工程教育认证背景下单片机原理课程教学改革探索

    罗（韦华）　袁庆庆　夏鲲

    摘 要：单片机原理是电气工程及其自动化本科生的重要专业基础课程。工程教育认证背景下，本文阐述了单片机原理传统教学方式和考核机制的不足，以培养目标为主线，以解决存在问题为目标，以能力培养为导向，依次从优化理论教学方法、改进实验教学方法、改革课程评价方法四方面，进行单片机原理课程教学改革探索。引导学生有效学习，培养学生的工程意识、协作精神以及解决实际问题的能力。

    关键词：工程教育;单片机原理;教学改革;持续改进

    中图分类号：G642.0文献标识码：A

    一、绪论

    工程教育认证制度对于保障工程教育的质量及其发展有重要作用，是国际通用的制度。我国在2016年6月正式加入了《华盛顿协议》，此协议在国际本科工程教育学位互认方面具有很大影响力，这标志着我国工程教育认证水平和国际认可度不断提高，对提高我国工程教育认证质量和提升中国工程教育认证国际竞争力具有重要意义[1]。

    单片机原理是电气工程及其自动化专业本科生的专业基础课程之一。本课程的核心教学成效有以下两方面，一是学生能够熟练地掌握和应用单片机的基本知识、原理和技能，能够对单片机系统进行相应的设计开发、调试和应用，二是培养学生的工程实践能力、创新能力、逻辑思维能力，进而提升学生的就业竞争力，且为后续相关课程的学习和教学打下了坚实的理论和实践基础[2]。为了保证上海理工大学电气工程及其自动化专业工程教育认证培养目标更好地达成，培养更多具备国际等效工程能力的专业技术人才，本文对工程教育认证背景下的单片机原理课程教学模式改革进行了相关探索和实践。

    二、单片机原理课程培养目标和现存问题

    以学生为中心，对全体学生进行工程能力的培养，是工程教育认证的核心理念。落实在制定培养目标、教育教学资源建设的评估和质量监控机制的全过程中。工程教育认证是基于学生学习的效果和能力的提高作为评价教育质量标准的认证体系[3]。以上海理工大学电气工程及其自动化专业工程教育认证培养目标为例，旨在培养“工程型、创新性、国际化”的电气工程及其自动化领域的复合型人才，可以胜任电气工程、能源技术等领域的科学研究、技术开发、生产制造或经营管理等工作，满足国家和长三角区域经济社会发展对新工科、工程型、复合型人才的需求。具体到工程教育认证过程中，《单片机原理》课程培养目标要求毕业生能够具备识别、表达，并通过文献研究分析电气工程领域中的复杂工程问题的能力。

    单片机原理在电路原理、数字电子技术、模拟电子技术、自动控制原理以及计算机应用基础等先修课程的基础上，重点培养学生在学习过程中使用单片机的能力，包括单片机系统设计开发、调试和应用等工程能力。对于未修前面所述课程或者前修过程基础较弱以及没有硬件开发经验的同学而言，单片机自身特性决定了该课程知识点庞杂且零碎，基础概念相对抽象、对学生动手能力要求高，课程内容有较强的实践性[4]。总结传统单片机原理课程的教学方式，主要存在以下几点不符合工程教育认证的理念：

    （1）单片机原理这门课程在进行理论教学的过程中，其基础概念比较复杂、涉及的知识点很多，且对学生的抽象思维要求较高，在传统教学模式下要求学生对单片机基本概念有一定的了解，并且掌握相关的汇编语言，能够编写一些简单的程序，然后完成布置的习题即可[5]，这种方式不利于达到工程教育认证背景下单片机原理课程培养目标。

    （2）在传统教学方法中，单片机原理这门课程是以教师为中心，基于“教师讲、学生听”的教学方式，按照教师的知识和经验以及课程大纲要求来设计教学过程，讲课顺序也是按知识点从前到后依次讲解，教師的理论讲授在教学过程中占据绝对主导位置。但这种教学方式缺乏单片机理论知识与实际应用的联系，与工程教育专业认证中强调培养学生的实践创新能力和解决电气工程领域中复杂工程问题能力仍具有一定的差距。

    （3）以验证性实验为主的单片机原理配套实验课程内容相对固定，学生依照实验手册中的内容按部就班地进行，即可得到结果，这不利于锻炼学生的创新思维和发挥学生的主观能动性，也不利于进一步锻炼学生单片机系统的设计、开发、硬件测试和软件调试等能力。

    三、单片机原理教学模式探索

    工程教育认证背景下，单片机原理课程需要改变传统教学中存在的弊端，强调以培养工程实践能力为中心，强调教师与学生之间的交流互动，通过整合多种教学方法，发挥学生的主观能动性，以老师课堂上所讲授内容为基础，进行归纳总结以及应用，并借助多种辅助手段，如查找相关文献，学习单片机和相关芯片手册等，提高学生运用所学知识进行综合应用和实践的能力，不断优化课程体系，以更有效的实践能力培养方式来适应工程教育认证对这门课程的毕业要求。

    本文以工程教育认证为背景，针对单片机原理课程教学中存在的弊端，充分考虑工程教育认证对该课程毕业要求，从优化理论教学方法、改革实验教学方法、改进课程评价方法三个方面出发，对单片机原理课程教学的创新性教学模式进行探索。

    （一）优化理论教学方法

    教师运用微课、慕课、电子教材等丰富的多媒体资源，根据课程教学大纲和往届学生的教学效果反馈，结合单片机的原理、结构和功能等特点，去设计适用于本专业学生的教学资源，并基于此制作多媒体教学内容。课程开始时对班级学生按自由组合的方式进行分组，约5—8人一组。以小组为单位的学习方式贯穿于整个单片机原理课程的学习过程中，小组成员需要在学习过程中，完成课程设计内容，互相督促，查漏补缺解决学习过程中出现的问题并进行总结。课堂上，引入学生以小组为单位自学并轮流讲授的方式，给学生提供充分的展示自我的机会，强调创新思维在单片机应用中的重要性，鼓励学生对单片机进行创新性应用和拓展，分享创新过程中的经验和体会，营造一种鼓励创新的学习氛围。在学习掌握单片机原理和结构的过程中，发挥小组的能动性，对组内成员的知识掌握情况进行汇总，并及时反馈，进而使得教师能够有目的性地调整教学节奏和重点。以小组为单位的学习方式，有利于使学生从传统课堂上的被动听讲转为主动学习，进而调动学生共同学习的积极性和主动性。在小组成员讲授结束以后，教师对不足之处进行补充并对学生所讲内容的完整性和清晰度进行评价，进而提升学生的课堂参与度以及互相学习的积极性，也进一步提高了课堂的教学效率。

    （二）改进实验教学方法

    将验证性实验和设计性实验相结合，验证性实验旨在帮助学生在单片机初学阶段将课本抽象的理论知识以具体的方式进行呈现，进而使学生能够将实验与课堂上讲授的内容结合起来，有助于进一步加强学生对单片机原理和结构的理解。在多次验证和实践中，各小组的主观能动性和小组协作能力逐步提高。为了提升学以致用的理念，增强实践效果，教师可在课程中期有目的、有意识地分配给学生多种开放设计的题目，学生设计方案并以该方案进行实验，在实验中进行调试和验证。单片机原理设计实验过程中，遇到不懂的知识点，学习实践小组可以随时查阅相关的学习资源，并将知识点及时应用到设计性实验中，有效加深学生对单片机相关基础概念的理解。在实验教学中，学生是学习的主人公，不仅要主动学习单片机原理的基本知识，还要积极培养自己对相关知识进行分类整合的能力，从而形成自己的知识框架和体系。同时，要充分发挥学生的主观能动性，敢于面对问题、敢于解决问题、善于合作共赢、善于协同创新。鼓励学有余力的优秀学生组队，参加学校、市级和国家各个级别的电子竞赛活动，以赛促学，以赛代练，通过各种创新创业竞赛锻炼学生的逻辑思维能力和动手实践能力，锻炼学生将理论和实践相结合的能力，拓展和提升学生各方面的素养，培养学生的创新创业思维，做到理论知识的学以致用和动手能力的充分锻炼。

    （三）改革课程评价方法

    制定工程教育认证体系下的单片机原理课程评价方法，该评价方法与传统单一的试卷评价方式不同，同时包含课程理论综合评价、实验设计及结果评价、创新能力评价、解决工程问题能力评价等。考试包含多数简答题、少量填空、方案设计及思维拓展题等几部分。充分发挥单片机课程学习小组在课程评价方法中的作用，在学生平时成绩评价环节，既包含教师打分也引入团队成员互评机制。将学生的最终成绩由教师评分、个人自我评价、小组成员的评价这三部分进行评分权重的认定。教师评分可依据该学生在小组中所起的作用以及其课程综合能力的高低和创新性。小组成员可参考该学生的团结协作能力及为小组所做出的贡献等方面进行评价。鉴于以上评价和打分，结合教育认证的课程达标要求，并根据不同的分数权重对该学生的此门课程进行综合认定。

    四、结语

    本文指出了工程教育认证背景下该课程传统理论教学、實验教学和评价方法的弊端，并针对这些弊端，对工程教育专业认证背景下单片机课程教学改革方式进行了探索。通过改革教学方法，进而调动学生的主观能动性，培养自主学习的能力和终身学习的习惯，增加学生的动手机会，积累动手实践经验，加强理论和实践的联系，锻炼学生的创新思维能力，为培养符合工程认证体系的毕业生奠定坚实的理论和实践基础。

    参考文献：

    [1]汤赐.以工程教育认证为导向的课程设置[J].中国电力教育，2014（36）：80-81+88.

    [2]李朝青.单片机原理及接口技术（第4版）[M].北京航空航天大学出版社，2013.

    [3]赵亦希，陈佳妮，陈关龙.以学生能力培养为导向是工程教育专业认证的基本准则[J].上海教育评估研究，2014（4）：5-7.

    [4]李敏.单片机理论实验课程改革教学体会[J].科技风，2011（20）：230.

    [5]赵宇洋，李争，王春梅.基于工程教育认证的单片机PBL教学模式探索与实践[J].高教学刊，2019，（2）：90-93.

    作者简介：罗（1986— ），男，汉族，山西万荣人，博士，上海理工大学机械工程学院电气工程系，讲师，研究方向：大功率电力电子变流器;袁庆庆（1987— ），女，汉族，江苏启东人，博士，讲师，上海理工大学机械工程学院电气工程系副主任，研究方向：电机高性能控制，新能源并网控制;夏鲲（1980— ），男，汉族，上海人，博士，副教授，上海理工大学创新创业学院副院长，研究方向：高效电力电子设备及其故障检测技术、精密电机控制和测量技术、无人化工厂和物联网技术。