新工科背景下單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革探析

摘"要：分析單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革存在的問(wèn)題，旨在進(jìn)行新工科背景下基于MATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐，通過(guò)研究MATLAB與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程相結(jié)合的人才培養(yǎng)方案，從教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)結(jié)構(gòu)、教學(xué)模式、考核機(jī)制等方面探討課程教學(xué)的新變化，實(shí)施具有新體系、新結(jié)構(gòu)、新模式、新考核機(jī)制的教學(xué)，培養(yǎng)知識(shí)能力與產(chǎn)業(yè)需求相匹配的人才。以期培養(yǎng)適應(yīng)面向工程實(shí)踐的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。關(guān)鍵詞：新工科；MATLAB；單片機(jī)原理及應(yīng)用；教學(xué)改革0"引言高素質(zhì)人才是推動(dòng)國(guó)家工業(yè)變革和實(shí)施發(fā)展戰(zhàn)略的保障因素。與傳統(tǒng)工科專業(yè)相比，新工科專業(yè)注重培養(yǎng)既有專業(yè)技能又有創(chuàng)新能力的人才，在新工科建設(shè)中，課程教學(xué)需要有新體系、新結(jié)構(gòu)、新模式、新考核機(jī)制。電氣類工科專業(yè)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程為電氣學(xué)科提供控制理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐平臺(tái)，基于MATLAB的課程教學(xué)和實(shí)踐改革對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)及發(fā)展具有積極的影響。在新工科建設(shè)背景下，應(yīng)當(dāng)深入分析基于MATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，充實(shí)課程內(nèi)容、改革教學(xué)方式，以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和設(shè)計(jì)能力，使其能真正將知識(shí)應(yīng)用到工程中。1"基于MATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)研究現(xiàn)狀目前，電氣類專業(yè)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程與行業(yè)脫節(jié)嚴(yán)重，在知識(shí)、創(chuàng)新、綜合素質(zhì)培養(yǎng)等方面多多少少都存在問(wèn)題，無(wú)法達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)。主要有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。1.1"教學(xué)模式不完善教學(xué)理念陳舊，教學(xué)方式單一，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不合理，以及教學(xué)目標(biāo)不清晰，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)有所欠缺，對(duì)各個(gè)章節(jié)內(nèi)容沒(méi)有全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。單片機(jī)原理及應(yīng)用與其他課程相比，知識(shí)點(diǎn)繁雜，不易理解，學(xué)生自主學(xué)習(xí)性差[1]。教學(xué)模式主要存在問(wèn)題如下。1.1.1"實(shí)踐與理論脫節(jié)實(shí)踐內(nèi)容還停留在LED閃爍、流水燈、數(shù)碼管顯示等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，并不能很好地將單片機(jī)應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，在教學(xué)上不能很好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合。1.1.2"教學(xué)方法單一缺少項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，學(xué)生孤立地理解知識(shí)點(diǎn)，如單片機(jī)的中斷系統(tǒng)、串口通信等知識(shí)，很難將知識(shí)點(diǎn)在電子產(chǎn)品系統(tǒng)中協(xié)同應(yīng)用，降低了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。1.1.3"個(gè)性化教學(xué)不足學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)習(xí)能力存在差異，但個(gè)性化教學(xué)不足。如在教學(xué)單片機(jī)C51語(yǔ)言編程時(shí)，沒(méi)有針對(duì)不同層次的學(xué)生提供不同難度的編程任務(wù)，不能滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。1.2"學(xué)科與行業(yè)融合的深度不夠目前開(kāi)設(shè)的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程采用滿堂灌、填鴨式教學(xué)等方法，存在重理論、輕實(shí)踐，課程知識(shí)與行業(yè)關(guān)聯(lián)不緊密、與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)等問(wèn)題，學(xué)生缺少對(duì)MATLAB與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程關(guān)系的認(rèn)識(shí)，程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)能力不足。同時(shí)，存在課程實(shí)踐內(nèi)容難度小、缺乏挑戰(zhàn)性，不利于解決復(fù)雜問(wèn)題，降低了學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣[2]。1.2.1"與電子電路設(shè)計(jì)行業(yè)融合不足在教學(xué)過(guò)程中，硬件協(xié)同設(shè)計(jì)欠缺，學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于如何與其他復(fù)雜的電子元件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)思考深度不夠，如單片機(jī)數(shù)據(jù)處理與前端電路高精度放大器、濾波器等的配合。PCB布局布線知識(shí)薄弱，在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)PCB時(shí)，學(xué)生不知道如何處理布線，如何合理安排電源和地平面等。1.2.2"與自動(dòng)化控制行業(yè)融合淺教學(xué)中僅僅簡(jiǎn)單介紹了一些控制算法的基本概念，沒(méi)有深入講解如何將這些控制算法在單片機(jī)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。例如，對(duì)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，學(xué)生不清楚如何根據(jù)實(shí)際的溫度傳感器特性、加熱或制冷設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性來(lái)調(diào)整PID參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的溫度控制。1.3"缺乏實(shí)踐平臺(tái)受資金、實(shí)踐平臺(tái)條件不足等因素制約，學(xué)生缺乏對(duì)MATLAB軟件和仿真平臺(tái)的了解，學(xué)習(xí)過(guò)于重視書(shū)本，只記住理論知識(shí)而缺乏實(shí)踐，導(dǎo)致眼高手低、動(dòng)手能力弱。1.4"思政體系不健全傳統(tǒng)的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程缺乏與團(tuán)隊(duì)合作、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的講解，課程內(nèi)容中缺乏思政元素的融入。只有考勤、作業(yè)與期末考試的評(píng)價(jià)，指標(biāo)過(guò)于單一，難以將專業(yè)理論知識(shí)傳授與德育相融合，培養(yǎng)學(xué)生的思政素養(yǎng)和綜合素質(zhì)迫在眉睫。因此，建立新體系、新結(jié)構(gòu)、新模式、新考核機(jī)制是基于MATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程改革的目標(biāo)，也是未來(lái)教學(xué)改革與實(shí)踐的趨勢(shì)[3]。2"具體改革內(nèi)容、改革目標(biāo)和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題2.1"改革內(nèi)容2.1.1"進(jìn)行新工科背景下基于MATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)改革根據(jù)MATLAB與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程特點(diǎn)，從教學(xué)體系、導(dǎo)向、方法等方面入手，在授課過(guò)程將理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型高素質(zhì)人才。建設(shè)MATLAB與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程相結(jié)合的知識(shí)庫(kù)資源，使得MATLAB與單片機(jī)原理及應(yīng)用的理論知識(shí)不再脫節(jié)；因材施教，以行業(yè)需求為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)，以技能為出發(fā)點(diǎn)，完善理論與實(shí)踐新體系，通過(guò)改革，健全和完善新工科電氣類課程培養(yǎng)方案[4]。具體改革內(nèi)容如圖1所示。2.1.2"“雙目標(biāo)三階段”教學(xué)模式單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是理實(shí)一體化課程，根據(jù)其課程性質(zhì)，宜采取“雙目標(biāo)三階段”教學(xué)模式。所謂“雙目標(biāo)”，是指思政育人目標(biāo)和專業(yè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，在教學(xué)過(guò)程中采用線上和線下相結(jié)合的形式，融價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)為一體。所謂“三階段”，即課前、課中、課后階段，教師應(yīng)充分利用課堂教學(xué)主渠道，助力學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展。2.1.3"立足“兩性一度”的教學(xué)過(guò)程“兩性一度”指的是“高階性”“創(chuàng)新性”“挑戰(zhàn)度”。立足“兩性一度”，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，開(kāi)展課程教學(xué)改革，具體包括優(yōu)化課程目標(biāo)與內(nèi)容，健全課程考核機(jī)制，以此實(shí)現(xiàn)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程更好地服務(wù)專業(yè)人才的培養(yǎng)[5]。教學(xué)過(guò)程如圖2所示。2.2"改革目標(biāo)本文圍繞新體系、新結(jié)構(gòu)、新模式、新考核機(jī)制，探討如何將學(xué)生培養(yǎng)成適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的應(yīng)用型人才，在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程知識(shí)傳授中，達(dá)到學(xué)科與行業(yè)、企業(yè)間的同頻共振?；贛ATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程改革目標(biāo)包括設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容新體系和新結(jié)構(gòu)、建立教學(xué)過(guò)程新模式和課程新考核機(jī)制。2.2.1"設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容新體系和新結(jié)構(gòu)以學(xué)生為主線，突出知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化，重塑基于MATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程內(nèi)容的新體系和新結(jié)構(gòu)，完善教材各章節(jié)內(nèi)容及前后銜接關(guān)系，避免課程脫節(jié)。2.2.2"建立教學(xué)過(guò)程新模式以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，將學(xué)科與產(chǎn)業(yè)有機(jī)融合，以工業(yè)需求為導(dǎo)向，規(guī)劃對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，夯實(shí)技能基礎(chǔ)。采用學(xué)科+課程+應(yīng)用的方式，優(yōu)化教學(xué)資源，兼顧單片機(jī)控制方向交叉性，將產(chǎn)業(yè)與實(shí)踐培養(yǎng)融入課程體系，構(gòu)建教學(xué)過(guò)程新模式[6]。2.2.3"建立課程新考核機(jī)制基于MATLAB與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程實(shí)踐程度高的特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)考核機(jī)制。傳統(tǒng)教學(xué)以作業(yè)、出勤和實(shí)驗(yàn)等方面為考核內(nèi)容，而新工科背景下在培養(yǎng)學(xué)生能力時(shí)需要進(jìn)一步加大對(duì)學(xué)生專業(yè)技能水平的考核，提高學(xué)生的分析設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力。因此，設(shè)置平時(shí)表現(xiàn)（20%）、章節(jié)作業(yè)（10%）、項(xiàng)目（10%）和期末考試（60%）四個(gè)環(huán)節(jié)，具體關(guān)系如圖3所示。2.3"擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題2.3.1"如何設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容新體系和新結(jié)構(gòu)單一的課程內(nèi)容不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，必須根據(jù)社會(huì)需求培養(yǎng)不同層次的人才，不僅要做到因材施教，而且要因需施教。因此，要以工程應(yīng)用為目的，建立教學(xué)內(nèi)容新體系、新結(jié)構(gòu)，以培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的高質(zhì)量人才。2.3.2"如何建立教學(xué)過(guò)程新模式將理論分析、電路分析、程序設(shè)計(jì)電路仿真結(jié)合起來(lái)進(jìn)行教學(xué)，運(yùn)用MATLAB軟件方法解決電路分析的實(shí)際程序問(wèn)題，有效地將學(xué)生從盲目的軟件學(xué)習(xí)中解脫出來(lái)。2.3.3"如何建立課程新考核機(jī)制對(duì)協(xié)同分析與設(shè)計(jì)能力、應(yīng)用能力和合作意識(shí)進(jìn)行考核，評(píng)判學(xué)生的綜合素養(yǎng)，將德育納入課程考核中。3"實(shí)施方案、實(shí)施措施、實(shí)施計(jì)劃3.1"實(shí)施方案根據(jù)問(wèn)題剖析、內(nèi)容、措施、成果、目標(biāo)五個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)。分析單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，進(jìn)而從教學(xué)設(shè)計(jì)、示范課情況、資源整合、師資建設(shè)、考評(píng)機(jī)制各層面剖析有關(guān)課程的主要因素，后續(xù)根據(jù)MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)、綜合知識(shí)的內(nèi)容選擇，進(jìn)行業(yè)務(wù)備課，選擇相應(yīng)的教學(xué)形式、教學(xué)手段并進(jìn)行過(guò)程評(píng)價(jià)，從而推動(dòng)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程良性發(fā)展，形成完整的課程教學(xué)實(shí)施方案[7]。具體實(shí)施方案如圖4所示。3.2"實(shí)施措施3.2.1"課程體系優(yōu)化重新修訂教學(xué)大綱，課程內(nèi)容中大量增加程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，使學(xué)生更好地具備自主學(xué)習(xí)能力；增加電路設(shè)計(jì)和仿真軟件（MATLAB/Proteus）在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生的思維能力，讓單片機(jī)課程不再枯燥乏味；增加單片機(jī)應(yīng)用最新發(fā)展方向的內(nèi)容，使學(xué)生了解單片機(jī)控制學(xué)科發(fā)展前沿與最新學(xué)科動(dòng)態(tài)；與此同時(shí)，縮減單片機(jī)結(jié)構(gòu)、概念等煩瑣、不易理解的教學(xué)內(nèi)容。3.2.2"教學(xué)模式多樣化采用多樣化的教學(xué)模式，開(kāi)展“雙目標(biāo)三階段”教學(xué)，立足“兩性一度”，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過(guò)教學(xué)平臺(tái)（釘釘、學(xué)習(xí)通）上傳課件、動(dòng)畫(huà)、教學(xué)視頻、作業(yè)，甚至可以發(fā)起討論交流。在課堂上充分利用手機(jī)簽到、選人、搶答、主題討論、直播等方式助力教學(xué)，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，針對(duì)不同學(xué)生做到因材施教。3.2.3"調(diào)整教學(xué)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生做到知行合一將單片機(jī)編程C語(yǔ)言、MATLAB軟件與單片機(jī)實(shí)際電路建模、程序設(shè)計(jì)相結(jié)合，加大實(shí)踐課程比重，通過(guò)引導(dǎo)+歸納+案例+仿真式+動(dòng)手操作式教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)知行合一的良性循環(huán)。并且鼓勵(lì)學(xué)生參加如電子設(shè)計(jì)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等大賽，增強(qiáng)基于MATLAB的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)效果。3.2.4"培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，優(yōu)化考核機(jī)制改革原有的一卷定成績(jī)的評(píng)價(jià)模式，采用“模擬項(xiàng)目+真實(shí)項(xiàng)目平臺(tái)”的考試模式，檢驗(yàn)“真學(xué)、真做”效果，由結(jié)果導(dǎo)向轉(zhuǎn)為過(guò)程導(dǎo)向考核和知識(shí)與技能雙考核。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中，教師在關(guān)注知識(shí)傳授的同時(shí)注重思政元素的融入，重視對(duì)學(xué)生的德育培養(yǎng)?？傊獙?shí)現(xiàn)考核機(jī)制的多元化評(píng)價(jià)。3.3"實(shí)施計(jì)劃改革實(shí)施計(jì)劃，須融合新體系、新結(jié)構(gòu)、新模式、新考核機(jī)制的改革目標(biāo)，將教學(xué)內(nèi)容、硬件、教案、項(xiàng)目仿真、教學(xué)方式、資源庫(kù)