新工科背景下单片机原理及应用课程教学改革探析

摘"要：分析单片机原理及应用课程教学改革存在的问题，旨在进行新工科背景下基于MATLAB的单片机原理及应用课程教学改革与实践，通过研究MATLAB与单片机原理及应用课程相结合的人才培养方案，从教学内容体系、教学结构、教学模式、考核机制等方面探讨课程教学的新变化，实施具有新体系、新结构、新模式、新考核机制的教学，培养知识能力与产业需求相匹配的人才。以期培养适应面向工程实践的应用型创新人才。关键词：新工科；MATLAB；单片机原理及应用；教学改革0"引言高素质人才是推动国家工业变革和实施发展战略的保障因素。与传统工科专业相比，新工科专业注重培养既有专业技能又有创新能力的人才，在新工科建设中，课程教学需要有新体系、新结构、新模式、新考核机制。电气类工科专业单片机原理及应用课程为电气学科提供控制理论基础和工程实践平台，基于MATLAB的课程教学和实践改革对学生学习及发展具有积极的影响。在新工科建设背景下，应当深入分析基于MATLAB的单片机原理及应用课程教学中存在的问题，充实课程内容、改革教学方式，以培养学生的思维能力和设计能力，使其能真正将知识应用到工程中。1"基于MATLAB的单片机原理及应用课程教学研究现状目前，电气类专业单片机原理及应用课程与行业脱节严重，在知识、创新、综合素质培养等方面多多少少都存在问题，无法达到人才培养目标。主要有以下几个方面的问题。1.1"教学模式不完善教学理念陈旧，教学方式单一，评价标准不合理，以及教学目标不清晰，导致学生对知识的学习有所欠缺，对各个章节内容没有全面系统的认识。单片机原理及应用与其他课程相比，知识点繁杂，不易理解，学生自主学习性差[1]。教学模式主要存在问题如下。1.1.1"实践与理论脱节实践内容还停留在LED闪烁、流水灯、数码管显示等基础实验，而对于如何实现数据的采集、传输和处理，并不能很好地将单片机应用到实际系统中，在教学上不能很好地将理论与实践相结合。1.1.2"教学方法单一缺少项目驱动式教学，学生孤立地理解知识点，如单片机的中断系统、串口通信等知识，很难将知识点在电子产品系统中协同应用，降低了学习的积极性和主动性。1.1.3"个性化教学不足学生的基础知识和学习能力存在差异，但个性化教学不足。如在教学单片机C51语言编程时，没有针对不同层次的学生提供不同难度的编程任务，不能满足不同学生的学习需求。1.2"学科与行业融合的深度不够目前开设的单片机原理及应用课程采用满堂灌、填鸭式教学等方法，存在重理论、轻实践，课程知识与行业关联不紧密、与实际应用脱节等问题，学生缺少对MATLAB与单片机原理及应用课程关系的认识，程序设计、电路设计能力不足。同时，存在课程实践内容难度小、缺乏挑战性，不利于解决复杂问题，降低了学生对本课程的学习兴趣[2]。1.2.1"与电子电路设计行业融合不足在教学过程中，硬件协同设计欠缺，学生虽然学习了单片机的基本硬件结构，但是对于如何与其他复杂的电子元件进行协同设计思考深度不够，如单片机数据处理与前端电路高精度放大器、滤波器等的配合。PCB布局布线知识薄弱，在设计单片机系统PCB时，学生不知道如何处理布线，如何合理安排电源和地平面等。1.2.2"与自动化控制行业融合浅教学中仅仅简单介绍了一些控制算法的基本概念，没有深入讲解如何将这些控制算法在单片机上进行实现和优化。例如，对单片机温度控制系统，学生不清楚如何根据实际的温度传感器特性、加热或制冷设备的动态特性来调整PID参数，以实现快速、稳定的温度控制。1.3"缺乏实践平台受资金、实践平台条件不足等因素制约，学生缺乏对MATLAB软件和仿真平台的了解，学习过于重视书本，只记住理论知识而缺乏实践，导致眼高手低、动手能力弱。1.4"思政体系不健全传统的单片机原理及应用课程缺乏与团队合作、项目经验相关的讲解，课程内容中缺乏思政元素的融入。只有考勤、作业与期末考试的评价，指标过于单一，难以将专业理论知识传授与德育相融合，培养学生的思政素养和综合素质迫在眉睫。因此，建立新体系、新结构、新模式、新考核机制是基于MATLAB的单片机原理及应用课程改革的目标，也是未来教学改革与实践的趋势[3]。2"具体改革内容、改革目标和拟解决的关键问题2.1"改革内容2.1.1"进行新工科背景下基于MATLAB的单片机原理及应用教学改革根据MATLAB与单片机原理及应用课程特点，从教学体系、导向、方法等方面入手，在授课过程将理论与实践相结合，培养复合型、创新型高素质人才。建设MATLAB与单片机原理及应用课程相结合的知识库资源，使得MATLAB与单片机原理及应用的理论知识不再脱节；因材施教，以行业需求为导向，激发学生的学习积极性。同时，以技能为出发点，完善理论与实践新体系，通过改革，健全和完善新工科电气类课程培养方案[4]。具体改革内容如图1所示。2.1.2"“双目标三阶段”教学模式单片机原理及应用课程是理实一体化课程，根据其课程性质，宜采取“双目标三阶段”教学模式。所谓“双目标”，是指思政育人目标和专业学习目标，在教学过程中采用线上和线下相结合的形式，融价值塑造、知识传授和能力培养为一体。所谓“三阶段”，即课前、课中、课后阶段，教师应充分利用课堂教学主渠道，助力学生德智体美劳全面发展。2.1.3"立足“两性一度”的教学过程“两性一度”指的是“高阶性”“创新性”“挑战度”。立足“两性一度”，强调以学生为主体，开展课程教学改革，具体包括优化课程目标与内容，健全课程考核机制，以此实现单片机原理及应用课程更好地服务专业人才的培养[5]。教学过程如图2所示。2.2"改革目标本文围绕新体系、新结构、新模式、新考核机制，探讨如何将学生培养成适应产业发展的应用型人才，在单片机原理及应用课程知识传授中，达到学科与行业、企业间的同频共振。基于MATLAB的单片机原理及应用课程改革目标包括设计教学内容新体系和新结构、建立教学过程新模式和课程新考核机制。2.2.1"设计教学内容新体系和新结构以学生为主线，突出知识向能力的转化，重塑基于MATLAB的单片机原理及应用课程内容的新体系和新结构，完善教材各章节内容及前后衔接关系，避免课程脱节。2.2.2"建立教学过程新模式以培养应用型人才为目标，将学科与产业有机融合，以工业需求为导向，规划对学生能力的培养，夯实技能基础。采用学科+课程+应用的方式，优化教学资源，兼顾单片机控制方向交叉性，将产业与实践培养融入课程体系，构建教学过程新模式[6]。2.2.3"建立课程新考核机制基于MATLAB与单片机原理及应用课程实践程度高的特点，重新设计考核机制。传统教学以作业、出勤和实验等方面为考核内容，而新工科背景下在培养学生能力时需要进一步加大对学生专业技能水平的考核，提高学生的分析设计与应用能力。因此，设置平时表现（20%）、章节作业（10%）、项目（10%）和期末考试（60%）四个环节，具体关系如图3所示。2.3"拟解决的关键问题2.3.1"如何设计教学内容新体系和新结构单一的课程内容不能适应社会的发展，必须根据社会需求培养不同层次的人才，不仅要做到因材施教，而且要因需施教。因此，要以工程应用为目的，建立教学内容新体系、新结构，以培养适应社会需求的高质量人才。2.3.2"如何建立教学过程新模式将理论分析、电路分析、程序设计电路仿真结合起来进行教学，运用MATLAB软件方法解决电路分析的实际程序问题，有效地将学生从盲目的软件学习中解脱出来。2.3.3"如何建立课程新考核机制对协同分析与设计能力、应用能力和合作意识进行考核，评判学生的综合素养，将德育纳入课程考核中。3"实施方案、实施措施、实施计划3.1"实施方案根据问题剖析、内容、措施、成果、目标五个方面进行教学。分析单片机原理及应用课程教学中存在的问题，进而从教学设计、示范课情况、资源整合、师资建设、考评机制各层面剖析有关课程的主要因素，后续根据MATLAB基础知识、专业知识、综合知识的内容选择，进行业务备课，选择相应的教学形式、教学手段并进行过程评价，从而推动单片机原理及应用课程良性发展，形成完整的课程教学实施方案[7]。具体实施方案如图4所示。3.2"实施措施3.2.1"课程体系优化重新修订教学大纲，课程内容中大量增加程序设计、电路设计方面的知识，使学生更好地具备自主学习能力；增加电路设计和仿真软件（MATLAB/Proteus）在单片机原理及应用课程教学中的应用，增强学生的思维能力，让单片机课程不再枯燥乏味；增加单片机应用最新发展方向的内容，使学生了解单片机控制学科发展前沿与最新学科动态；与此同时，缩减单片机结构、概念等烦琐、不易理解的教学内容。3.2.2"教学模式多样化采用多样化的教学模式，开展“双目标三阶段”教学，立足“两性一度”，以提高学生的学习积极性。通过教学平台（钉钉、学习通）上传课件、动画、教学视频、作业，甚至可以发起讨论交流。在课堂上充分利用手机签到、选人、抢答、主题讨论、直播等方式助力教学，了解学生的学习动态，针对不同学生做到因材施教。3.2.3"调整教学结构，让学生做到知行合一将单片机编程C语言、MATLAB软件与单片机实际电路建模、程序设计相结合，加大实践课程比重，通过引导+归纳+案例+仿真式+动手操作式教学，提高学生创新能力，实现知行合一的良性循环。并且鼓励学生参加如电子设计、“互联网+”等大赛，增强基于MATLAB的单片机原理及应用课程教学效果。3.2.4"培养团队协作意识，优化考核机制改革原有的一卷定成绩的评价模式，采用“模拟项目+真实项目平台”的考试模式，检验“真学、真做”效果，由结果导向转为过程导向考核和知识与技能双考核。同时，在教学过程中，教师在关注知识传授的同时注重思政元素的融入，重视对学生的德育培养。总之，要实现考核机制的多元化评价。3.3"实施计划改革实施计划，须融合新体系、新结构、新模式、新考核机制的改革目标，将教学内容、硬件、教案、项目仿真、教学方式、资源库