譚 潔，劉 震

（銅仁職業(yè)技術學院，貴州 銅仁 554300）

0 引 言

單片機課程是物聯(lián)網(wǎng)技術、計算機、機電一體化等專業(yè)的必修課程。依據(jù)2023 年中央一號文件中提出的“重點補上土壤改良、農田灌排設施等短板，統(tǒng)籌推進高效節(jié)水灌溉”“推進智慧農業(yè)發(fā)展”等內容，結合“工農結合、智能制造”的專業(yè)發(fā)展方向[1]，將電工電子技術、C 語言編程、傳感器檢測技術與單片機課程有機融合，以面向工程認證的CDIO-OBE 教育理念[2]為出發(fā)點，項目構思、設計、實現(xiàn)、運行四步驟為教學主線，打造以學生為中心、以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力為導向的教學模式，設計了以開發(fā)制作智能灌溉系統(tǒng)為核心的教學方案，致力于培養(yǎng)學生專業(yè)基礎能力、思維創(chuàng)新能力，大力弘揚傳承“工匠精神”，激發(fā)學生“愛國情懷”，樹立節(jié)水意識，為服務鄉(xiāng)村振興儲備高素質技能人才。

1 教學整體設計

1.1 緊扣CDIO 工程教育理念，融通崗課賽證，工農結合重構教學內容

在傳統(tǒng)教學中，單片機課程一般采用以理論教學、實驗講解為主，學生實踐為輔的教學模式，教師講授偏多，學生動手偏少，每個知識點案例獨立，內容缺乏銜接，學生在學習過程中常常“知其然不知所以然”，導致逐步對課程失去興趣[3]。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術等專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，結合2023 年中央一號文件精神，以學生興趣為抓手，重構“工農結合+智能制造”的單片機教學內容，將課程分為4 個層次逐級遞進的工程教學項目模塊[4]，從項目構思、設計、實現(xiàn)、運行四個方面訓練學生的工程思維[5]，崗證結合，因材施教，以賽促教。

模塊一：電子廣告牌。通過電子廣告牌設計與制作項目熟悉單片機的基礎知識、硬件結構，學會Keil、Proteus、STC-ISP 等開發(fā)設計、仿真驗證軟件的運用[6]，掌握C 語言在單片機控制中的作用，熟悉生活中常見電子廣告牌的原理及實現(xiàn)過程。此項目涉及的是單片機的基礎內容，可以拓展設計聲光報警等項目，旨在夯實單片機基礎知識，為后續(xù)知識的教學筑牢根基。

模塊二：智能灌溉系統(tǒng)。將工科智能制造與農業(yè)灌溉相結合，響應國家“重點補上土壤改良、農田灌排設施等短板，統(tǒng)籌推進高效節(jié)水灌溉”“推進智慧農業(yè)發(fā)展”的文件精神，學習數(shù)碼管、鍵盤、A/D 采樣、水泵驅動等新知識的同時，引導學生站在單片機開發(fā)與設計應用工程師的角度，從如何構思智能灌溉項目、如何模塊化分解項目任務、如何逐級設計實現(xiàn)子項目、如何將子項目組裝合成等方面著手逐步推進完善智能灌溉系統(tǒng)，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，鍛煉學生的工程實踐能力，鼓勵學生參加大學生挑戰(zhàn)杯、全國大學生電子設計大賽、電子電路裝調與應用等相關比賽，并報考電工證、單片機設計師、電氣工程師等相關職業(yè)資格證書。

模塊三：定時灌溉系統(tǒng)是模塊二的功能拓展，融入中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、液晶顯示等新知識，引導學生從不同角度分析、解決項目中的顯示問題，對比分析數(shù)碼管顯示和液晶顯示的不同點，并使用不同的創(chuàng)新方式實現(xiàn)相同的功能，提升項目質量。

模塊四：綜合設計階段。引導學生在前三個模塊的基礎上進行頭腦風暴、發(fā)散思維，尋找新的創(chuàng)新點，根據(jù)調研情況自行設計增加項目功能模塊，完善智能灌溉系統(tǒng)功能，精益求精，不斷突破，為推進農業(yè)灌溉系統(tǒng)建設和節(jié)約水資源打下基礎，為推進智慧農業(yè)發(fā)展作出貢獻。

1.2 師生問卷協(xié)同調研，多角度精準凝練學情，預判教學難點

單片機課程的前導課程有電工電子技術、信息技術、C 語言編程、傳感器與檢測技術。電工電子技術的學習為學生設計并制作硬件電路奠定良好基礎；信息技術是Keil、Proteus、STC-ISP 軟件操作的關鍵；C 語言編程是單片機程序控制的核心；傳感器與檢測技術是單片機與外部設備進行數(shù)據(jù)交換的橋梁。針對對應課程在單片機課程中的地位，制作課程分層問卷，邀請科任教師對學生學習情況進行評價。同時，在學習通制作問卷邀請學生進行自我學習情況評價，對學生整體與個體差異進行分析凝練。

緊扣課程標準，立足崗位需求，明確三維教學目標。對教學目標進行分級度量，確定教學重點；專業(yè)教師綜合學情及教學目標難度系數(shù)，預判教學難點。如圖1 所示為教學目標及重難點。

圖1 教學目標及重難點

1.3 依托網(wǎng)絡媒介，自制SPOC 教學視頻，探索基于CDIO-OBE 工程教育的翻轉課堂新模式

（1）自制SPOC 教學視頻，推進課程資源建設。打破傳統(tǒng)課堂以教師講授為主、學生實踐為輔的教學模式，根據(jù)學生的實際學習情況，自制新知講解、重點復習、難點答疑、仿真、實作演示等SPOC（小規(guī)模限制性在線課程）教學視頻，并在超星學習通平臺發(fā)布供學生自主學習，學生可以不受學時、教學空間等因素的限制，擴展課堂學習空間，學生可以隨時學隨地學。

（2）借助網(wǎng)絡媒介，營造良好的泛在學習氛圍，加快信息化教學進程。充分利用QQ 群、超星網(wǎng)等網(wǎng)絡媒介，為學生解答自主學習單片機的難題，學生可以隨時學隨地學的同時，還可以隨時問隨地問，且有教師在線進行“專問專答”，為學生營造輕松愉快的泛在學習氛圍，提升教學質量，促進網(wǎng)絡教學平臺的建設，加快信息化教學進程。

（3）以項目為載體、學生為主導，以“構思、設計、實現(xiàn)、運行”四步驟實施教學方案。在授課過程中，緊扣以學生為中心的CDIO 工程教學模式，根據(jù)實際工程項目從最開始的構思分析到設計軟硬件結合的項目流程，然后編寫控制程序及制作硬件電路分步實現(xiàn)各個流程環(huán)節(jié)，最后調試運行項目四個步驟探索適應本土的、以學生實踐為主和教師答疑為輔的CDIO-OBE 工程教育“翻轉課堂”模式[7-10]。

（4）開發(fā)“口袋實驗”設備，推廣虛擬仿真教學，探索先仿真后實作的開放實驗教學策略。單片機課程是理實一體化課程，傳統(tǒng)的實訓教學空間僅限于在實訓室內，以教師程序講解、實物演示操作為主，教師活動占據(jù)了大部分的實踐時間。為了在有限的學時內完成實訓，學生機械式照搬教師編寫的程序和操作過程，缺乏自主思考、設計、程序編寫等過程，學完以后“知其然不知所以然”的問題突出，難以達到通過實踐教學培養(yǎng)學生工程應用和創(chuàng)新能力的真正目的。

為克服傳統(tǒng)實訓教學的不足，課程組采用模塊化思想自主研究開發(fā)了便捷式的口袋實驗教學設備[11-12]?？诖鼘嶒炘O備由各個項目所需的散件組成，學生在使用時需要熟悉每個項目的硬件電路的原理、單片機端口分配情況，以及與外部設備的連接關系。實物電路制作可以增強學生對元器件實物和原理的認識度，提高學生的實踐動手能力，培養(yǎng)排除故障、解決問題的應變能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。此外，口袋實驗室在開課學期由學生自主管理，學生可以不受時間、空間限制，隨時隨地驗證實驗，營造了“處處能學、實時可學、隨時可問”的開放實訓新環(huán)境。

為了避免學生在設計、搭接硬件電路時出現(xiàn)設計、連線等錯誤而導致設備器件損毀，引入了EDA 虛擬仿真實作。學生在進行實物制作前，需要在Proteus 仿真平臺下繪制電路原理圖，并下載控制程序進行仿真驗證。仿真可以讓學生清楚地掌握理論知識，減少實作過程中低級錯誤的發(fā)生率，減少實驗損耗，便于硬件電路的設計和優(yōu)化。

（5）完善單片機課程教學體系，建立合理的全員、全過程、全方位教學質量評價機制。單片機課程采用過程性評價和總結性評價相結合的方式，過程性評價從知識、能力、素養(yǎng)三個方面進行評價，總結性評價針對學生的成果展示與匯報情況進行考評，著重考查學生作品的功能實現(xiàn)、方案設計、職業(yè)素養(yǎng)、特色創(chuàng)新等情況；教師、學生全程參與評價環(huán)節(jié)，全面客觀地評價學生的學習情況。

2 教學實施過程

2.1 整體教學實施過程

2.1.1 任務驅動，模塊化教學

以項目二為例，智能灌溉系統(tǒng)分為顯示濕度值、A/D 土壤濕度數(shù)據(jù)采集、按鍵設置濕度限值、水泵驅動灌溉四個模塊的內容，每個模塊4 學時，采用理實一體化教學方式。

2.1.2 虛實結合，強化重點突破難點

落實崗課賽證融通，根據(jù)人才培養(yǎng)方案和課程標準確定教學重點，基于學情分析，確定教學難點。在教學過程中，以信息化為教學手段，自制SPOC 教學視頻講解、演示操作仿真+實作過程，采用先仿真、后實作的實踐教學方法，突破重難點[13-14]。

2.1.3 總結提煉，現(xiàn)場匯報

學生分模塊完成智能灌溉系統(tǒng)的子任務，最后綜合完成各個模塊的設計，反思實施全過程，總結提煉實施過程中的困難及解決方法，現(xiàn)場進行分享匯報。

2.2 單元教學實施過程

2.2.1 課前自主探索

課前發(fā)布預習任務，學生觀看相關教學視頻、查閱對應芯片的datasheet 資料、設計仿真電路等，完成自學任務和自學知識測試，通過觀看教學視頻、資料查閱、設計仿真電路，提高學生自主學習能力，讓學生帶著問題學，讓學生意識到課程內容的重要性，促進理論和實踐教學。

2.2.2 課中強化技能

課中通過“導入-探究-演示-練習-總結”五環(huán)節(jié)強化技能，導入階段帶領學生回顧舊知識、導入新課；探究階段，通過探原理、究方法，開展課堂互動，內化新知識；演示階段，通過先仿真、后實作的步驟現(xiàn)場演示，提升學生的興趣；練習階段，學生自主動手仿真、實作演練，發(fā)現(xiàn)問題，現(xiàn)場解答，學生切身體驗實作全過程，掌握方法，突破難點；總結階段，分析學生遇到的問題，帶領學生復盤所學內容，強化認識。

2.2.3 課后拓展應用

教師發(fā)布課后拓展任務，學生接受任務并在QQ 群討論任務的難點，學生和教師一起為學生答疑解惑，為學生順利完成課后任務提供保障機制。

3 學生學習效果

3.1 優(yōu)化教學組織，高效達成學習目標

借助超星學習通和QQ 群等網(wǎng)絡媒介，結合口袋實驗設備、虛擬仿真軟件，實現(xiàn)虛實一體的工程實踐教學模式，為學生營造泛在學習環(huán)境；通過實際工程項目分模塊化訓練，學生不僅能夠掌握每個模塊的基本原理、硬件構造、程序控制流程、實踐操作等，還能夠按照6S 標準規(guī)范實作過程，夯實崗位核心技能，學生參與率100%，學習目標有效達成。

3.2 整合教學資源，有效激發(fā)學習動機

實際工程項目驅動、SPOC 視頻等教學資源的支撐、不受時間和空間限制的現(xiàn)場+網(wǎng)絡答疑的輔助，有效提升了學生的學習興趣和積極性。鼓勵學生發(fā)散思維，積極創(chuàng)新，申報并完成以單片機為核心的相關課題。同時，鼓勵學生參加全國大學生電子設計大賽等相關比賽。

3.3 借助CDIO-OBE 工程教育模式，提升職業(yè)素養(yǎng)

以學生為中心，以實際工程項目為驅動，借助CDIO 工程認證的“翻轉課堂”教學模式，切實提升學生的職業(yè)素養(yǎng)。學生能夠以小組為單位構思項目框架、設計項目流程、仿真-實作搭接硬件電路、編寫控制程序、調試實現(xiàn)項目功能、匯報展示項目過程及結果。小組共創(chuàng)項目，發(fā)揮團隊精神和協(xié)調溝通作用；自主構思項目框架，不斷探索創(chuàng)新，優(yōu)化項目。設計項目流程，樹立安全、規(guī)范意識，養(yǎng)成良好的6S 習慣；先仿真后實作搭接硬件電路，展示精益求精的工匠精神；編寫控制程序，養(yǎng)成嚴謹?shù)木幊田L格；調試實現(xiàn)項目功能，發(fā)揮臨場應變能力；匯報展示項目過程及結果，總結提煉，展現(xiàn)風采。

4 反思改進措施

4.1 教學特色創(chuàng)新

4.1.1 德技并修，工學結合

多措并舉，充分挖掘課程思政元素，思政貫通，形成守規(guī)矩、懂方法、會應用的課程思政體系。以2023 年中央一號文件為指引，以樹立節(jié)水意識、服務鄉(xiāng)村振興為導向，以培養(yǎng)學生具有安全規(guī)范意識、創(chuàng)新思維、工匠精神為成果，從實踐中領悟真理，切實做到內化于心、外化于行。

4.1.2 探索虛實一體的開放實驗教學策略

通過自制SPOC 教學視頻儲備教學資源，將教學空間進行延伸，將“翻轉課堂”應用到單片機課程教學中，提高學生自主學習氛圍和教學品質。通過開發(fā)設計口袋實驗設備，增加EDA 虛擬仿真實驗，形成先仿真后實作的實訓模式，學生可以不受時間、空間限制，隨時隨地進行仿真和實作，營造了處處能動手、實時可運行的開放實訓新環(huán)境，從而提高學生自主思考、動手實踐、故障排查等能力。

4.1.3 重構教學內容，探索CDIO-OBE 工程教育模式

以學生為中心，以CDIO 工程教育模式為導向，以興趣為引導，以實際工程項目為任務，激發(fā)學生的學習熱情和學習愿望，潛移默化中提高學生的自主學習能力，并將學生自主學習、總結匯報等納入考核中，從而激發(fā)學生的課外學習熱情。

4.2 反思與改進

4.2.1 加強分層精準指導

現(xiàn)有的網(wǎng)絡教學平臺和評價機制雖然能夠幫助教師及時掌握學生的學習情況，但是沒有制定針對性的差異化學習機制，不能夠將學生的實時學習狀況進行動態(tài)精準分層管理。在今后教學過程中，建立動態(tài)分層考評機制，精準掌握學生的學習動態(tài)，并制定差異化學習機制。

4.2.2 同步分層優(yōu)化課程資源

現(xiàn)有的教學資源雖然能夠滿足學生在課前、課中、課后進行學習，但是不能夠根據(jù)學生的知識掌握層次對接差異化的學習資源。今后將優(yōu)化教學資源，制作差異化教學視頻，針對學生的個體差異和學業(yè)進展情況，推送學習資源，拓展學習項目。

5 結 語

實踐表明，以工程教學理念為中心、以學生為主體、以 “守規(guī)矩、懂方法、會應用”為教學目標的單片機課程體系，不僅能夠提升學生的創(chuàng)新思維和自主實踐能力，還能培養(yǎng)學生的工程應用能力，為國家培養(yǎng)具有工程思維的創(chuàng)新型技能人才打下基礎。