基于學業(yè)導師制的大學生創(chuàng)新力培養(yǎng)探索研究
——以“單片機與接口技術(shù)”為例

胡 濱，代昆玉

（貴州大學 計算機科學與技術(shù)學院，貴州 貴陽 550025）

引言

“單片機與接口技術(shù)”系高校計算機科學與技術(shù)專業(yè)的核心課之一，它以8051系列單片機為學習對象，講授單片機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、匯編指令、定時/計數(shù)器、中斷、串行口、IC總線、AD與DA轉(zhuǎn)換器、存儲器及輸入輸出接口擴展電路等內(nèi)容，使學生掌握使用單片機進行軟件、硬件設(shè)計的方法，提升有效使用所學知識解決實際問題的能力。由于該課程教學內(nèi)容涉及運用以單片機為核心的計算機軟件、硬件系統(tǒng)開發(fā)學科前沿技術(shù)，極易在授課對象中開展創(chuàng)新型實踐應用教學，引發(fā)學生對新問題、新方法、新技術(shù)的思考與實踐探索。然而，我國高校傳統(tǒng)的教學模式以課堂知識教學為主，實踐環(huán)節(jié)大多是簡單驗證性實驗，很少或沒有涉及對授課對象創(chuàng)新實踐能力有針對性的科學訓練，難以滿足新時代社會主義經(jīng)濟建設(shè)高層次創(chuàng)新型人才的迫切需求。

近年來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工作。習近平總書記在2021年9月召開的中央人才工作會議上指出，我國必須走好人才自主培養(yǎng)之路。2021年12月，《求是》雜志發(fā)表習近平總書記的重要文章《深入實施新時代人才強國戰(zhàn)略 加快建設(shè)世界重要人才中心和創(chuàng)新高地》。文中強調(diào)，必須面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，深入實施新時代人才強國戰(zhàn)略，全方位培養(yǎng)、引進、用好人才，加快建設(shè)世界重要人才中心和創(chuàng)新高地，為2035年基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化提供人才支撐，為2050年全面建成社會主義現(xiàn)代化強國打好人才基礎(chǔ)。習近平總書記從實現(xiàn)中華民族偉大復興的戰(zhàn)略高度為我國高等教育創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)指明了方向。在該時代背景下，作為高校計算機專業(yè)核心課程的“單片機與接口技術(shù)”，對學生創(chuàng)新力培養(yǎng)的教學改革需求迫在眉睫。然而，由于該課程教學內(nèi)容多，授課學時數(shù)少，教學改革矛盾突出，如何高效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新力、尋求合適的教改方法尤為重要。高校大學生創(chuàng)新力培養(yǎng)需要在課程專業(yè)知識教學中融入實踐創(chuàng)新元素，與原本的課堂教學形成協(xié)同效應，促使教學對象的創(chuàng)新力素質(zhì)教育達到潛移默化的作用。

一、學業(yè)導師制與項目驅(qū)動

高校傳統(tǒng)的授課方式采用的是任課教師授課制，即主講教師在課堂教學中對授課對象開展一對多的教學活動。由于任課教師在教學時間、授課精力、專業(yè)知識等方面存在諸多限制，他們無法滿足廣大學生實踐指導學習與創(chuàng)新能力訓練的需求。針對這一教學矛盾，教育部在2019年10月印發(fā)了《關(guān)于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》。該意見提出，大力建立健全本科生學業(yè)導師制度，讓符合條件的教師兼顧學生的不同特點，激發(fā)每一個學生的優(yōu)勢潛能，幫助高校學生制訂更具個性化的培養(yǎng)方案和學業(yè)生涯規(guī)劃。我院以此綱要為準則，充分發(fā)揮學業(yè)導師制的作用，重視學生學業(yè)生涯規(guī)劃教育與人才培養(yǎng)訓練，開展了“單片機與接口技術(shù)”課程的教學改革工作。同時，以學生為教學中心，引入任課教師課堂知識教學為主、課外學業(yè)導師項目驅(qū)動為輔的大學生創(chuàng)新力培養(yǎng)模式，積極開展學業(yè)幫扶計劃，并貫穿學生大學期間的創(chuàng)新力培養(yǎng)過程，如圖1所示。

圖1 學業(yè)導師項目驅(qū)動示意圖

圖1展示的是課程教學中學業(yè)導師項目驅(qū)動示意圖。具體而言，在“單片機與接口技術(shù)”課程教學過程中，主講教師開展課堂知識教學，針對授課班級學生需求選拔優(yōu)秀的教師參與教學對象的課外學業(yè)導師實踐教學工作。學業(yè)導師結(jié)合自身研究方向與科研課題擬定難度適中、適合學生參與的實踐訓練項目，以實踐訓練項目為驅(qū)動，吸引學生加入課外專業(yè)知識技能實訓與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的素質(zhì)教育環(huán)節(jié)。在這種基于學業(yè)導師的項目驅(qū)動教學模式下，學生按學習興趣以3～5人為一個小組自由組隊，與各個學業(yè)導師建立聯(lián)系，在學業(yè)導師的指導下積極主動地參與大學生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的學習與實踐訓練。

二、項目實踐探究實例

“單片機與接口技術(shù)”課程教學內(nèi)容覆蓋面廣，主要涉及8051單片機硬件結(jié)構(gòu)組成、中斷系統(tǒng)的使用、定時/計數(shù)器工作原理、串行通信接口、鍵盤與顯示器接口、DAC/ADC接口、8051指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、高級語言Keil C51、Proteus虛擬仿真等知識。由于課程教學內(nèi)容多、課時數(shù)少，教師應該選擇合適的教學切入點實施基于學業(yè)導師的項目驅(qū)動創(chuàng)新力培養(yǎng)與訓練。在該課程的教改過程中，擔任學業(yè)導師指導任務(wù)的教師要以課程教學知識點為基準，結(jié)合自身科研方向，擬定符合大學生的實踐訓練項目。學生可通過參與項目實踐訓練，明確專業(yè)培養(yǎng)目標，了解專業(yè)學科前沿技術(shù)，并在項目實踐過程中提升自身科學素養(yǎng)，培養(yǎng)科學思維及科技創(chuàng)新能力。下面介紹幾個實例。

（一）溫度采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

環(huán)境信號的數(shù)據(jù)采集是計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能之一。在眾多的外圍數(shù)據(jù)中，環(huán)境溫度是一種常見的采集對象。由于計算機可加工處理的信號是數(shù)字量，而外界采集得到的環(huán)境溫度是連續(xù)變化的模擬量信號，無法直接輸入計算機控制系統(tǒng)進行加工處理，因此需要借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再輸入計算機系統(tǒng)做信息處理，反之則需使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）進行轉(zhuǎn)換再向外圍系統(tǒng)輸出。本實例項目訓練學生基于8051單片機系統(tǒng)，使用線性溫度傳感器、ADC、LED數(shù)碼管顯示器等，設(shè)計與運用計算機外圍數(shù)據(jù)采集應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件組成主要包括三個模塊，分別是溫度采集、ADC數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示。其基本結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2 溫度采集顯示系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

在該項目的實踐過程中，學生基于8051單片機，根據(jù)具體的應用場景選擇合適的溫度傳感器采集外界溫度，經(jīng)過8051單片機對采集的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過LED數(shù)碼管顯示器顯示其數(shù)值。在這個實踐實訓過程中，學生通過資料查閱了解溫度傳感器的選擇方法、ADC的工作原理，掌握單片機與外圍溫度傳感器的通信技術(shù)、LED數(shù)碼管顯示器的使用方法、編寫與調(diào)試相應的控制程序，從而獨立完成計算機外圍數(shù)據(jù)采集與信息顯示的計算機應用系統(tǒng)。該項目的實施有助于訓練學生的動手實踐能力，幫助他們形成分析問題、解決問題的創(chuàng)新思維能力。

（二）紅外遙控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

紅外遙控在家用電器中有著廣泛的應用，甚至在計算機外圍設(shè)備中也有使用，如無線鼠標、無線游戲操控桿。本實例項目要求訓練對象設(shè)計與實現(xiàn)一套基于計算機控制技術(shù)的紅外線遙控系統(tǒng)。該紅外遙控系統(tǒng)分為兩個模塊，即實現(xiàn)遙控信號輸出功能的紅外信號發(fā)射模塊、實現(xiàn)遙控信號接收與解碼功能的紅外信號接收模塊。其基本組成結(jié)構(gòu)框如圖3所示。學生可借助8051單片機作為遙控信號發(fā)射與接收的主控處理器芯片，在此基礎(chǔ)上利用單片機內(nèi)部的定時器和外部中斷控制器實現(xiàn)遙控信號的發(fā)射編碼與接收信號解碼。在該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，編碼、解碼功能需根據(jù)實際需要選擇使用專門的電路芯片實現(xiàn)。

圖3 紅外遙控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

項目要求學生基于8051單片機，根據(jù)應用場合需要選擇相應的編碼、解碼芯片設(shè)計與實現(xiàn)基于單片機控制的紅外通信系統(tǒng)。在項目實踐訓練中，學生需要深入理解鍵盤控制器、紅外信號的編碼與解碼、紅外信號發(fā)射接收器的工作原理與使用方法，并且需要編寫與調(diào)試控制系統(tǒng)中的程序代碼。該項目的實施有助于提高受訓對象的動手實踐能力，提高他們查閱資料、分析問題、解決問題的創(chuàng)新實踐能力。

（三）GPS信號接收機的設(shè)計與實現(xiàn)

全球有四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)，包括我國北斗衛(wèi)星導航（COMPASS）、美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）以及歐洲伽利略（GALILEO）。這些衛(wèi)星定位系統(tǒng)在交通運輸、無線通信、地質(zhì)測繪、國土安全等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。美國GPS由于具有定位精度高、通信時長短、通信協(xié)議公開、軟硬件成熟、使用免費等優(yōu)點，得到廣泛應用。GPS定位系統(tǒng)開發(fā)就個人用戶而言特指用戶接收，即GPS信號接收器。本實例項目要求參訓學生基于8051單片機設(shè)計與實現(xiàn)一個簡易的GPS信號接收機，并將接收信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息進行顯示。項目設(shè)計與實現(xiàn)的接收機主要包括三部分，分別是8051單片機控制器、GPS接收器硬件模塊、LCD顯示器。其基本結(jié)構(gòu)框如圖4所示。

圖4 簡易GPS信號接收機基本結(jié)構(gòu)示意圖

該項目基于8051單片機系統(tǒng)，結(jié)合GPS接收器芯片、LCD顯示器設(shè)計與實現(xiàn)一個簡單的GPS信號接收機。項目的實施過程中，學生需要深入理解GPS接收器、LCD顯示器的工作原理與使用方法，掌握串行、并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理方法以及LCD顯示器的數(shù)據(jù)顯示技術(shù)，并編寫與調(diào)試相應的控制程序。項目的實施有助于提高受訓對象的動手實踐能力，培養(yǎng)他們的科學素養(yǎng)，訓練其分析問題、解決問題的動手創(chuàng)新實踐能力。

三、教學效果評價

為評價“單片機與接口技術(shù)”課程建設(shè)引入學業(yè)導師項目驅(qū)動培養(yǎng)授課學生創(chuàng)新力的成效，本文對我院近五年（2017—2021年）該課程教改前后的教學成果進行分析。其中，前三年（2017—2019年）中，課程未開展學業(yè)導師項目驅(qū)動計劃；后兩年（2020、2021年），全面引入學業(yè)導師項目驅(qū)動計劃對授課學生實施創(chuàng)新力培育訓練。本文從主觀與客觀兩個維度，即授課對象的主觀評論、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全面進行分析。

（一）授課對象的主觀評論

本課程自2020年開始引入學業(yè)導師項目驅(qū)動計劃對授課學生開展創(chuàng)新力培養(yǎng)的課外實踐訓練。為獲取授課對象的主觀評價材料，課程教學期間采用匿名問卷的方式，以20%的抽樣率隨機發(fā)放問卷表采集學生的主觀評論意見。參與學業(yè)導師項目驅(qū)動訓練學生的代表性主觀評論如表1所示。

由表1可知，參與創(chuàng)新力培養(yǎng)訓練學生的主觀評論集中體現(xiàn)在如下幾點：（1）有助于提升學生對課程知識的學習興趣；（2）能幫助學生明確自身專業(yè)學習與培養(yǎng)目標；（3）有助于學生了解所學專業(yè)的前沿技術(shù)；（4）有助于增強學生的動手實踐能力；（5）有助于學生科學思維能力的形成；（6）有助于提升學生的實踐創(chuàng)新能力。從匿名采樣的學生主觀評論來看，在課程教學中引入學業(yè)導師項目驅(qū)動的大學生創(chuàng)新力培養(yǎng)模式，其對受訓對象的專業(yè)知識學習興趣、動手實踐能力、科學思維方法、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面都有著積極的促進作用。

表1 參與創(chuàng)新力培養(yǎng)訓練的學生評論

（二）大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目數(shù)據(jù)分析

在“單片機與接口技術(shù)”課程中開展學業(yè)導師項目驅(qū)動的創(chuàng)新力培養(yǎng)教學改革，可讓授課學生積極參與其中，并收獲頗深。創(chuàng)新思維是大學生創(chuàng)新力的重要表征，可表現(xiàn)為受訓對象在創(chuàng)新實踐過程中發(fā)現(xiàn)新科學問題的能力。此能力的訓練是高校學生創(chuàng)新力培養(yǎng)的重要內(nèi)容，它直接影響著受訓對象在項目后期創(chuàng)新力的可持續(xù)性發(fā)展前景。在本教改效果客觀評價中，可以借助受訓對象申請參與“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”（SRT）項目的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析。為避免平行班教學不對稱引起的評價偏差，僅對本課程參訓學生申請項目、獲得立項資助項目中與課程教學內(nèi)容相關(guān)的項目數(shù)據(jù)進行教改效果評價分析。近五年（2017—2021年）開展的基于學業(yè)導師制的項目驅(qū)動大學生創(chuàng)新力培養(yǎng)教改工作統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 SRT項目申報統(tǒng)計情況

圖5從三個維度，即參與申請項目的學生人數(shù)、申報的項目數(shù)、獲得立項資助的項目數(shù)，顯示了近五年SRT項目申報情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)變化。統(tǒng)計結(jié)果表明，相比過去的三年，授課學生在2020年、2021年參與申請項目的人數(shù)明顯增長，申報項目數(shù)量、獲得立項資助的項目數(shù)量有質(zhì)的飛躍，這充分展示了受訓對象在創(chuàng)新思維能力訓練方面有著明顯的提升效果。有諸多因素導致上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)生整體上升變化，如學生綜合素質(zhì)提高、SRT項目宣傳吸引力度增大、學業(yè)導師制逐步健全與完善，等等。分析學生主觀評論可以發(fā)現(xiàn)，基于學業(yè)導師制引入項目驅(qū)動開展學生創(chuàng)新力培養(yǎng)的教學改革探索，在一定程度上促進了授課對象對課程專業(yè)知識學習的主觀能動性，提升了學生的創(chuàng)新思維能力，幫助他們提高了創(chuàng)新實踐過程中發(fā)現(xiàn)新科學問題的能力與解決新問題的信心。這些因素綜合在一起，對參訓學生的創(chuàng)新力培養(yǎng)都起到積極的促進作用。

四、總結(jié)與展望

深入貫徹落實習近平總書記關(guān)于高等教育創(chuàng)新人才培育指導意見的重要論述，是新時代中國特色社會主義發(fā)展的戰(zhàn)略需要。因此，要結(jié)合課程特點，充分挖掘“單片機與接口技術(shù)”實踐教學相關(guān)的教改切入點，將學業(yè)導師項目驅(qū)動引入授課對象的專業(yè)知識教學并貫穿其大學期間的創(chuàng)新力培養(yǎng)過程。課程教改活動表明，課堂教學引入學業(yè)導師項目驅(qū)動計劃可讓授課對象在收獲專業(yè)知識技能的同時，激發(fā)其學習主觀能動性，有助于提升學生在創(chuàng)新實踐過程中發(fā)現(xiàn)新問題的創(chuàng)新思維能力，達到構(gòu)建符合新時代社會主義建設(shè)需求的高校創(chuàng)新人才育人體系的目的。近五年的教學效果數(shù)據(jù)評價分析表明，將學業(yè)導師項目驅(qū)動計劃引入課程教學后，學生的學習主觀能動性、創(chuàng)新項目參與人數(shù)、立項資助SRT項目數(shù)都有明顯的提升。