基于現代學徒制的單片機課程教學改革探索與實踐*

程 瑋

（廈門海洋職業(yè)技術學院海洋機電學院，福建 廈門 361100）

在《中國制造2025》的倡議下，嵌入式技術的應用具有重大的現實意義，單片機課程是高校培養(yǎng)嵌入式應用技術人才的核心課程[1]。廈門海洋職業(yè)技術學院機電一體化技術專業(yè)是教育部骨干專業(yè)和福建省教育廳現代學徒制試點專業(yè)，單片機課程改革是本專業(yè)人才培養(yǎng)方案改革的一項重點內容。近年來，各高校為了適應新形勢下人才培養(yǎng)的要求，針對單片機課程改革不斷探索，取得了一定的成效。但在多年的單片機教學中，筆者發(fā)現僅對單片機這一單門課程進行改革，無法有效解決對學生嵌入式技術綜合應用能力的培養(yǎng)。結合近年來自身多年的教學科研體會及對相關專業(yè)企業(yè)的調研，提出對單片機課程內容和教學實踐環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)綜合性改革，將單片機的前后置課程有機融合，構建一個科學合理的單片機課程群。它能有效地解決學生對嵌入式知識掌握的深度和廣度。

1 單片機課程教學的現狀

單片機技術的應用是幾乎所有工科學生的必修內容，是高素質復合技能型人才所需的全部自動控制類知識結構的應用平臺[2]。傳統(tǒng)的單片機教學一般從本學科體系出發(fā)，雖注重課程本身的教學單元結構，但卻忽略了其前后課程的邏輯聯系。

雖然各高校的單片機應用的前后置課程不完全一樣，但大體可歸納為由“電工電子技術”“C語言程序設計”“電路板設計”“傳感器檢測與技術”等組成的前置課程和“單片機技能實訓”等后繼課程。以該院機電一體化專業(yè)為例，改革前的課程安排如表1所示。在傳統(tǒng)教學中，上述每門課程基本由不同的教師獨立授課，整體沒有實現無縫銜接且相對枯燥。容易導致課程針對性不強，課程之間彼此知識點銜接不暢，實踐能力培養(yǎng)不到位等問題。例如，在實際教學中由于學生對前置知識點的遺忘，授課教師經常需要從中穿插前置課程的復習。

表1 傳統(tǒng)的單片機前后置課程的設置

大量的實踐可以使學生有效地融合在技術應用中所需的所有知識，但在傳統(tǒng)的單片機實踐教學環(huán)節(jié)卻限制了學生的動手能力。各個高校在實踐教學中通常采用Protues仿真軟件和統(tǒng)一購買的開發(fā)板實驗箱。仿真軟件能大大簡便教學，但缺乏實踐性且仿真度有限。開發(fā)板實驗箱多采用集成電路搭建，雖然簡單易上手，卻限制了學生的動手能力，學生自由發(fā)揮的機會偏少，不能按自己的想法和特長做一些設計性、綜合性、創(chuàng)造性的實踐[3]。

2 單片機課程群教學改革研究與實踐

根據上述現狀分析，筆者提出以一個貫穿整個高職三年學制的單片機課程群概念。本次改革將傳統(tǒng)單片機前后置課程有機融合成單片機課程群，通過四個學期逐級梯次教學，將知識由淺入深講解，逐漸增強學生的學習興趣和專注力，培養(yǎng)自我動手分析問題、解決問題的能力，最終把學生培養(yǎng)成企業(yè)所需求的，有較強自我學習能力和創(chuàng)造力，在嵌入式硬、軟件技術應用有設計功底的人才。

2.1 課程改革的介紹

改革后的課程群分為“單片機入門項目”“單片機應用項目”“單片機高級應用項目”三個部分，期間插入“雙創(chuàng)興趣小組”“電子線路板設計”兩門輔助課。課程群關聯如圖1所示，課程設置的具體內容如表2所示，具體介紹如下。

圖1 單片機課程群關聯圖

表2 改革后的課程群教學一覽表

1）系列課程1：“單片機入門項目”。作為單片機課程群的第一門課程，主要安排講授C語言程序中的數據類型、基本運算、順序結構和循環(huán)結構，以及常規(guī)的電子元件的應用（電阻、電容、二極管、三極管、LED燈、按鍵等）。通過Protues仿真軟件模擬單片機最簡單的應用（I/O口控制，單任務），對LED燈的點亮，閃爍、跑馬燈等。

2）系列課程2：“單片機應用項目”。本課程主要安排多個單片機應用小項目，采用Protues仿真軟件和開發(fā)實驗箱，融入電工電子知識和C語言的數組、函數等知識和單片機多任務操作系統(tǒng)的思路實現按鍵控制、多位數碼管顯示、定時器、計數器、直流電機控制、蜂鳴器控制等項目。

3）系列課程3：“電子線路板設計”。本課程除按常規(guī)講授原理圖和PCB圖外，增加一個單片機基本外圍電路的設計項目（包括單片機最小系統(tǒng)、LED流水燈、按鍵、蜂鳴器、繼電器、四位數碼管顯示、EEPROM、并預留液晶、紅外接收、和多個I/0和AD轉換等接口）?？紤]到成本和時間，分為4人一組設計，待教師檢查無誤后發(fā)廠家生產打樣（約一周可收到樣板），最終每位同學2塊PCB板，同時每組學生制作BOM單，并采購元器件。為下學期“單片機高級應用項目”課程做硬件準備。

4）系列課程4：“單片機高級應用項目”。本課程首先安排12～16課時鍛煉學生電烙鐵、萬用表等工具的使用，并把“電子線路板設計”課程的PCB板及元件焊接組裝起來。由學生自主選擇幾個常規(guī)項目，比如溫度顯示控制、直流電機控制、射頻遙控、光照度檢測、紅外遙控、倒車雷達等。整個課程模擬學生開發(fā)一個嵌入式應用產品設計項目。在這個過程中，學生將會系統(tǒng)地感受到整個嵌入式應用產品的設計開發(fā)流程和工序，為畢業(yè)后進入企業(yè)打下一定的基礎。

5）系列課程5：“雙創(chuàng)興趣小組”。此課程屬于課外興趣小組，由有興趣的同學選修，作為課后輔助教學，鼓勵學生多查資料、多想、多動手、多學習。教師指導安排做實際設計項目，加深鞏固理論知識，提高實踐水平。課程為學生的學習提供技術、材料、智力的支撐，鍛煉學生的分析和解決故障的能力。亦可為參加各類職業(yè)技能大賽挖掘種子選手。

2.2 課程改革的實踐

教學改革同時也是對教師能力的改革，這也正是國務院在2019年印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實施方案》的文件精神中對教師能力的要求的體現。改革后的單片機系列課程群要求授課教師有豐富的實際嵌入式產品的開發(fā)應用經驗。從項目獲取和評估預算，制定初步的技術開發(fā)方案，原理圖和PCB圖的設計，BOM單的制定，元器件采購，PCB板打樣，焊接電路板裝配樣機，樣機調試、定型、編寫技術生產文檔，實際工程環(huán)境的電磁兼容等每一步流程，教師均需熟悉掌握[4]。改革后的課程體系同時對教師的課程融合能力及整個課程群把控能力的要求也大大提高。

在具體課程教學實施的過程中，為了保證整個課程群銜接的連貫性和強實踐性，改革初期可采用每個年級由一名具有豐富企業(yè)實踐經驗的教師承包整個課程群。教師可以根據學生對知識掌握的實際情況做出部分承上啟下內容的調整。特別是2020年新冠疫情“停課不停學”的特殊情況下，本課程群改革的教學方式體現出一定的優(yōu)勢。由于師生間不能直接面對面，也缺乏實踐設備，網課的實際效果會受到各種外界因素的干擾而大打折扣。如果此時教師還依照原有的教學進度和計劃顯然不切實際。此時需要降低難度，放慢進度，但又將導致授課的課程并沒達到后續(xù)課程的要求，造成課程彼此間脫節(jié)[5]。由于本次改革是由單個教師承擔整個課程群的課程，教師可較為自由地安排教學進度，使課程間的知識緊密銜接。學生上課較為輕松，知識點也不會出現斷層。

3 結論

“單片機應用技術”是一門實踐性、綜合性很強的課程，所涉及的知識很廣。筆者在深刻理會現代學徒制在我國現代職業(yè)教育的重要作用和內涵下，分析當前各高校單片機課程教學的現狀，通過五年的教學改革實踐，不斷反思總結，提出一種新型的單片機系列課程群的教學模式。形成了一套合理有效的單片機課程教學方式，實現了課程內容與行業(yè)企業(yè)需求對接，教學過程與生產過程對接，提高了人才培養(yǎng)質量。發(fā)現通過此工學一體化課程群的培養(yǎng)，學生學習的目的性、主動性、知識獲取能力等方面都獲得大幅提高。學生飽滿的成就感體現在相對于傳統(tǒng)的單片機課程學習，更容易掌握知識點和要點，更熟悉整個技術開發(fā)應用流程。改革后的課程群能有效融合各相關課程，對學生的基礎理論、工程項目應用能力、創(chuàng)新精神和團隊精神有很好的幫助。學生就業(yè)后能快速進入工作角色，大大縮短了初次入職在企業(yè)的培訓期。