基于“崗課賽證”融通單片機(jī)課程改革與實(shí)踐
——以“智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目為例

彭小平，周歡喜

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124）

為貫徹落實(shí)2021 年全國(guó)職業(yè)教育大會(huì)上習(xí)近平總書記關(guān)于職業(yè)教育的重要指示，要堅(jiān)持立德樹人，優(yōu)化類型定位，深化“三教”改革，提升教育質(zhì)量，推動(dòng)“崗課賽證”融通綜合育人，創(chuàng)新培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才的育人模式。為促進(jìn)職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展，大幅提升新時(shí)代職業(yè)教育現(xiàn)代化水平和服務(wù)能力，國(guó)家啟動(dòng)實(shí)施《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動(dòng)計(jì)劃（2020—2023 年）》，以實(shí)現(xiàn)職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)。為深化高技能人才培養(yǎng)模式改革，需要進(jìn)一步圍繞教學(xué)，進(jìn)行“崗課賽證”的一體化設(shè)計(jì)：課程內(nèi)容要瞄準(zhǔn)“崗位需求”，對(duì)接職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工作過程，吸收行業(yè)發(fā)展的新知識(shí)、新技術(shù)、新工藝、新方法；“課”是教學(xué)改革的核心，要通過課程改革，推動(dòng)“課堂革命”，完善課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系；“賽”是課程綜合實(shí)踐的高級(jí)別展示，通過完善三級(jí)師生比賽機(jī)制，融入競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)，提升課程教學(xué)水平；“證”是課程學(xué)習(xí)的行業(yè)檢驗(yàn)，通過融通多類職業(yè)技能鑒定標(biāo)準(zhǔn)、資格證書要求，將職業(yè)活動(dòng)所需要的綜合能力融入證書，拓展學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)有效的高技能人才培養(yǎng)途徑[1]。

一、課程改革背景及存在的主要問題

為加快推進(jìn)人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，健全現(xiàn)代職業(yè)教育體系、培養(yǎng)一大批高技能人才是新時(shí)期國(guó)家對(duì)職業(yè)教育的新要求。電氣自動(dòng)化技術(shù)隨著我國(guó)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展得越來越快，大部分高職院校的電氣自動(dòng)化專業(yè)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程與應(yīng)用電子專業(yè)的單片機(jī)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)設(shè)計(jì)及教學(xué)載體相差無幾，沒有針對(duì)電氣自動(dòng)化的崗位能力需求，沒有融合技能大賽規(guī)程和“1+X”技能等級(jí)證書標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，課程內(nèi)容沒有及時(shí)更新。電氣自動(dòng)化專業(yè)的典型工作崗位是面向電氣自動(dòng)化設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)、維修及生產(chǎn)一線，單片機(jī)課程需要根據(jù)崗位能力分析，側(cè)重電氣自動(dòng)化設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝與調(diào)試，否則學(xué)生在將來的就業(yè)中難以快速適應(yīng)崗位要求。

二、單片機(jī)課程改革的基本措施

（一）基于“崗課賽證”融通，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

課程團(tuán)隊(duì)調(diào)研行業(yè)企業(yè)，分析電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)崗位對(duì)單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐能力的需求，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)與學(xué)院專業(yè)人才培養(yǎng)方案，針對(duì)“1+X”物聯(lián)網(wǎng)單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)（中級(jí)）職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“智能終端硬件設(shè)計(jì)”“單片機(jī)程序開發(fā)”等工作領(lǐng)域，融合智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、變頻調(diào)速等新技術(shù)，融入“電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作”“全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽”等技能競(jìng)賽規(guī)范[3]，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容?！爸悄茉鰤汗┧O(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作”為電氣自動(dòng)化專業(yè)的“單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐”課程的綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單一到綜合，以學(xué)生認(rèn)知規(guī)律構(gòu)建教學(xué)載體，融入了繼電器控制、交流電機(jī)變頻器多段調(diào)速及模擬量調(diào)速控制、直流電機(jī)調(diào)速、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制、物聯(lián)網(wǎng)智能控制與電氣自動(dòng)化專業(yè)崗位能力培養(yǎng)緊密結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容。

本教學(xué)項(xiàng)目針對(duì)老舊小區(qū)、農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)自來水增壓供水系統(tǒng)智能化程度低，耗能嚴(yán)重，供水的可靠性、穩(wěn)定性較差的問題，設(shè)計(jì)一款智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)，服務(wù)區(qū)域小微企業(yè)技術(shù)升級(jí)、鄉(xiāng)村振興。系統(tǒng)要通用性好、可靠性程度高、操作簡(jiǎn)單方便，能對(duì)不同使用場(chǎng)合情況的水壓及水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)變頻蓄水；能根據(jù)壓力情況，控制閥門開合度，實(shí)現(xiàn)蓄水和供水的智能控制，具有安全、節(jié)能、通用、智能等特點(diǎn)，有較好的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

通過對(duì)電氣自動(dòng)化行業(yè)背景研究、崗位需求調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前行業(yè)對(duì)嵌入式、智能控制技術(shù)、傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、變頻器及伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的人才需求量非常大，因此以智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)際研發(fā)及制作為主線進(jìn)行教學(xué)整體設(shè)計(jì)，融合當(dāng)前行業(yè)所需的高新技術(shù)，結(jié)合崗位能力培養(yǎng)要求。重構(gòu)后的教學(xué)項(xiàng)目包含管網(wǎng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、直流水泵供水控制系統(tǒng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥供水控制系統(tǒng)、模擬量變頻增壓供水系統(tǒng)、智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)等8 個(gè)教學(xué)任務(wù)，如圖1 所示。本教學(xué)項(xiàng)目以成果為導(dǎo)向，以實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)為主線，進(jìn)行模塊化、結(jié)構(gòu)化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，有機(jī)融入鄉(xiāng)村振興情懷，勞動(dòng)精神，環(huán)保、安全規(guī)范意識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、精益求精的工匠精神，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作、創(chuàng)新等能力的目標(biāo)。

（二）結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)教學(xué)載體

圖1 “智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

城市中的老舊小區(qū)由于管網(wǎng)容量不足、水壓不夠，特別是用水高峰期，高樓層供水不足，低樓層水壓不夠，用戶叫苦不迭。我國(guó)廣大農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)由于地形復(fù)雜，用戶環(huán)境不一，既有深井取水，又有增壓供水；既有生活用水需求，又有農(nóng)田灌溉用途，甚至有些偏遠(yuǎn)地方還沒有通電。為解決老舊小區(qū)、農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)的供水問題，設(shè)計(jì)了“智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)”這個(gè)教學(xué)載體。監(jiān)控系統(tǒng)的電路含電源模塊及電源濾波電路、晶體振蕩電路、復(fù)位電路、獨(dú)立按鍵、指示燈、蜂鳴器、無線通信接口、液晶顯示模塊、壓力水位傳感接口電路、12 位串行A/D 轉(zhuǎn)換處理模塊、 D/A 轉(zhuǎn)換處理模塊及運(yùn)算放大電路、L298N 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等。系統(tǒng)可以對(duì)水井、自來水管網(wǎng)水壓及水塔水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)和增壓供水。在用水低峰期間通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電壓信號(hào)控制變頻器頻率或通過繼電器模塊控制變頻器加大水泵功率蓄水，用水高峰期間保持合理的泵送功率進(jìn)行供水；通過多機(jī)無線通信輸出電壓信號(hào)，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥得到合適的閥門流量，實(shí)現(xiàn)蓄水及供水的智能控制；針對(duì)部分農(nóng)村地區(qū)供電不穩(wěn)定及部分農(nóng)田附近沒有供電的情況，需要用到蓄電池及直流水泵緊急供水，達(dá)到自來水管壓力監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、交流水泵變頻控制、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

（三）針對(duì)課程教學(xué)問題，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)教學(xué)策略

單片機(jī)課程對(duì)高職學(xué)生來說有一定的難度，本專業(yè)的學(xué)生既要熟知硬件，又要精通軟件編程項(xiàng)，還要有一定的綜合實(shí)踐能力，這些都是大部分學(xué)生所欠缺的。針對(duì)這些問題，以三全育人為指導(dǎo)，以“崗課賽證”綜合育人為路徑[4]，以打造“職教六合金課”為教育理念，以學(xué)生感興趣的智能化、產(chǎn)品化、模塊化的智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)為教學(xué)載體，以符合企業(yè)生產(chǎn)理念的數(shù)字化工卡為牽引，以真實(shí)企業(yè)環(huán)境“校中廠”為依托，通過“（課前）開源—啟智—明理→（課中）引流—強(qiáng)技—賦能→（課后）拓渠—精技—有為”三個(gè)階段開展教學(xué)，實(shí)施“混合式教學(xué)+任務(wù)驅(qū)動(dòng)+理虛實(shí)一體”的教學(xué)策略，通過一款實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)及制作，實(shí)施“領(lǐng)-定-仿-制-調(diào)-拓”六環(huán)教學(xué)步驟，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)德技并修的單片機(jī)開發(fā)的創(chuàng)新型技術(shù)技能人才的目的。

1.以學(xué)習(xí)者為中心，打造“職教六合金課”

基于以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)理念，將課程思政與民生需求相融合、課程內(nèi)容與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相融合、常規(guī)教學(xué)與技能競(jìng)賽相結(jié)合、技能訓(xùn)練與工作實(shí)際相融合、虛擬仿真訓(xùn)練與實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作有機(jī)結(jié)合、線上學(xué)習(xí)與線下訓(xùn)練相融合，打造理虛實(shí)一體的“職教六合金課”。

2.基于“混合式教學(xué)+任務(wù)驅(qū)動(dòng)+理虛實(shí)一體”的教學(xué)策略，構(gòu)建“六環(huán)”教學(xué)實(shí)施步驟

以工作過程為導(dǎo)向，確定了“混合式教學(xué)+任務(wù)驅(qū)動(dòng)+理虛實(shí)一體”的教學(xué)策略，構(gòu)建“領(lǐng)-定-仿-制-調(diào)-拓”六環(huán)教學(xué)實(shí)施步驟，課前主要在省資源庫(kù)（微知庫(kù)）及大學(xué)MOOC 在線課程學(xué)習(xí)，課中主要依托數(shù)字化工卡平臺(tái)、功能強(qiáng)大的PROTEUS 8.7 仿真軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真、實(shí)物制作及調(diào)試，讓學(xué)生的單片機(jī)開發(fā)能力得到有效提升。

3.以成果為導(dǎo)向，以數(shù)字化工卡為牽引，以“校中廠”為依托，開展實(shí)訓(xùn)

基于成果導(dǎo)向，以實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)為主線，以符合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)理念的數(shù)字化工卡為牽引，每個(gè)任務(wù)都具有三個(gè)階段的成果：方案設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)及仿真、產(chǎn)品制作與調(diào)試。教師通過工卡平臺(tái)進(jìn)行審核，閉環(huán)監(jiān)控。系統(tǒng)仿真調(diào)試無誤后，在“校中廠”實(shí)訓(xùn)車間進(jìn)行生產(chǎn)，全方位訓(xùn)練學(xué)生方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、安裝、焊接、調(diào)試的能力及6S 素養(yǎng)。

三、教學(xué)實(shí)施過程

“智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作”基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，以實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)為主線，以數(shù)字化工卡為牽引，通過“（課前）開源—啟智—明理→（課中）引流—強(qiáng)技—賦能→（課后）拓渠—精技—有為”三個(gè)階段開展教學(xué)，基于“領(lǐng)工卡→定方案→做仿真→制產(chǎn)品→調(diào)系統(tǒng)→拓能力”六個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施教學(xué)，如圖2 所示。系統(tǒng)化設(shè)計(jì)課程思政，潤(rùn)物無聲中融入思政教育，達(dá)到培養(yǎng)“明理、精技、有為”的創(chuàng)新型單片機(jī)開發(fā)技術(shù)技能人才的目的。

（一）課前：開源—啟智—明理

環(huán)節(jié)一：領(lǐng)工卡，教師利用數(shù)字化工卡平臺(tái)發(fā)布工卡及任務(wù)，利用微知庫(kù)等平臺(tái)推送教學(xué)資源及大國(guó)工匠、鄉(xiāng)村振興、用水安全、節(jié)能環(huán)保等短視頻。學(xué)生登錄工卡平臺(tái)，領(lǐng)取任務(wù)（開源），在線學(xué)習(xí)課前所需知識(shí)（啟智），完成測(cè)試；小組收集多方資訊，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，開展討論，設(shè)計(jì)草案；教師在線答疑，解除學(xué)生困惑（明理），統(tǒng)計(jì)平臺(tái)數(shù)據(jù)，優(yōu)化課堂教學(xué)策略。

（二）課中：引流—強(qiáng)技—賦能

環(huán)節(jié)二：定方案，分組討論、設(shè)計(jì)方案。教師通過案例引入，明確任務(wù)，根據(jù)課前學(xué)習(xí)情況，查漏補(bǔ)缺，引導(dǎo)分組討論，學(xué)生完成元器件的選型、系統(tǒng)硬件功能框圖設(shè)計(jì)，上傳到工卡平臺(tái)，教師審定方案，確保設(shè)計(jì)的可行性。

環(huán)節(jié)三：做仿真，根據(jù)方案，先仿真，再實(shí)物。學(xué)生按照“實(shí)際產(chǎn)品”要求，通過PROTEUS軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖，編寫Keil C51 程序，完成仿真調(diào)試，教師利用數(shù)字化工卡平臺(tái)精準(zhǔn)指導(dǎo)（引流）。由于學(xué)生基礎(chǔ)不一，各組實(shí)力也不一定均衡，教師需根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，在基本任務(wù)要求的基礎(chǔ)上，布置創(chuàng)新任務(wù)，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維、可遷移學(xué)習(xí)能力，教學(xué)難點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)，學(xué)生或小組協(xié)作，或觀看微課解決難點(diǎn)。要求學(xué)生規(guī)范設(shè)計(jì)，學(xué)生在功能實(shí)現(xiàn)后，把設(shè)計(jì)上傳到工卡平臺(tái)。

環(huán)節(jié)四：制產(chǎn)品，實(shí)物制作。通過角色分工，教師為產(chǎn)品經(jīng)理，學(xué)生分別擔(dān)任小組長(zhǎng)、領(lǐng)料員、工藝員、焊接工等實(shí)際生產(chǎn)人員，按照數(shù)字化工卡工藝要領(lǐng)，規(guī)范操作，不斷訓(xùn)練各項(xiàng)技能，精益求精（強(qiáng)技），完成元器件安裝、焊接，融入6S 素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)五：調(diào)系統(tǒng)，多元評(píng)價(jià)。學(xué)生制作好實(shí)物后，完成系統(tǒng)外圍傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接線，將Keil C51 程序編譯后的HEX 文件下載到單片機(jī)，完成功能測(cè)試，老師綜合評(píng)價(jià)學(xué)生作品、展示成果、表揚(yáng)和糾錯(cuò)。各小組在數(shù)字化工卡平臺(tái)、金課坊完成組內(nèi)自評(píng)、小組互評(píng)、總結(jié)。完成后要求學(xué)生按6S 管理整理工位，打掃衛(wèi)生，使學(xué)生形成良好的職業(yè)素養(yǎng)、勞動(dòng)習(xí)慣（賦能）。

（三）課后：拓渠—精技—有為

環(huán)節(jié)六：拓能力，提升技能。教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)能力，分層定向推送拓展任務(wù)，鼓勵(lì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及社會(huì)實(shí)踐，并成立興趣小組，鼓勵(lì)同學(xué)們利用課余時(shí)間積極參加全國(guó)技能大賽、電子設(shè)計(jì)大賽的訓(xùn)練和培訓(xùn)。參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)渠道（拓渠）。鼓勵(lì)參加物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等當(dāng)前符合行業(yè)需求的新技術(shù)和新規(guī)范的課后實(shí)踐項(xiàng)目，根據(jù)國(guó)賽標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的各項(xiàng)技能（精技），培養(yǎng)學(xué)生可遷移學(xué)習(xí)的能力，使學(xué)生在服務(wù)小微企業(yè)、鄉(xiāng)村振興方面有一番作為（有為）。

四、課程改革效果

（一）學(xué)生三維目標(biāo)達(dá)成度高

通過對(duì)數(shù)字化工卡平臺(tái)分析，16 組學(xué)生作品中，優(yōu)秀率31%，良好率68.75%，合格率93.75%。各階段成果中，方案設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、硬件合格率均在90%以上，技能水平得到大幅提高。對(duì)微知庫(kù)近三年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生液晶、AD 、DA、單片機(jī)通信、程序設(shè)計(jì)等理論成績(jī)逐年提升，三維目標(biāo)達(dá)成度高。規(guī)范意識(shí)、質(zhì)量意識(shí)及單片機(jī)綜合應(yīng)用能力得到了大幅提高。

（二）學(xué)生技能大賽成績(jī)優(yōu)異

本教學(xué)項(xiàng)目將技能競(jìng)賽與常規(guī)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，為“現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試”“全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽”“集成電路開發(fā)與應(yīng)用”培養(yǎng)了大批后備軍，學(xué)習(xí)氛圍進(jìn)一步提高。近三年來學(xué)生參加技能大賽獲得“現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試”“集成電路開發(fā)與應(yīng)用”全國(guó)一等獎(jiǎng)3 項(xiàng)，省一等獎(jiǎng)6 項(xiàng)。

五、結(jié)束語

本教學(xué)項(xiàng)目以“崗課賽證”綜合育人為路徑，以打造“職教六合金課”為教育理念，系統(tǒng)化進(jìn)行課程及教學(xué)設(shè)計(jì)，以學(xué)生感興趣的智能增壓供水監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作為教學(xué)載體，以數(shù)字化工卡為牽引，以實(shí)際“校中廠”生產(chǎn)為依托，實(shí)施“混合式教學(xué)+任務(wù)驅(qū)動(dòng)+理虛實(shí)一體”的教學(xué)策略和“領(lǐng)-定-仿-制-調(diào)-拓”六環(huán)教學(xué)步驟，教學(xué)效果得到明顯的提高，技能競(jìng)賽成績(jī)優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)企業(yè)所需的創(chuàng)新型單片機(jī)開發(fā)技術(shù)技能人才的目的。