工程認證背景下的高校單片機課程實驗教學探索與實踐

摘 要：針對工程認證背景下高校單片機課程實驗教學存在的問題，提出了以項目驅動的單片機課程實驗教學課程改革方案。以學生為中心，以實踐為基礎，以創新為目標，構建了以項目為載體的單片機課程實驗教學體系。實驗教學內容涵蓋單片機基礎知識、單片機應用技術、單片機系統設計等方面。實驗教學方法采用項目驅動式教學法、任務驅動式教學法、案例教學法、分組討論法等多種教學方法相結合的方式。實驗教學評價采用過程性評價和終結性評價相結合的方式。大量的教學成果和長時間的實踐證明，方案可以有效地促進學生實踐能力的提高，不斷挖掘學生的創新能力，鍛煉學生的團隊合作能力和精神，為工程認證培養合格的工程技術人才奠定了堅實的基礎。

關鍵詞：工程認證；單片機；實驗教學；教學改革；項目驅動；任務驅動

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

工程教育認證體系是國際公認的工程教育質量保證機制，同時也是實現工程教育國際互認的重要基礎。工程教育專業認證在我國是國家工程教育認證協會組織的、由專門的職業協會會同該領域的教育工作者一起進行的、針對高等教育中工程類專業開展的一種合格評價方式[1]。尤其是正式簽署《華盛頓協議》以來，我國工程教育在國際上的地位和認可度得到了進一步提高，對于中國工程教育認證質量和國際競爭能力的提高具有重大作用。

單片機課程是工科類專業的一門重要基礎課，也是工程認證的重要考核內容之一。單片機課程實驗教學是單片機課程教學的重要組成部分，也是提高學生工程實踐能力、創新能力和團隊合作能力的關鍵環節。然而，傳統的單片機課程實驗教學存在著一些問題[2]，如實驗內容陳舊、實驗方法單一、實驗評價不科學等，這些問題嚴重制約了學生工程實踐能力和創新能力的培養[3-6]。

1 基于項目驅動的單片機課程實驗教學改革方案

為解決傳統單片機課程實驗教學存在的問題，本文提出了基于項目驅動的單片機課程實驗教學改革方案。以項目為導向，以任務為驅動，以學生為中心，以實踐為基礎，以創新為目標，構建了以項目為載體的單片機課程實驗教學體系。

1.1 基本原則

（1）教學模型選擇

以STM32單片機為教學模型，其優勢為：外接口數量多、開發板集成度比較高、功能簡單、資源豐富。STM32單片機憑借這些優點，受到了業界的一致好評[7]。通過課程的學習，可以培養學生的程序設計能力、創新實踐能力和職業素養等，為學生后續專業課程的學習和工作奠定了堅實的基礎。 實驗教學設計的基本原則如圖1所示。

（2）項目選擇

項目是單片機課程實驗教學改革的核心。項目的選擇遵循以下原則[8]：

①項目應具有工程背景，與工程實踐緊密結合；

②項目應具有挑戰性，能夠激發學生的學習興趣和創新熱情；

③項目應具有開放性，允許學生有多種解決方案；

④項目應具有可行性，能夠在有限的時間和資源內完成。

（3）任務分解

項目確定后，需要將項目分解成若干個任務。任務分解遵循以下原則：

①任務應具有獨立性，能夠單獨完成；

②任務應具有關聯性，能夠相互配合形成完整的項目；

③任務應具有可控性，能夠在有限的時間和資源內完成。

（4）教學方法

單片機課程實驗教學采用項目驅動式教學法、任務驅動式教學法、案例教學法、分組討論法等多種教學方法相結合的方式[9]。

項目驅動式教學法：以項目為載體，引導學生主動學習、積極探索、不斷創新。

任務驅動式教學法：以任務為目標導向，使學生對學習相關知識充滿興趣和動手創新的熱情，同時也增強了學生自主動手的能力和獨立解決問題的能力。

案例教學法：通過分析和討論真實世界的案例，幫助學生理解單片機原理、掌握單片機應用技術，培養學生分析和解決問題的能力。

分組討論法：通過分組討論，激發學生的思維碰撞，培養學生的團隊合作能力和溝通能力。

（5）實驗評價

單片機課程實驗教學評價采用過程性評價和終結性評價相結合的方式。

過程評價：對學生在實驗過程中的表現進行評價，包括出勤情況、實驗完成情況、實驗報告質量等。

結業評價：對學生完成的項目進行評價，包括項目的技術難度、項目的功能實現情況、項目的創新性等。

1.2 教學體系設計

第一，基礎類實驗?；A類實驗的教學目的是熟悉STM32的固件庫，了解單片機最小系統的構成，掌握各個引腳所對應的功能。在此基礎上，學生可以創建新的STM32工程，完成CPU選型、下載器設置、添加庫函數等工作，并編寫工程代碼、生成hex目標文件。以GPIO端口的輸入和輸出實驗為例，在此過程中學生能夠掌握并了解GPIO接口的工作原理，還能理解詳細的管腳的電路連接原理，可以通過獨立或者矩陣按鍵控制二極管的亮、滅，以及對按鍵進行消抖處理。

第二，設計類實驗。該部分主要是外部中斷的應用、定時器的控制、串口的連接和A/D模數轉換等實驗。以外部中斷實驗中的現象為例，學生可以從中學習掌握外部中斷的運轉方式、作業流程和觸發源，并按需編寫相關程序滿足GPIO的初始化和中斷要求任務。在定時器應用實驗中，要求學生熟悉和了解定時器的觸發方式、定時器中斷優先級的配置、時鐘源的選擇，以及定時時間的計算方法。通過A/D模數轉換的實驗，學習A/D轉換的工作流程，自主擴展并查閱資料了解ADC初始化結構體的配置，以及數據采集-傳輸-儲存的程序技術，最后將采集得到的模擬電壓值顯示在相關硬件上面，或通過串口上傳到PC機顯示界面。通過使用多個模塊也可以讓學生對知識做到融會貫通，理解得更加深刻。

第三，創新類實驗。具體的實驗項目有：溫室滴灌控制系統的設計、電子密碼鎖的設計、直流電機控制器和多人表決器的設計，這4個題目可供學生自行選擇；同時學生需要對傳感器所需用到的通信協議有所了解，并能熟悉使用Protues進行仿真。這類實驗在具體操作中，可以由兩個人及以上組成一個小組來完成，比如在溫室滴灌控制系統的設計實驗中，兩人可分別編寫主函數程序和傳感器數據傳輸程序，學生在合作中能夠相互學習。

1.3 實驗平臺設計

基于Cortex M3的STM32系列微控制器是意法半導體公司生產的32位微控制器，具有高達72 MHz的主頻，可配置最高64 KB SRAM和512 KB FLASH，并集成了豐富的片上外設，主要包括5個USART接口、3個SPI接口、2個I2C接口、3個12位ADC接口以及1個CAN總線接口[10]。在諸多領域中，STM32系列微控制器占據了主導地位，符合“產教結合”的教學理念。因此，最終選擇將基于STM32F103ZET6微控制器作為教學實驗平臺的開發板。實驗軟件方面，首先采用STM32CubeMX，STM32CubeMX除了能以圖形化配置的方式對所需要用到的引腳進行分配外，還可以根據用戶需求設置系統的時鐘樹以及外設接口的功能，最終生成可供Keil使用的初始化程序，大大縮短了編程時間與難度。相比于51單片機的初始化設置，STM32CubeMX的出現使學生對于STM32的學習更容易上手。

編程軟件采用Keil Software公司的Keil μVision5。前期學生在學習C51單片機編程與應用課程時也是在此軟件中進行編程，使得教學效率更高。

另外，為彌補實驗平臺硬件方面可能存在的不足，還采用仿真軟件進行仿真。EDA工具軟件采用了具有豐富儀器庫的Proteus。在Keil完成編譯后，可將生成的hex文件直接導入Proteus中的STM32F103ZET6模塊。同時該軟件的使用也會用到電路、模擬電路、數字電路等專業課程的知識，可以讓學生將以往理論學習轉換為實踐，在實踐中體會STM32單片機的魅力。

2 教學實驗安排

教學實驗過程中的詳細內容與重難點見表1。

3 結 語

基于項目驅動的單片機課程實驗教學改革方案已在我校實施5年。多年的教學實踐證明，基于項目驅動的單片機課程實驗教學改革方案有效地提高了學生的工程實踐能力、創新能力和團隊合作能力。學生在項目實踐中，不僅掌握了單片機的基礎知識和應用技術，還培養了實際動手能力、解決實際工程問題的能力。同時，自主設計項目的實踐也調動了學生對單片機的學習積極性，從而提高了學生獨立學習的能力，為往后的學業與發展打下了良好而堅實的學科基礎。

參考文獻

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[10] 黃辛，田瑞穎.《中國新一代人工智能發展報告2019》發布[N].中國科學報，2019-05-30（007）.