单片机原理与接口技术混合式一流课程建设研究与实践

2022-06-15张兰红吴冬春陆广平冯佩云周云龙

高教学刊 2022年15期

张兰红吴冬春陆广平冯佩云周云龙

摘要：单片机课程作为智能控制技术的入门课程，在培养高素质应用型智能控制人才方面具有丰富的建设内涵。阐述单片机原理与接口技术混合式一流课程的目标，指出需要解决的重点问题，介绍课程内容改革、课程资源建设与应用、课程教学组织与实施及课程考核与评价等方面的情况，总结课程的特色创新及建设成效，提出未来的建设计划。

关键词：单片机;混合式;一流课程建设;计算思维;软硬融合技能

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）15-0048-05

Abstract： As an introductory course of intelligent control technology， Single Chip Microcomputer course has rich construction connotation in cultivating high-quality applied intelligent control talents. This paper expounds the objectives of the mixed first-class course of Single Chip Microcomputer Principle and Interface Technology， points out the key problems to be solved， and introduces the reform of course content， the construction and application of course resources， the organization and implementation of course teaching， the examination and evaluation of course. The study summarizes the characteristic innovation and construction effect of the course， and puts forward the construction plan in the future.

Keywords： one-chip computer; hybrid; first class curriculum construction; computational thinking; soft and hard integration skills

教育部《關于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）指出，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定着人才培养质量，深化教育教学改革必须把教学改革成果落实到课程建设上[1]。一流课程建设是一流本科专业建设的基础，是新时代高等教育强国之路的重要举措[2-3]，各高校应该根据办学定位和人才培养目标定位，建设适应创新型、复合型、应用型人才培养需要的一流本科课程，实现不同类型高校一流本科课程建设全覆盖[1]。

单片机是微型计算机应用于智能控制领域的一个重要分支，单片机应用技术已经成为人工智能的核心技术，单片机原理与接口技术课程因此成为智能控制技术的入门课程，是高校电气类、电子信息类乃至工科非计算机专业学生都必须学习的一门专业基础课[4-5]，成为培养学生实践能力、创新能力及职业能力的重要课程。伴随着国家行动纲领“中国制造2025”的高质量与智能化发展需求，单片机原理与接口技术课程重要性越发彰显[6]，该课程理应按照国家一流课程的建设标准，增加课程的高阶性、创新性和挑战性，为培养高素质智能控制领域人才，推动我国智能控制技术的快速发展贡献力量。

一、课程建设目标

课程以单片机应用为载体，以学生计算思维能力、软硬融合技能、文理交融能力培养为目标，构建教学内容，开展教学活动。从有趣的单片机应用实例入手，引导学生在理解工作原理的基础上逐步扩大接口电路设计规模与程序编写规模，提高应用系统的复杂程度，使学生理解软件硬件协同工作的原理，建立微机应用系统的整体观念，具备微机应用系统设计的知识与技能;从对问题进行描述、建立数学和算法模型、进行电路设计与算法编程、软件硬件融合方面培养学生解决实际问题的能力;对学生进行人工智能强国的爱国情怀和责任担当意识教育，培养学生运用人文思想去诠释工程理论与现象的文理交融能力，引导学生探寻事理之间的相通性，丰富学生的人文情怀。

二、重点问题分析

（一）如何加强学生计算思维，实现知识转化能力

人才质量的高低不仅取决于理论知识掌握是否牢固，基本素质是否具备，更重要的是解决实际工程问题能力的强弱[7]。计算思维是指人们从对实际问题的描述到抽象建模、从理论分析到算法确定、再到最后解决实际问题的全过程科学思维能力[8]。随着信息技术的全面深入与泛在化程度加深，计算思维已经成为人们认识、理解和解决实际问题的基本能力之一[9]。单片机作为智能控制的核心课程，在教学中理应加强培养与训练学生的计算思维能力，激发学生的兴趣和潜力，使学生具有将所学知识转化为解决实际问题的能力。

（二）如何构建多维学习平台，培养实践创新能力

传统的线下课堂往往只注重知识传授，忽略实践与创新等职业能力培养。单片机课程是培养学生职业能力的核心课程，除了要用好线下理论课堂阵地之外，还需建设资源丰富的线上教学平台，满足信息化时代快捷方便学习的需要;需要建设虚拟仿真平台，揭开高度集成单片机的神秘面纱，增强教学的直观性、生动性和趣味性，节约学生进行应用系统设计与开发的时间和成本;需要建设分层次、进阶式实践教学平台，使学生从软件到硬件、从概念到应用设计都得到充分的训练，实现“学中做、做中学”，保证学习效果;更需要引导并组织学生参加各类学科竞赛，提高学生的专业素质、团队合作精神及交流表达能力。

（三）如何加强多元评价考核，提高教学效果

传统期中、期末考试的评价方式单调滞后，教学状态难以及时了解，教师无法实时调整教学内容和节奏，更无法关注到个体，学生学习欲望与动力得不到及时激发。因此急需加强过程性考核评价与反馈，使教师及时调整教学节奏与方法，实现因材施教，学生及时了解自己的学习情况，强化学习欲望;需要通过线上随堂测验与作业互评，引导学生进行纵向与横向比较，了解自己的长处与不足，转变学习态度与方法，需要通过实验细化评价，促进学生主动探索，不断获得成功，激发学习兴趣与动力。

（四）如何有效融入课程思政，提升思政素养

单片机课程内容抽象，綜合性、实践性与工程性均很强，教学难度大，在该课程的教学过程中，若做好课程思政工作，将十分有利于激发学生学习热情，指导学生找到正确的学习方法，提升学生的思政素养，使学生成为新时代具有工匠精神的智能控制人才[10]。但如何在教学中无缝融入思政元素，避免思政与专业教育“两张皮”，引导学生在理解专业知识的同时，实现价值塑造，需要结合课程特点深入挖掘才行。

三、课程内容改革

根据微机控制技术最新发展对课程内容进行补充、更新与重组，增加传统80C51单片机与ARM及DSP等高档微处理器的性能与应用比较，增加80C51单片机最新衍生与改进产品的介绍，增加对80C51单片机历久弥新地在教学和业界获得广泛应用的根源剖析。相比高档微处理器的结构复杂、学习起点高、难度大、调用固件库编程、学习者对硬件结构不了解、侧重培养软件工程师的特点，80C51单片机具有内核小巧、技术成熟、硬件与开发成本极低的特点，还具有独特的学习优势，它能使学习者熟悉硬件结构，从底层寄存器设置开始编程，更好地培养学习者软硬贯通能力、微机控制思维及应用能力。教学中改变过多关注单片机本身结构和编程语言知识点细节的做法，注重电路硬件设计与软件编程的融合、加强学生计算思维能力培养，通过设计大量来自于生产和生活的项目实例进行教学，帮助学生建立微机应用系统的概念，提升解决实际问题的能力。

四、资源建设及应用

（一）教材资源建设及应用

为适应应用型本科人才“保证基础、注重实践、强化应用”的培养需要，对课程教材进行了持续不断地建设，重点在于加强学生应用能力、实践能力与创新能力的培养。2012年课程组教师出版了《单片机原理及应用》[11]，该教材充分运用keil和Proteus仿真软件，建设基于仿真实例的教材。2017年修订出版了《单片机原理及应用》（第2版）[12]，该教材建设了仿真实例和实训实例对照、便于学生动手实践的单片机教材，提供了配套的口袋实验板电路，学生可用口袋实验板完成实例验证，还可进行单片机应用系统设计，教材于2017年6月被评为江苏省高等学校重点教材。2018年出版了《单片机课程设计仿真与实践指导》教材[13]，精选了20多个单片机基础应用、光伏发电、风力发电及物联网应用的实例，让学生先仿真，再用仿真指导实物制作，该过程可操作性强，深受学习者欢迎。

（二）线上资源建设及应用

2019年11月单片机原理与接口技术课程被评为江苏省高校在线开放课程立项建设项目，已完成了近800分钟、50集学习视频的录制和上线，完成了课程讨论、作业、测验与考试等资源的建设。线上课程采用专题形式进行讲解，全方位涵盖理论、实验与课程设计，包括微机基础知识、开发软件与口袋实验板、80C51系列单片机硬件基础、软件基础、片内外设及应用、扩展技术、基于口袋实验板的单片机实验与课程设计等8个专题。课程校内SPOC已开课4期，2019年12月转为中国大学MOOC课程，已经开课3期。

（三）实践资源建设及应用

为保证学生有充分的实践机会，从理论→实验→课程设计→学科竞赛建设了分层次进阶式实践平台。

理论课首先设计了大量的虚拟仿真实例，在课堂引入虚拟仿真技术，进行现场教学演示，使学生采用仿真来理解工作原理，进行电路设计和编程训练。还设计了大量的仿真设计型课后作业，促使学生不断完成学业作品，训练计算思维和系统设计能力。

课程团队自行设计并成功研制单片机口袋实验板，完成了实验板全部配套学习资料。实验板体积小巧，携带使用方便，涵盖课程全部实验资源，学生可随时随地进行单片机实验。课程团队与启东研凌电子有限公司联合研制了DVCC-ZHC3单片机实验装置，实验装置立足于应用型教学需要，采用模块化设计思想，具有较强的模块组合与扩展能力，使单片机实验步入了“设计性实验”的崭新阶段。

单片机课程设计作品已经形成作品集，包括作品仿真、电路设计、软件程序、印刷电路板及实物制作步骤，都收集在已经出版的课程设计教材中[13]。

对参加全国大学生智能车竞赛、蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛的同学，经过多年的传承，已经积累了多套获奖竞赛作品作为样机模型，制作或收集了教学视频资料，软件库资料齐全。

（四）思政资源建设及应用

修订了体现课程思政育人环节的课程教学大纲，组织课程组老师集体备课，总结了课程思政的实施方法，编写了与全套教学内容配套的课程思政教案;录制了课程思政微视频，其中包括与课程内容相关的形势与政策教育、激发学生家国情怀与责任担当意识的课程故事、课程哲理分析，设计了课程思政作业，包括与课程最新技术有关的研究报告、文献综述、进行课程技术演讲和设计作品比赛，对学生进行了社会主义核心价值观教育、工匠精神和科学素养培养。

五、教学组织、实施及评价

（一）教学组织

课程以学生为中心，以思政为引领，按照OBE工程教育理念组织教学。结合学生已有知识和经验，通过剖析课程知识体系、分析社会需求、对学生就业进行跟踪调研、对学科前沿进行追踪、充分融入思政元素等多途径来组织与建设教学资源，线上线下教学合理分工，形成合力，提升教学效果。教学组织与实施体系结构如图1所示。

（二）教学实施

线上教学主要讲授事实性知识和概念性知识，如微机基础、单片机结构、内部功能部件、接口电路特性、编程语法等，便于学生自主学习，线下讲授延伸性和设计性知识，引导学生培养学习思维、指导学生使用软硬件设计工具、设计与调试硬件电路与软件程序，帮助学生理解吸收。线下翻转课堂则通过重难点讲解、师生点评等实现知识巩固、合作探究与答疑解惑。线上线下教学都引入了虚拟仿真技术和口袋实验板助学平台，实现“沉浸式”“学做”一体化教学模式，最终使教师成为善于运用信息技术、理论与实践教学技能并重的智慧教学团队，使学生计算思维、辩证思维、实践能力、团队合作精神得到培养，自主学习能力得到加强，养成终身学习习惯。

图1 教学组织与实施体系结构

（三）学习评价

采用平时、实验和期末考试三部分评价方式对学生进行多方位全过程综合评价，总成绩中，平时占30%，实验占20%，期末占50%。

平时成绩中，线上占70%（平时作业及互评20%，单元测验30%，课程讨论10%，期末测试40%），线下常规课堂占20%（作业40%，两次过程性考核各占30%），翻转课堂占10%（思政故事与形势政策演讲15%，重难点讲解与互评6次，每次10%;综合性作品设计25%）。

实验成绩由四部分组成，实验前准备占20%，实验中操作占30%，实验后拓展占20%，实验报告占30%。实验前要求学生进行仿真，保证程序调试基本是在实验前进行的，学生有充分的时间思考与修改[14-15];实验中要求结合事先做好的仿真，连接电路，下载程序到单片机运行调试，启发学生思考仿真与实际电路的区别，用更多的精力来解决实验中出现的问题，学有余力的同学可增加设计内容;实验后鼓励学生在口袋实验板上进行进阶提高的综合设计，引导学生自主探究，培养创新能力;实验报告注重对实验结果的分析，要求对实验过程中出现的问题提出解决方法。

期末考试采用笔试形式，注重对学生综合应用能力的考核，基础题40分，计算题10分，作图题10分，应用题40分。

六、课程特色与创新

（一）课程特色

1. 建立了符合学生认知和接受特点的课程体系。从学生的知识结构和学习能力出发，以单片机在生产和生活中的应用为主线优化课程体系，紧跟学科前沿，精选典型案例，从学习者的角度构建学习情境，线上线下混合互动构建闭环学习过程。

2. 凸显计算思维能力培养的教学内容。以解决实际问题的单片机计算思维能力为培养目标，重构教学内容，将教学注意力从单纯关注知识点向知识点与系统应用能力并重转变，在对项目实例的解决过程中，深化对知识点的理解，引导学生提高硬件电路设计能力、软件编程能力及软硬融合设计能力。

3. 以学生发展为中心的“学做”一体学习模式。引入虚拟仿真教学手段和口袋型实验板，虚实结合，强化实践，使学生深度参与教学过程，实现“做中学，学中做”，既懂原理，又懂设计和应用，在潜移默化中提升综合能力，引导学生进行与工程项目密切相关的单片机应用系统设计、参加各级各类科技创新竞赛，提升学生解决复杂问题的能力。

4. 基于多元化学习情境的考评与反馈机制。学生通过线上视频、多媒体课件、在线作业与测试、在线讨论，线下翻转课堂、虚拟仿真平台、口袋实验板等多元化的学习资源进行自主学习，使学习途径多样化，学习空间立体化，学习时间和方式机动化，学习手段实践化，对线上平台数据、线下理论课、翻转课、实验课全方位学习过程实行评价，持续改进线上和线下教学活动，使学生忙起来，教师强起来。

5. 沉浸+实践的课程思政教育。利用单片机技术实践性强的特点，采用仿真、实物作品设计等多种手段，对学生进行单片机应用技术训练与反复实践，培养学生的科学素养与工匠精神。除了采用让学生听课程故事等单向“输入式”思政教育外，还采用请学生写课程形势与技术报告、文献综述、进行课堂演讲、进行设计作品比赛等让学生“输出”的形式，使学生在课程思政教育中沉浸其中，充分吸收思政养分，成人成才。

（二）课程创新

1. 课程与职业结合，创新教学内容。充分利用单片机是智能控制核心工具的特点，将单片机和各类实际控制项目相结合，设计了光伏发电、风力发电、物联网控制等方面的实例与项目[12-13]，使学生将课程与日后职业活动相对应，增加学习兴趣与动力。

2. 虚实结合，创新实践手段。引入虚拟仿真和口袋实验板，实现虚实交叉融合的实践教学[12]。用仿真使学生对高度集成的单片机工作原理和工作过程了然于胸，用体积小巧、使用方便的口袋實验板，实现知识点的及时验证和综合性设计，彻底解决单片机教学实践难的问题。

3. 产学互动，创新课改方式。课程引入“产学研”相结合的课内+课外的实践教学模式，将课程实验、设计和产业项目、科研训练融为一体，培养学生的研究能力、创新能力和工程实践能力。

七、课程评价与建设成效

（一）优良的课程评价

本课程近几年校内督导与学生评教结果优良，位列全校前百分之十。爱课程平台的评价4.7分（满分5分），学习者对课程给予了充分肯定：讲解详细全面，可以很好地梳理知识点，达到巩固作用，教学安排细心周到，教学资料丰富齐全，课程有力地支撑了应用型人才的培养。

（二）较显著的建设成效

单片机原理与接口技术课程是学校精品课程、OBE课程，2019年被评为江苏省一流本科课程、江苏省在线开放立项建设课程，SPOC+MOOC选课总人数已经超万人;课程负责人主编的《单片机原理及应用》（第2版）被评为江苏省高等学校重点教材，已被近百所高校选为教材或者教学参考书。授课教师整体素质不断提高，课程负责人为2020年度国家级一流本科专业建设点-电气工程及其自动化专业负责人，近几年指导学生参加国家级、省级以上大学生实践创新项目5项，获得省优秀毕业设计4项，教学团队近5年指导学生获得全国大学生智能车竞赛、蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛等省级以上学科竞赛奖项60多项。

八、课程未来建设计划

（一）做好课程思政的有机融入

紧扣课程特点与内容，进一步深挖课程思政元素，实现思政无缝融入教学全过程，在知识传授中强调价值引领，在价值传播和思维训练中凝聚知识底蕴，进一步激发学生学习热情，训练学生的科学素养和文理交融能力，实现“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教学目标。

（二）增加面向产业的课程案例

盐城及江苏地区新能源电气产业发展迅速，增加单片机在新能源电气控制方面的应用实例，进一步解决课程教学与生产实际的对接问题。完善与生产实际对接的课程资源建设，实现产学合作，协同育人。

（三）加强教学资源与新形态教材建设

不断完善线上线下教学资源，将产学合作成果、教师科研成果与教学内容相结合，针对不同专业，进行项目模块设计，建设更为丰富生动的线上线下资源，使其更具应用特色，利用互联网技术和智能识别技术，实现线上资源与纸质教材的有效对接，助推线上线下混合教学的开展。

（四）加强教学过程考评机制建设

以OBE教学模式为抓手，加强教学过程考核，持续改进，不断完善课程评价和考核体系，增加产学合作、第二课堂方面的考核，进一步提升课程实验的综合性，项目设计的实战性、课程设计的挑战性，切实提高教学效果。

参考文献：

[1]教育部.教育部关于一流本科课程建设的实施意见（教高〔2019〕8号）[J].中华人民共和国国务院公报，2020（5）：57-62.

[2]张红伟，蒋明霞，兰利琼.一流课程建设的要义：思想性与学术性[J].中国大学教学，2020（12）：36-41.