基于項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革探索

付根平 朱立學(xué) 張世昂 黃偉鋒

摘要 針對當(dāng)前單片機(jī)課程實驗學(xué)時少、課堂教學(xué)方法單調(diào)、學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力差等問題，探索一種以項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革方法，指導(dǎo)學(xué)生以小組形式開展基于單片機(jī)的項目任務(wù)研究，將單片機(jī)課程的關(guān)鍵知識點融入項目任務(wù)中，并督促學(xué)生完成項目任務(wù)進(jìn)而達(dá)到單片機(jī)課程理論知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)改革目標(biāo)。實踐表明，改進(jìn)教學(xué)方法后，單片機(jī)課程的教學(xué)效果有了明顯改善。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)課程；項目任務(wù)驅(qū)動；教學(xué)改革；實踐應(yīng)用能力

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.031

單片機(jī)課程是自動化類、電氣類、電子信息類等工科專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(yè)課[1]，其內(nèi)容包含單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理、單片機(jī)的程序設(shè)計及其外圍接口電路應(yīng)用設(shè)計[2]，與相關(guān)的專業(yè)課程、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計聯(lián)系緊密，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)[3-4]，同時為學(xué)生從事自動控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、設(shè)備維護(hù)等工作提供技術(shù)支撐[5-6]。單片機(jī)課程的教學(xué)效果，影響學(xué)生對專業(yè)知識的綜合應(yīng)用，是自動化等專業(yè)學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。因此，探索行之有效的單片機(jī)課程教學(xué)改革方式，激發(fā)學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣，使之滿足新工科發(fā)展要求的課程教學(xué)體系，是其主講教師亟待解決的難題[8]。

根據(jù)單片機(jī)課程兼具理論性和應(yīng)用性的特點[9]，結(jié)合仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院（以下簡稱“我校”）自動化學(xué)院的專業(yè)特色，為達(dá)到培養(yǎng)新工科背景下工程創(chuàng)新型應(yīng)用人才的目標(biāo)，以農(nóng)業(yè)電氣化工程應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，注重工程思維、強(qiáng)化實踐應(yīng)用能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神為原則[10]，探索一種以項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革方法。以教師為引領(lǐng)、學(xué)生為主體、項目任務(wù)為驅(qū)動，指導(dǎo)學(xué)生以小組形式參加各種學(xué)科競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，參與教師科研項目或者自擬題目，確保所有學(xué)生都加入項目組。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生以項目任務(wù)為驅(qū)動，將單片機(jī)課程的關(guān)鍵知識點融入項目任務(wù)，并運(yùn)用相關(guān)知識完成項目任務(wù)，開展理論與實踐相結(jié)合的課程學(xué)習(xí)，以此增加單片機(jī)的實踐應(yīng)用機(jī)會，強(qiáng)化對單片機(jī)知識的理解和掌握，從而達(dá)到較好的單片機(jī)課程教學(xué)效果。

1單片機(jī)課程教學(xué)中存在的問題

當(dāng)前，我校自動化學(xué)院的自動化、電氣工程及其自動化等專業(yè)開設(shè)的單片機(jī)課程，在教學(xué)過程中主要存在以下幾方面的問題：

1.1課程實驗學(xué)時太少

單片機(jī)課程的實驗學(xué)時安排太少。由于單片機(jī)課程的實踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)，其目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)的能力，基于單片機(jī)設(shè)計各類控制系統(tǒng)，這就要求學(xué)生掌握并能自主設(shè)計單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，編寫和調(diào)試單片機(jī)控制程序。而該課程實驗學(xué)時安排過少，教學(xué)過程中學(xué)生做實驗次數(shù)不足，難以滿足對“實踐”和“應(yīng)用”的要求，導(dǎo)致學(xué)生不能熟練應(yīng)用單片機(jī)知識開發(fā)控制系統(tǒng)。

1.2課堂教學(xué)方法單調(diào)

由于單片機(jī)知識點較多，但理論授課學(xué)時被縮減，且課堂教學(xué)方法仍以傳統(tǒng)“灌輸式”講授為主，授課內(nèi)容為單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理、匯編語言和指令系統(tǒng)等理論知識，對于初次接觸單片機(jī)的學(xué)生而言，課程內(nèi)容專業(yè)性太強(qiáng)、太枯燥，理解和掌握難度較大，只能被動接受知識，因而容易造成課堂氣氛沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，故難以取得理想的教學(xué)效果。

1.3學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力較差

單片機(jī)實驗課主要圍繞實驗箱開展，安排的實驗課次數(shù)較少并且都屬于驗證性實驗，缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新性的單片機(jī)應(yīng)用實驗。此外，大部分學(xué)生課余時間也不會主動去做基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件程序開發(fā)，參與單片機(jī)實踐應(yīng)用的機(jī)會很少，因此，很難真正學(xué)好單片機(jī)課程，導(dǎo)致相關(guān)的實踐經(jīng)驗不足、動手能力較差，所以很多學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)，最終難以達(dá)到預(yù)期的專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

2項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革

由于各種學(xué)科競賽和科研項目中自動控制系統(tǒng)大部分要用到MCS-51、DSP、STM32等單片機(jī)作為控制器，因此，指導(dǎo)學(xué)生參加諸如大學(xué)生電子設(shè)計競賽、“挑戰(zhàn)杯”等學(xué)科競賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等項目為驅(qū)動，以設(shè)計和開發(fā)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)為目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)科競賽主題和項目任務(wù)與單片機(jī)課程知識相結(jié)合，根據(jù)單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能需求去學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機(jī)，做到學(xué)以致用、以用促學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，提高其應(yīng)用單片機(jī)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神，實現(xiàn)新工科背景下工程創(chuàng)新型應(yīng)用人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.1項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革設(shè)計

項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革以學(xué)生小組分擔(dān)的項目任務(wù)為導(dǎo)向，將單片機(jī)課程的關(guān)鍵知識點融入項目任務(wù)中。學(xué)生在任課教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用單片機(jī)的相關(guān)知識去完成項目任務(wù)，達(dá)到理論與實踐相結(jié)合的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)。

為了取得理想的教學(xué)改革效果，任課教師應(yīng)精心梳理、提煉出單片機(jī)課程的重要內(nèi)容和關(guān)鍵知識點，并拆解成若干學(xué)習(xí)單元，如表1所示。將學(xué)生按3―5人進(jìn)行分組，指導(dǎo)他們通過參加大學(xué)生電子設(shè)計競賽、“挑戰(zhàn)杯”等學(xué)科競賽，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、導(dǎo)師的科研項目、給定課題或者根據(jù)興趣自主選題，將單片機(jī)課程若干學(xué)習(xí)單元的關(guān)鍵知識點融入項目任務(wù)中，單片機(jī)的部分應(yīng)用項目如表2所示。

而學(xué)生小組成員圍繞著項目任務(wù)進(jìn)行分工合作，應(yīng)用單片機(jī)知識，共同完成項目任務(wù)。任課教師通過線上、線下方式對學(xué)生小組的項目實施各環(huán)節(jié)進(jìn)行全程監(jiān)督和指導(dǎo)，并在學(xué)期末組織各項目小組統(tǒng)一答辯考核，對各組項目的任務(wù)完成情況和單片機(jī)知識應(yīng)用程度進(jìn)行點評和總結(jié)，該過程實施流程如圖1所示。

為了使學(xué)生更好、更高效地完成學(xué)科競賽等項目任務(wù)，任課教師需要開設(shè)專題，輔導(dǎo)學(xué)生查找和分析文獻(xiàn)資料的方法與技巧，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，并引入Protel、Keil、Proteus等單片機(jī)電路設(shè)計、程序編寫和虛擬仿真軟件，便于學(xué)生仿真驗證項目任務(wù)中基于單片機(jī)控制方案的可行性，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題和不足，并加以改進(jìn)和完善，確保項目任務(wù)能夠順利完成。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生小組完成單片機(jī)項目任務(wù)的執(zhí)行過程如圖2所示。

以項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)方法，改變了傳統(tǒng)課堂以“灌輸式”為主的理論授課模式，能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)興趣，也能培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)知識分析、設(shè)計自動控制系統(tǒng)的能力，加深對單片機(jī)知識的理解和掌握，同時可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)團(tuán)隊精神和工程素養(yǎng)，提高學(xué)生的實踐能力，積累項目開發(fā)經(jīng)驗。

2.2單片機(jī)課程教學(xué)改革內(nèi)容

根據(jù)單片機(jī)課程注重實踐應(yīng)用的特點，加大實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革力度，提高實踐教學(xué)的比重，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核機(jī)制三方面改革單片機(jī)課程的教學(xué)舉措。

①優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容：結(jié)合我校農(nóng)業(yè)自動化與電氣化應(yīng)用的特點，調(diào)整優(yōu)化單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容，更新和補(bǔ)充單片機(jī)在農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，如農(nóng)情信息監(jiān)測系統(tǒng)、大棚灌溉控制系統(tǒng)；增加可供學(xué)生選擇的單片機(jī)應(yīng)用項目；從單片機(jī)知識點中找出契合的切入點，融入課程思政元素，滿足新時代“三全育人”的需求。

②改革課程教學(xué)方法：相比以教師講授為主+課程實驗為輔的傳統(tǒng)教學(xué)方式，改革后采用課堂講授、課程實驗與項目任務(wù)驅(qū)動，線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生充分利用課余時間，發(fā)揮自主學(xué)習(xí)的主觀能動性。對于單片機(jī)課程中重點、難點內(nèi)容仍需在課堂上詳細(xì)講授，并結(jié)合應(yīng)用實例做課堂演示，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，加深對關(guān)鍵知識點的理解和掌握。

項目驅(qū)動的單片機(jī)課程教改方法，以學(xué)生為中心，任課教師對學(xué)生開展基于單片機(jī)的項目研究進(jìn)行多維度、全過程指導(dǎo)，如圖3所示。指導(dǎo)學(xué)生確定合適的項目任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生將單片機(jī)課程的重要知識點融入項目任務(wù)，協(xié)助學(xué)生設(shè)計項目實施方案，引導(dǎo)學(xué)生查找學(xué)習(xí)資料和參考文獻(xiàn)，督促學(xué)生按預(yù)期進(jìn)度執(zhí)行項目任務(wù)。此外，通過微信、騰訊會議等方式與學(xué)生建立實時溝通、討論的線上渠道，及時了解單片機(jī)項目的執(zhí)行進(jìn)度，幫助學(xué)生解決遇到的問題，確保各組學(xué)生都按時順利完成單片機(jī)應(yīng)用的項目任務(wù)，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

2.3單片機(jī)教學(xué)改革效果分析

以項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革方法已在近2年應(yīng)用于我校電氣工程及其自動化（簡稱“電氣”）專業(yè)。采用單片機(jī)課程考試成績和學(xué)生對單片機(jī)課程評教相結(jié)合的方式，對近4年電氣專業(yè)單片機(jī)課程的教學(xué)效果進(jìn)行綜合評價。電氣17級～20級學(xué)生的單片機(jī)課程考試成績統(tǒng)計如表2所示，對比可知，教改后課程的不及格率下降了約4%，而優(yōu)良率提高了8%左右，平均分提高了大概5分，顯然，教改后“電氣”專業(yè)單片機(jī)課程的教學(xué)效果有了較明顯的改善。

學(xué)生對單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)效果等方面進(jìn)行綜合評教的平均分在90分以上，由此可知，大部分學(xué)生對以項目任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法較為滿意。此外，一些學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)的過程中參加了相關(guān)學(xué)科競賽并獲獎，例如廣東省大學(xué)生電子設(shè)計競賽一等獎、廣東省“合泰杯”單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計大賽一等獎、廣東省“挑戰(zhàn)杯”大賽二等獎。

通過改革實踐，學(xué)生普遍反應(yīng)收獲較大，對單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計有了更深入的理解，激發(fā)了學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，提高了實踐動手能力，并且促進(jìn)學(xué)生更好地將專業(yè)理論與實際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的工程素養(yǎng)。

3結(jié)論

以項目任務(wù)驅(qū)動的單片機(jī)課程教學(xué)改革方法，豐富和完善了單片機(jī)課程的教學(xué)手段與教學(xué)內(nèi)容，解決了傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中實驗學(xué)時不足和學(xué)生實踐能力較差的問題，為學(xué)生提供了實踐與創(chuàng)新的機(jī)會。學(xué)生通過對單片機(jī)項目的任務(wù)分析、方案設(shè)計、實物制作和調(diào)試，既加深了對單片機(jī)知識點的理解和掌握，提高了實踐動手能力，又鍛煉了創(chuàng)新思維，培養(yǎng)了團(tuán)隊合作精神，同時可以激發(fā)專業(yè)興趣。此外，單片機(jī)課程的教學(xué)改革方法可以復(fù)制和推廣到其他專業(yè)課程，為新工科背景下培養(yǎng)合格的畢業(yè)生做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

基金項目：廣東省高等教育教學(xué)改革項目（粵教高函〔2021〕29號）；廣東省重點領(lǐng)域科技研發(fā)計劃項目（2019B020223003）；農(nóng)業(yè)工程學(xué)院高等教育教學(xué)改革項目（KA210314515）。

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