STEM 教育融入單片機課程的研究與實踐

岳曉峰，朱娟，張煒

(長春工業大學機電工程學院,吉林長春,130021)

0 引言

STEM 即科學、技術、工程、數學四門學科英文首字母的縮寫，強調以工程思維解決現實世界的問題。

近年來，STEM 理念得到了各國教育界的廣泛研究。徐奕菊分析了近年來我國高校STEM 教育研究狀況及發展趨勢，指出STEM 教育在全球教育領域廣泛的展開，為未來教育中人才培養模式提供了一種新范式，我國高校STEM 教育處于起步階段，但發展迅速，在理論、方法、理論與實踐相結合等方面仍需加強；王娟等研究了國外整合STEM 的教育機器人課程案例，以卡耐基梅隆大學機器人學院的ROBOTC 課程為例，分析了課程體系、課程設計理念、課程結構及教學設計等。

單片機課程在高等工程院校的機械工程及自動化專業、機械電子工程專業、車輛工程專業、電子工程專業教學計劃中的主干課程之一，開設單片機課程旨在培養學生掌握單片機控制理論、原理、方法和機電控制的一般規律；具有運用匯編語言、C 語言進行程序設計和機電控制系統設計的能力。具有分析單片機接口存在的問題和提出改進措施的能力。掌握典型單片機控制系統設計的實驗方法，獲得實驗技能的基本訓練。樹立正確的設計思想，并對單片機的新發展有所了解，使學生具有設計單片機系統的能力，為學生以后解決復雜機電控制問題打下堅實的基礎。

本門課程實踐性非常強，將STEM 理論應用于單片機課程教學中，可以大大提高單片機課程的授課質量并培養優秀的STEM 人才。

1 單片機課程的STEM 項目設計

STEM 課堂應重視學生的綜合能力，包括持續發展能力、實踐性，能夠解決問題是STEM 課堂成功的標志，STEM 課程應該以項目驅動法授課，強調團隊合作，以學生為中心，強調“教、學、做”一體化。

單片機課程學習內容主要包括MCS-51 單片機的結構和原理，MSC-51 單片機指令系統，MCS-51 單片機匯編語言程序設計，單片機中斷系統，MCS-51 單片機定時計數器及應用，單片機總線接口技術，MCS-51 單片機外部并行總線與存儲器的擴展，MCS-51 單片機與D/A、A/D 轉換器的接口，MCS-51 單片機人機交互接口技術，課程目標是：培養學生運用數字電子技術、模擬電子技術、電工學等基礎理論知識解決機電控制系統的設計問題的能力，培養學生的機電系統設計思維和創新能力。教會學生掌握單片機系統的工作原理、特點、選用及其設計計算方法，培養學生自學能力和分析問題解決問題的能力。培養學生初步具有分析機電接口信號處理過程中存在的問題，并具有提出改進措施的能力，使學生具有考慮工程實際進行機電系統的設計能力。培養學生初步學會對硬件電路進行設計的能力，圖紙文件的繪制能力及編制技術文件的能力。培養學生樹立正確的設計思想，并對機電控制系統的新發展有所了解，學會運用手冊、標準、規范資料和查閱文獻的能力。培養學生具有設計機電控制系統和最小控制系統的能力。

根據STEM 教育的特點，在單片機課程教學中采用“項目驅動”教學方法。根據該課程的科學知識與技能要求，選擇可以貫穿連接整個課程目標的單片機設計項目，通過設置子項目，完成課程的分階段設計，將課程內容與單片機設計充分融合，在做中學，學中做。擬采用的項目為基于51 單片機的智能門禁控制系統，該系統的設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統設計框圖

該系統功能主要包括6 點，矩陣鍵盤用來輸入密碼，無線模塊用來識別刷卡信息，指紋模塊用來識別輸入指紋信息，繼電器控制電機的轉動最終實現鎖是否打開，顯示模塊用來顯示輸入的信息，語音報警模塊用來對非法用戶產生警報。這些任務需要學生通過一門課程的學習來綜合完成，平時上課過程中，需要完成該任務的某個具體功能，根據任務內容及課程知識點分布，將該任務分解為7 個子項目，如表1 所示。

表1 子項目設計

學生通過項目的實現與課程學習的結合，可以在STEM 能力上得到鍛煉，針對該項目，學生的STEM 能力鍛煉情況如表2所示。

表2 STEM 知識與技術

2 STEM 項目實施過程

為了培養學生的STEM 能力，課堂環節設計時應做到以下幾點：

(1)靈活的組隊模式

根據每個任務的難度及學生的個人選擇，完成靈活的組隊模式，可以自由選擇2-5 人一個小隊，針對每個子項目，不同的小隊可以有不同的設計，如串行口波特率可以自行設計，顯示模塊顯示內容可以自行設計等，不同的小隊給出的思想，程序，實現效果都是不同的，在進行子項目設計的時候，小隊成員之間充分合作，共同解決問題，項目訓練的環節則鍛煉了學生的文獻查閱能力，軟件使用能力，工具使用能力，程序調試能力，團隊合作能力等。

(2)項目實施過程學生為主，老師參與研討

每個項目實施過程，應充分調動學生的主動思考積極性，把每個項目作為小隊成員的作品，每個成員都要為自己的作品貢獻自己的最大的力量，老師在學生操作環節可以為學生的想法提出考慮不周到的點，幫助小隊完善其作品，在遇到關鍵問題時，老師也會給出合理的建議，這樣可以充分調動學生的學習興趣，鍛煉學生的自主學習能力。

(3)課堂拓展

學生在完成作品的時候，僅僅利用課上的時間是不夠的，教師給出壓力，要求學生在給定時間內完成給定功能，這樣就要求學生充分利用自己的課余時間，在課堂外繼續進行課堂內容的學習，學生學習的有效時間由課內變為課內加課外，大量的練習保證了學習效果。

(4)成果展示

在各子項目設計完成后，以小隊為單位，圍繞所設計的電路結構，程序設計思想，程序運行效果，成員分工等內容進行PPT 方式介紹。該環節要求學生對所做的設計進行深度分析與總結，并通過組織語言的方式向其他同學展示，這可以培養學生總結問題能力、表達能力等。

3 結語

基于STEM 教育的單片機課程，采用適合的綜合設計項目和子項目，巧妙地提高學生的科學、技術、工程及數學素養，可以更好地培養STEM 人才，整個課程以一個綜合的任務為目標，在每一章節學習過程中，解決綜合任務的子任務，通過一門課程的學習，實現一個完整任務的解決，在學習過程中，學生通過小隊合作的方式完成，最后進行作品的演示，全面培養學生的團隊合作能力、語言表達能力、電路原理分析能力、技術文獻查閱能力、工程實踐能力、數學知識應用能力。