單片機課程項目化的改革與探索

梁會軍

（湖北民族大學 智能科學與工程學院，湖北 恩施 445000）

一、背景介紹

新工科建設是教育強國建設的引領力量，是培養面向未來的卓越工程創新人才，而其核心點就是提高人才培養能力［1-2］。單片機作為電子信息類專業的核心課程之一，在學生就業方向選擇上，具有重要影響力，因此，在課程體系中具有重要地位。特別是在當今芯片領域接連遭遇“斷供”的情況下，提升芯片人才的培養質量迫在眉睫，而單片機作為芯片學習的基礎課程，可以為學生提供很好的入門途徑。

“單片機原理與應用”作為信息類專業的必修課程，具有應用性與實踐性強等特點，主要培養學生的實際動手能力［3-4］。在實際教學中，針對單片機課程，很多高校都是采用理論課與實驗課并行的方式進行教學，一般理論課24學時，實驗課24～36學時。講述內容主要包括單片機基本概念、匯編語言程序設計、I/O口、外部中斷、定時器/計數器、芯片擴展、鍵盤、A/D轉換、D/A轉換等，實驗也圍繞以上述內容展開［5］。通常來說，學生通過上述內容的學習，基本能掌握51單片機的基本應用原理，可以進行簡單的基于51單片機的系統設計。

湖北民族大學信息工程學院開設有電氣工程及其自動化、電子信息科學與技術、計算機科學與技術、光電信息科學與工程等與單片機課程密切相關的專業。其中，針對各專業，單片機課程要求不盡一致。如電子信息科學與技術專業，單片機為考試課，要求明顯高于其他專業，而在電氣工程及其自動化、光電信息科學與工程專業，則為考查課。這主要是基于電子類專業的特殊性來考慮的。學院歷來重視單片機相關課程的建設，在全國大學生電子設計大賽中也屢獲佳績，特別是在2020年湖北省大學生電子設計大賽中，勇奪本科組“TI杯”，證明了學院在單片機人才培養方面的獨特之處。盡管如此，單片機課程仍然有許多值得改進的地方，特別是在新工科背景下，如何全面提升學生的動手能力，培養學生對單片機課程的學習興趣，從而將其作為職業規劃方向，而不僅僅是滿足于課程分數，或者掌握一些與單片機相關的概念，是一個值得研究與探索的問題。此外，當前的教學環節主要是以教師講授為主，學生處于被動學習的狀態。因此，作為一門以實踐為主的課程，單片機課堂教學必須進行改革與調整，以適應新工科的發展要求。

二、改革思路

為改變單片機課程的當前現狀，使之適應國家對新工科發展的要求，筆者所在課程組提出了一種單片機課程項目化的改革理念，立足于全面提升學生對單片機課程的認知，教師、學生職能轉換，不再以傳統的知識點作為實驗項目，而是引入實際工程中可能碰到的各類項目，將單片機課程項目化。每個項目涵蓋單片機課程中的部分知識點，學生要完成本課程，必須先將課程項目“化整為零”，再“化零為整”，這樣可以讓學生了解、掌握實際項目的開發流程和實施方法，具體實施方法如下。

（一）制定一整套單片機課程改革方案，改變當前教師講授為主、學生被動學習的局面

當前單片機教學思路仍以傳統教學方式為主，教師先講授單片機基礎知識，如基本架構、I/O口、定時器/計數器、鍵盤、數碼管、A/D、D/A等，然后單獨開設單片機工程專項訓練課程。這種教學結構的不足之處在于缺乏對學生整體項目開發認知能力的培養，絕大部分學生在專項訓練課程中還是完成單片機各功能部分實驗，教學模式單一。為此，筆者所在課程組提出“單片機課程項目化”的概念。課程中，學生以實現某個具體項目為目標，每個項目要求不一樣，使用的單片機內設可能也不一樣，這就需要學生具備初步的項目管理經驗，將項目“化整為零”，各小組中每個成員負責完成項目的一部分，最后“化零為整”，形成一套完整的系統。通過這種方式，學生不僅學到了知識，而且具有非常強的成就感，這也是對學生付出的肯定與回報。

這種教學改革模式，也對教師的執教能力提出了更高的要求。由于課程中的項目來自生產實際，具有綜合性，因此，需要任課教師也具備項目實戰經驗，這與傳統的單片機課程實驗有很大區別。任課教師如果沒有這方面的開發經驗，在指導學生完成項目的過程中會比較吃力。此外，在整個教學項目過程中，如何保證學生能保質保量的完成項目，教師多大程度參與到具體項目中，需要教師針對不同學生進行區別對待，需要在教學活動中進行不懈地探索。

（二）項目實施

課程項目分組完成，每個小組由3名左右學生組成，學生自由分工，確定1名組長，每名學生必須承擔項目某一部分的原理圖設計和程序編寫工作。課程項目應該包括教學任務要求的大部分功能，比較重要的部分都應該包含在項目中，如I/O口控制、定時器、A/D轉換、數碼管顯示、外部中斷等。因此，課程設計的項目應盡可能來自教師的科研項目或者提煉自生活中常見的工業過程或對象，而不僅僅是單片機某個功能性驗證實驗，這是與傳統教學方法最主要的區別。每個項目應充分考慮到學生的工作量和任務分解情況，綜合考慮數據采集、I/O控制、算法、就地顯示、上位機監控等在實際工業控制中涉及的功能。針對部分接受能力較強的學生，每個項目可單獨設立選做部分。目前，擬開展的項目主要包括：直流電機調速系統設計、基于51單片機的溫度巡檢系統、數字式電壓表的設計、基于DS1302的實時時鐘設計等項目。

（三）考核方法

傳統教學以實驗報告、考試成績作為課程結業成績的主要評判標準，針對項目化改革的思路，這種評價方式顯然已經不合時宜。課程改革的目的旨在全面提升學生對單片機課程的認知，最終擬采用項目答辯方式進行。答辯小組成員由擔任單片機課程的教師組成，也可以外聘其他相關課程教師。每個項目小組依據完成的項目，先撰寫項目報告，然后進行課程結業答辯。報告要求至少涵蓋項目簡介、任務分解情況、原理圖設計、程序設計、上位機設計、最終完成情況等。每個學生分別闡述自己負責的部分，從設計原理、程序實現、遇到的問題等方面進行匯報，也可以進行現場演示。答辯小組依據學生答辯情況，分別從方案設計的合理性、學生掌握情況、答辯情況等方面進行綜合評價，形成最終的課程結業成績。

（四）項目化改革的特點

1.改變當前教師講授為主的教學模式，充分發揮單片機課程實踐的特點，實施51單片機課程項目化管理，引導學生主動參與。

2.提前設計課程目標，將學生以項目形式分組，充分發揮學生的主觀能動性及想象力，培養學生實際動手能力。

3.實施定期匯報制度，讓學生主動分享自己在學習中遇到的問題與困難，以及如何解決這些問題與困難。

4.改變考核模式，考核以答辯形式為主，項目演示為輔，同時允許項目失敗，但要求找到失敗的原因及潛在的解決辦法。

三、教學設計

單片機課程項目化改革對學生能力提出了更高的要求，要求學生在規定的時間內組隊完成某一個課程項目，如數據采集系統設計、直流電機調速系統設計、智能交通燈等。這些項目均具有一定的綜合性，難度高于獨立的實驗項目。此外，還要求學生完成項目報告的撰寫及項目答辯所需PPT。

改革實施后，課程的理論課學時為16學時，項目時間為24學時。但是，除上課規定時間外，實驗室仍繼續向學生開放，學生可以充分利用課余時間來完成所選項目。因此，新教學模式的實施，將充分調動學生的主動學習積極性，為完成項目，學生必須自己制定項目方案、獨立完成程序編寫與調試工作。教師負責指導學生進行方案制定，可以從原理圖繪制、程序設計角度給出自己的建議，保證項目方案的合理性，以便學生能及時完成整個項目。

一般來說，每個項目都可以分為若干子模塊，團隊成員可以自己選擇完成整個項目的某一部分或某幾部分，然后項目負責人負責將整個項目整合，這種實施方式可以有效培養學生的團隊協作能力。項目負責人可以安排一名團隊成員完成項目報告的編寫及答辯PPT的制作，最終團隊需要有一名學生進行PPT講述，整個團隊一起參與最終的項目驗收。

項目驗收由進行單片機課程教學的教師進行，也可以邀請相關教師參與。驗收采用答辯形式進行，學生需要講述整個項目的分解情況、每名學生的完成情況、項目最終的完成情況等。參與答辯的教師自由選擇自己感興趣的問題進行提問，針對學生回答情況給出各自的分數，匯總形成最終答辯成績。單片機課程評定標準如表1所示。

表1 單片機課程成績評定標準

結語

單片機課程項目化的改革方案為單片機課程教學提供了一種全新的教學方法。目前，從筆者所在院校的實施情況來看，基本達到了教學要求，部分動手能力較強或者對單片機課程感興趣的學生，潛力得到了充分的發揮，教學效果非常突出。但是也有少數組別是敷衍的狀態，這需要教師與學生進行深入的溝通與交流。

2017年，教育部高等教育司《關于開展新工科研究與實踐的通知》，為未來高校工科教學發展指明了方向，這是高等教育發展到今天的必然之路。“工科”是本質，“新”是取向，未來必將有更多的課程融入新工科發展的潮流之中，為實現祖國發展藍圖添磚加瓦。