“微机原理及单片机应用”课程培养探索与实践

张 峰，李 林，宋晓华

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710021）

引言

目前，科学技术的突破往往伴随着多学科之间的交叉融合。多学科融合下形成的系统性、综合性、前沿性成果体系有助于解决人类社会面临的新挑战、新问题，为取得原创性科技创新成果提供重要的知识保障。

一、研究现状

为了促进我国从教育大国向教育强国快速转变，急需培养一批具有过硬知识体系、综合能力与创新能力强的高素质人才，取得一系列领先于国际的原创性成果。为了贯彻落实国家工程教育强国战略，国家出台了一系列的计划与政策来加大对教育的投入，加快新工科建设。

“微机原理及单片机应用”课程是教育部规定的综合性电子信息类专业的专业基础课，是一门以理论知识为架构、侧重于解决计算机及嵌入式系统实际工程问题的课程。课程的知识大多抽象、实践性强，与众多学科相辅相成，辐射范围广泛［1-2］。

然而，进入“十四五”阶段，随着计算机软硬件系统的飞速发展，以微软公司为代表生产的CPU处理器，每年都会更新，课程的知识体系也在不断地更新［3］。“微机原理及单片机应用”课程受到学生基础、学校办学理念、人才培养目标等差异的影响，使得现有教学内容与前沿技术、行业运行新模式、经济发展新理念脱节严重，课程知识对前沿学科的交叉融合不足，无法满足新工科建设所要求的对学生主观能动性的培养。因此，在新工科建设背景下，梳理现有“微机原理及单片机应用”课程教学中存在的相关问题，并针对问题提出课程教学改革的建设性方案，对于提高多学科交融的创新型人才的培养质量具有重要的理论和实践意义。

二、现有“微机原理及单片机应用”课程体系存在的问题

在教学过程中存在知识结构独立性强、概念抽象、综合应用实验课时少、与实际工程项目紧密性不足等问题，因此亟须对当前课程的教学方法及教学内容进行新的探索与改革，重新制订一套适用于前沿学科发展现实要求，又行之有效的教学方案，从而培养满足社会需求的新型应用型本科人才，建设教育强国［4］。学校“微机原理及单片机应用”课程教学过程中存在如下的问题。

（一）多学科融入不够明显

课程教学形式单一，教学内容与时代前沿技术脱节严重，导致学生知识面狭窄、创新能力不足，无法满足新工科背景下对多领域、创新型人才培养的目标。因此，要充分引导学生对多学科交叉领域知识进行深入学习，拓展前沿学科创新性思维，开拓国际化学术视野，形成多学科相互渗透的教学氛围和跨学科融合的教学模式。

（二）课程体系与教学内容需进一步完善

在实际教学中，与工程实际项目的结合度不高，缺少对前沿技术的交叉融合。课程主要针对现有成熟理论知识进行讲述，鲜有教师向学生展示工程实际需求中遇见的问题，缺少对前沿科学和工程实际问题的系统分析，导致实际的教学效果与课程培养目标及企业的需求存在明显不匹配，使学生对课程缺乏感性认识，得不到理想的教学效果，现有课程知识体系无法满足社会快速发展的需求，形成了学生毕业后只具备理论知识能力，而无人才竞争力的恶性循环。

（三）实践教学体系不够完善，缺乏综合性实验

在开展实践教学时，更多地选用单项实验教学法，学生通常是按照实验手册的步骤进行接线、编程、调试、运行，记录实验结果后整理成制式化实验报告，就标志着实验的正式完成。没有对实验原理与实验现象进行深入的分析，就无法锻炼学生的独立思考能力。而且，实验之间的关联性低，知识点分散严重，易形成知识点的“孤岛效应”，无法实现对学生知识点连续性与系统性的培养。此外，实验内容大多为验证性实验，缺乏系统性与综合性的挑战性实验，脱离了案例式与项目式的实践教学理念，无法锻炼学生的动手能力与创新能力，难以激发其创新意识的培养。

三、“微机原理及单片机应用”课程体系设置方案

课程教学改革的目标从传授理论知识为主向综合能力培养转变，强调创新性思维能力的培养，着重培养学生的团队合作精神、创新性思维模式，强化硬件电路设计系统观，模块化编程思想，使得学生能够利用所获得的知识解决工程中的实际问题。学生通过课程的学习，为后续的ARM、DSP、FPGA等嵌入式系统学习提供软硬件设计观，同时也为今后从事智能控制、物联网、电路设计等领域工作夯实基础。为了提高课程的实际教学效果，本文从以下几个方面进行行之有效的改革并制订细节方案。

（一）实施多维度课程培养模式

建立“革新教学内容、促进多学科交融、强化项目实践、整合教学模式”的教学内容与实践培养方案。实施多维度教学培养模式，促进多学科深度交融，以学生为中心，创新人才培养模式，形成理论与实践教学并重的良性循环链，培养学生的多学科交叉应用思维、工程实践能力与创新创业能力，从而使学生实现知识、能力和综合素质的全面提升。

1.革新教学内容。采用“精品教材、网络精品课程、以学生创新能力为中心”的灵活教学模式，聚焦学生自主实践能力与创新思维的培养，建立优质课程资源库和实践案例库。对课程的相关知识点按照递进式的方式重新梳理，对课程内容知识点的工作原理、硬件设计、程序结构进行深入分析和分类汇总，形成优质教学资源，并将其上传到网络供学生随时随地学习。同时，形成“思政、引导、讲授、问答、互动、探究”课堂教学方式，由“满堂灌式讲授”向“启发式教育”教学方式转变，为学生专业技能素质的提升奠定基础。

2.促进多学科交融。结合前沿科学技术来定期更新课程内容，拓展多学科交叉融合创新理念，将前沿技术、工程技术、多学科融合教学案例等贯穿整个课堂教学过程中。通过学术讲座、学术沙龙、国际会议，学生掌握前沿科学的发展动态，拓宽学生的学术视野。采用团队协作的方式构建团队，解决跨学科领域下的工程实际问题，为学生综合素质的提升提供强劲的动力。

3.强化项目实践。以人才培养与项目需求的无缝对接为目标，从实际工程问题出发，根据项目需求、学生知识掌握情况、个人能力等对实践教学环节进行差别化培养。以工程实际问题为牵引，引导学生自己动手解决工程问题，建立项目分工协作机制，培养学生的团队合作精神。基于项目的完成进度、团队贡献率、项目成果来对学生进行评价，激发学生的创新思维、团队参与感与求知欲。建立以赛促学、以赛促练实践教学体系，强化校企协作，实现互惠共赢。

（二）优化重组新课程体系

优化重组课程教学体系，全方位实现课程多元化协同发展。以X86构架的8086/8088微处理器为核心对课程的教学内容进行优化重组，将其拓展为嵌入式系统领域的基础课程，并配套相应的开发板，以供学生利用课后时间对所学知识点进行验证性学习。在课程学习完毕后，开设嵌入式系统程序设计与应用系统综合实践选修课程。同时，将现有的嵌入式系统选修课进行升级重组，增加前沿学科内容（例如物联网技术、大数据分析技术等），使得整改后的课程更能满足新工科背景下多学科融合发展和卓越工程师人才培养的现实需求。课程内容规划结构如图1所示。

图1 “微机原理及单片机应用”课程内容规划

（三）技术与教学方法整合

技术与教学方法整合，实现课程知识点的全方位覆盖。注重教学方法和教学手段的改革和创新，帮助学生理解微型计算机系统的硬件结构和功能，消化其中复杂难懂的知识点。整合教学模式，以学生为中心，借助多元化学习资源来拓展学习时空，促使教育平台处于开放的环境，促进师生之间的相互交流，实施因材施教的教学策略。使用可视化、情景化教学来帮助学生理解难以消化的知识点，激发学生学习动力与探索知识的兴趣，提升教学效率。在实际教学中，引入MOOC、SPOC等优质网络教学资源课程，结合教学大纲和实际教学情况，以“互联网+”竞赛为辅助单元，构建线上线下混合式学习平台，重组教学方法、教学内容以及学习评价体系，帮助学生更好地掌握知识，提升学生独立思考的能力，同时培养学生良好的创新思维和对学习的积极性。采用Xmind、Mind-Master、百度脑图等工具系统化展示学习内容，使得教学过程更生动形象。借助课堂互动工具，促进学生与教师交流互动，及时对学生的知识掌握情况进行实时评价。技术与教学方法整合具体步骤如图2所示。

图2 技术与教学方法整合的步骤

（四）协同育人，强化学生实践能力培养

加强产教融合，加强与企业、地方政府、行业机构的合作，协同制订实践环节教学培养方案，依据产业需求设计配套的实践学习课程，实现教学内容紧贴社会需求。合理利用校内外资源，优化实践教学内容，建立完善的课程实践链条，提高实践环节在总成绩中的占比。强化基础实践能力的培养，充分利用开放实验室、综合创新实验室、师生交流科研平台等实践教学资源来加强对学生实践能力的培养。同时，构建“产教融合”“赛教融合”实践课程教学体系，形成新技术、多学科交叉融合的实践教学内容。

结语

本文结合新工科背景下的创新性人才培养方案与目标，分析了学校“微机原理及单片机应用”课程体系存在的问题。针对课程教学中存在的问题，本文从实施多维度课程培养模式、优化重组课程体系、技术与教学方法整合、协同育人以强化学生实践能力培养等方面对课程进行了探索和实践。通过课程人才培养体系的改革与创新研究，我们积累了新工科背景下传统课程改革的经验，为其他传统课程的培养起到了借鉴应用。