xué)特色、專業(yè)特點不盡相同，須針對本校的校情、學(xué)情展開具體的理論及實踐研究，將教學(xué)目標從“教得好”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)得好”，在教學(xué)過程中滲透高階思維技能訓(xùn)練，強調(diào)學(xué)生具有對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行設(shè)計、分析、評價的實操能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、精神及能力。

三、“單片機原理及應(yīng)用”課程改革方案

由于社會需求的人才是多樣的，且不同學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力和熱情也不盡相同，因此在教學(xué)過程中，應(yīng)構(gòu)建以學(xué)生為中心的內(nèi)容體系，采取分層級的培養(yǎng)方式，在專業(yè)理論的基礎(chǔ)上普及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、精神并培養(yǎng)其創(chuàng)新素養(yǎng)。針對部分有強烈創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)意愿的學(xué)生，強化其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，尤其是強化創(chuàng)新實戰(zhàn)能力的訓(xùn)練。教學(xué)改革實踐的具體思路，可以概括為以下幾方面。

1.理論知識講授環(huán)節(jié)。針對基礎(chǔ)理論知識，引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)上資源自學(xué)，從而壓縮講授理論知識的學(xué)時。在課程講解過程中引入問題引導(dǎo)法，改變以往講解過程只注重what（是什么）的問題，引入多個why（為什么）和how（將如何）的延伸思考，啟發(fā)學(xué)生的問題意識，培養(yǎng)其獨立思考、自主分析和勇于探索的能力。教學(xué)是教師和學(xué)生的雙邊活動，在引導(dǎo)學(xué)生思考教師問題的同時，鼓勵學(xué)生向教師提問，利用良性的師生互動，促進學(xué)生對知識的理解與掌握，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)其創(chuàng)新思維。課后開展線上頭腦風(fēng)暴、黑科技沙龍等活動，通過搜索、編輯和路演新科技、新技術(shù)、新應(yīng)用，拓展學(xué)生知識的廣度與深度，在培育其創(chuàng)新素養(yǎng)的同時，從時間、空間和內(nèi)容三維度進一步延伸教學(xué)內(nèi)涵。

2.理論知識實踐環(huán)節(jié)。實踐環(huán)節(jié)將理論課的實踐教學(xué)、課后的實踐作業(yè)和實驗課教學(xué)等環(huán)節(jié)融為一體。在理論課的實踐教學(xué)中，引入案例教學(xué)法，教師通過虛擬仿真平臺實現(xiàn)對經(jīng)典例程的仿真調(diào)試，學(xué)生則在案例的基礎(chǔ)上自主完成進階功能的調(diào)試，并借助現(xiàn)代信息技術(shù)，例如騰訊會議、QQ群的屏幕共享等資源，實現(xiàn)師生同步互動、生生同步互動，完成現(xiàn)場分享、討論及點評。針對實踐作業(yè)，引入情景教學(xué)法、項目驅(qū)動法，以需求為導(dǎo)向，要求學(xué)生自學(xué)部分芯片知識，在開發(fā)板平臺上完成3或4個開放式小項目的開發(fā)，按照CDIO（構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行）流程提交，包括設(shè)計說明、設(shè)計思路、程序代碼及注釋、結(jié)果分析和項目視頻的作業(yè)包。仿真軟件和開發(fā)板的使用改變了以往學(xué)生的程序設(shè)計僅是紙上談兵，無法自我驗證，更無法實現(xiàn)對程序結(jié)果的分析及優(yōu)化的現(xiàn)象。教師通過視頻能夠直觀地觀察到實驗結(jié)果，降低了批改作業(yè)的難度和復(fù)雜度。在實驗課中，要求學(xué)生利用實驗箱平臺完成4個較綜合性的項目。

通過“仿真軟件”“開發(fā)板”和“實驗箱”的三平臺及“學(xué)生的電腦屏幕”和“教師的授課屏幕”的兩屏幕，為學(xué)生創(chuàng)造了學(xué)中做、做中學(xué)、邊學(xué)邊做的條件，強化其工程思維、工程實踐能力，增強創(chuàng)新動力。同時，通過開展的生生合作活動，培養(yǎng)學(xué)生的合作與協(xié)調(diào)能力。

3.課程設(shè)計環(huán)節(jié)。課程設(shè)計是教學(xué)內(nèi)容中極為重要的實踐環(huán)節(jié)，通過將課程中各項零散內(nèi)容高效結(jié)合，提升學(xué)生對單片機系統(tǒng)整體性的理解，實現(xiàn)對單片機等電氣元器件實物的有效運用。教師發(fā)布課程設(shè)計題目及任務(wù)，鼓勵學(xué)生充分利用網(wǎng)絡(luò)、圖書館等資源查閱資料，設(shè)計系統(tǒng)方案及電路圖，實現(xiàn)仿真電路繪制，依據(jù)仿真結(jié)果實現(xiàn)實物的最終制作及調(diào)試。根據(jù)學(xué)生創(chuàng)新意愿的不同，課程設(shè)計提供了關(guān)于經(jīng)典題目的設(shè)計及開放性課題的設(shè)計兩類選項。針對經(jīng)典題目，任務(wù)書只給出基礎(chǔ)功能要求，要求學(xué)生自主設(shè)計部分擴展功能，并根據(jù)基礎(chǔ)功能的完成度及擴展功能的難易度評定最終成績。利用已有的智能車平臺，開設(shè)開放性課題，要求學(xué)生自主擬定課程設(shè)計題目，根據(jù)題目的難易度及完成度評定成績。學(xué)生從擬定選題到制訂設(shè)計方案，再到閱讀說明手冊、組裝硬件、實驗編程、實驗調(diào)試和結(jié)果分析等一系列過程中，始終處于自主狀態(tài)，其想象力、創(chuàng)造力，以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題等能力均會得到提升。

4.科創(chuàng)競賽環(huán)節(jié)。完備的理論基礎(chǔ)附加課程實踐、課程設(shè)計的實際操作和實踐培訓(xùn)，造就了學(xué)生扎實的理論基礎(chǔ)和實踐能力。在鼓勵學(xué)生積極參與各類項目及科創(chuàng)競賽的同時，統(tǒng)籌教學(xué)資源，組織教師指導(dǎo)學(xué)科競賽，強化學(xué)生的參賽水平，以賽促學(xué)，實現(xiàn)理論與實踐、動腦與動手、方法訓(xùn)練與技能培養(yǎng)、教學(xué)與生產(chǎn)的四結(jié)合，達到對學(xué)生工程素質(zhì)、實踐能力、創(chuàng)新能力的綜合培養(yǎng)。為提升對參賽學(xué)生的指導(dǎo)水平，鼓勵教師積極參加與單片機相關(guān)的學(xué)術(shù)團體以及產(chǎn)品發(fā)布會，通過參與活動拓寬眼界，積累競賽經(jīng)驗及教學(xué)素材。

5.畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)。在畢業(yè)設(shè)計階段，為學(xué)生提供利用單片機設(shè)計、開發(fā)的開放性選題。學(xué)生提出設(shè)計的初步方案，教師負責(zé)對方案進行審查，并提出具體修改建議，具體審查內(nèi)容包含選題意義及合理性、所需知識點、軟硬件設(shè)計的合理性等。學(xué)生根據(jù)建議，繼續(xù)完善并完成最終的設(shè)計方案。學(xué)生通過對具體產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計、優(yōu)化改進，對設(shè)計的反復(fù)修改和改進，以及對軟、硬件的不斷修改和調(diào)試，實踐能力和創(chuàng)新能力得到了進一步提升。

四、教學(xué)改革實施效果

自教學(xué)改革以來，學(xué)生對課程理論知識的掌握程度更加深入，動手能力、軟件編程水平較改革前有顯著提升；與此同時，利用仿真軟件，有助于使學(xué)生對數(shù)電、模電等課程內(nèi)容的理解更加透徹。針對“單片機課程設(shè)計”，以往的學(xué)生以完成布置的基本任務(wù)為主，而改革實施以來，約20%的學(xué)生在基本需求上自主擴展了4或5個功能，約40%的學(xué)生自主擴展了2或3個功能。而且，學(xué)生參加各類課程競賽的積極性及水平也得到提升，獲得國家級獎30余項。在自動化專業(yè)的優(yōu)秀本科畢業(yè)論文中，約20%的選題與單片機相關(guān)，其中《基于嵌入式機器視覺的盲文識別系統(tǒng)的開發(fā)》《基于目標檢測的視障人士智能導(dǎo)航系統(tǒng)》《基于OpenCV的年齡識別智能屏系統(tǒng)的設(shè)計》等具有較好的創(chuàng)新性。絕大多數(shù)學(xué)生認為，“課程使其邏輯思維更加嚴謹”“在調(diào)試過程中不斷遇到問題，再不斷解決問題，實踐能力得到增強”，甚至有學(xué)生提出，“讓自己萌動出制造‘小黑科技’的想法”，部分參加競賽獲獎的學(xué)生認為，“鍛煉了我的工程實踐能力，在工程的角度激活了我的創(chuàng)新思維，同時讓我看問題的角度更加全面、清晰”。

結(jié)語

在“雙創(chuàng)”融合的教育背景下，針對單片機課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，考慮到學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力和熱情的差異性，提出分層級的培養(yǎng)方式，在專業(yè)理論的基礎(chǔ)上普及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、精神，培養(yǎng)其創(chuàng)新素養(yǎng)，并針對部分有強烈創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)意愿的學(xué)生，強化其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，尤其是強化創(chuàng)新實戰(zhàn)能力的訓(xùn)練。分層級的培養(yǎng)方式有效提高了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，形成了積極的創(chuàng)新氛圍，一些學(xué)生的學(xué)科競賽成績優(yōu)異，綜合素養(yǎng)全面提高。實踐創(chuàng)新成效證明了該培養(yǎng)模式的可行性與實用性。該模式為東北大學(xué)秦皇島分校提高學(xué)生的創(chuàng)造精神、實踐能力和應(yīng)用型人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型提供了新思路。

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Teaching Reform and Practice of “Single Chip Microcomputer Principles and Applications” Course in the Context of Innovation and Entrepreneurship

CAI Ling， WEI Yong-tao， DUAN Hong-jun

（School of Control Engineering， Northeastern University at Qinhuangdao， Qinhuangdao，

Hebei 066004， China）

Abstract： With a focus on addressing social needs and fostering students’ innovative thinking and integrated innovation abilities， the teaching team conducted an in-depth analysis of the current practical teaching situation in the “Single Chip Microcomputer Principles and Applications” course. The proposed solution not only incorporates case-driven teaching， brainstorming， and online/offline mixed teaching methods but also provides detailed measures and approaches for integrating professional education and innovative education throughout theoretical instruction， practical training， course design， scientific and technological innovation competitions， as well as graduation projects. Practice has demonstrated that this curriculum reform has expedited responsiveness to teaching， knowledge transformation， and knowledge application while significantly enhancing students’ engineering application skills and their ability to solve real-world problems using single-chip microcomputer technology.

Key words： teaching reform; integration of specialized and innovative education; cultivation of innovative ability; single-chip microcomputer; practice