基于项目学习的实验课程教学改革研究与实践

摘 要：单片机原理及应用是一门理论联系实际、综合多学科知识的实践性很强的专业课程。从提升学生的工程实践能力着手，提出基于项目学习的实验教学模式，探讨了在该课程中实施此模式的具体步骤、考核方式以及取得的效果。实践证明，该教学模式对于激发学习兴趣、加深知识理解、提高工程实践能力、培养创新思维等具有积极的作用，是新形势下教学改革的有益尝试。

关键词：项目学习；教学改革；单片机

中图分类号：G642 文献标识码：A

单片机原理及应用的教学目标是培养学生如何将已学的单片机知识应用于面向实际工程需求的项目中的能力，促进学生的创新能力开发。[12]基于项目学习（ ProjectBased Learning，PBL）的实验教学模式是一种十分有效的教学手段，能够充分调动学生学习的积极性、加深学生对课本理论知识的理解程度，并提高学生解决实际问题的能力。[35]

我们将基于项目学习的实验教学模式运用到单片机原理及应用的实验课程教学中，取得了预期的效果。

1 基于项目学习的实施方法

1.1 改变教学模式

基于项目的学习和实践本着以项目为中心，以学生为主体，以培养学生自主学习能力、创新能力、动手能力为目标。

在教学过程中，教师指导学生小组进行资料收集和整理，确立研究进程、研究方法，讨论实施路线，学生小组独立、自主完成实践项目的各项工作，最后编写总结报告。在整个实验教学环节中，结合机电工程学院的专业特点和科研项目需求，使学生从单纯模仿到个人（ 团队） 创造、从依赖辅导到独立设计、从被动接受到主动发现，实现学生创新能力的培养和提高。

1.2 重构教学内容

在单片机原理及应用实验教学中，通过对基于以理论知识点为中心的实验项目进行内容扩充和知识点的重新整理，重构PBL教学内容。

（1）对原有实验项目进行整合，人工增加应用背景，构造出多个知识点的虚拟项目。这种迁移策略目的在于最大限度利用现有以理论知识点为中心的实验项目，确定一系列有一定深度和广度的复合问题，为这些问题增加一个虚构应用背景，作为 PBL 教学项目。

对于复合问题所包含的知識点，构造一个从容易到困难的层次，并在求解问题的时候通过子问题引导学生掌握不同层次的知识点。例如在我院的专业课单片机原理及应用和机器人基础的 PBL 教学中，项目组设计了一个教学项目—基于单片机控制的机器人小车，机器人小车由机械本体（底盘、转向机构、驱动机构等）和控制部分（转向控制、驱动控制、通信等）组成，可实现走直线、循迹、避障和PC机遥控等功能。该项目的控制系统以51单片机为核心，其设计将涉及“机械原理”、“机械设计”、“电子技术”、“传感与测试技术”、“自动控制基础”等课程知识。该项目通过定义不同的步骤，从容易到困难，并把课程中各种知识点有效的连接起来，同时机器人小车的应用背景能激发学生求解问题的热情，因此在实践中取得了较好效果。

（2）在实际应用中寻找包含相关知识点的项目，并把原有实验项目的内容以理论指导的方式加入到真实项目中。在实际应用中寻找能够覆盖教学计划中知识点的项目，并加以改造，对其中的领域知识进行细化和更明确定义。

1.3 构建实验教学环境

单片机课程的实践性很强，实验环节的教学应该引起高度重视。由于受实验场地、实验学时、实验人数等因素的限制，学生在实验室做实验大多数停留在验证性层次。为了解决这个问题，提高学生动手实能力，在实验教学中引入Proteus仿真软件和Keil C编程软件搭建的虚拟仿真平台，学生只要有台电脑，在电脑上安装了Proteus软件和Keil C软件，就可以在这个仿真平台上做虚拟实验，实验场地、实验时间不受限制，实验内容也不受限制，既可以是基本实验，也可以是综合实验、设计实验、创新实验，这样为实践性教学内容设计带来很大灵活性。在实验过程中，学生需要根据实验内容要求，利用Proteus软件提供的元器件模型和外设模型设计硬件电路原理图，在Keil软件中编写程序代码，最后联合调试观察实验结果，有的实验需要利用虚拟仪器仪表的输入输出效果辅助检测实验结果。这样的教学方法，让学生既了解单片机应用系统的硬件电路结构，又锻炼了编程能力，同时给学生提供了更大的设计、创新空间。

1.4 项目设计与实践

教师预先准备 12个左右的设计项目，其中4个是必选基础类实验项目，8个是综合性设计项目，学生自由组成小组，提倡每个学生组自主提出设计项目，同时，当教师认为学生的设计项目具备可行性时，学生组采用主动设计项目；反之，学生组从预先准备的8个综合性设计项目中选择一个。项目设计要考虑到其知识容量，实践难度，与课程的关联程度等，各个题目之间应该尽量均衡；既要满足课程知识构建的需要，也要根据机电工程学院的专业特点，设计综合性的题目；设计的题目需要有一些扩展性，给学生的思维扩展和独立探索留有空间，充分考虑学生的自主要求。

每组学生需要对题目进行全面分析和讨论，在正式实施前，要进行由课程组全体老师组成的开题答辩，对整个项目的可行性进行论证。之后学生在机电工程学院实验中心（河南省实验教学示范中心）开展项目研究，完成电路设计、制作、程序设计、调试、改进、完善等，最终提供规范的设计总结报告，进行结题答辩及实物展示。

为及时解答学生在项目实施过程中遇到的问题，每周安排一个下午或晚上由任课教师、实验指导教师和全天候由教学助手（由年轻老师或是高年级本科生担任）为学生答疑，以使学生遇到的问题及时解决，保证项目的进度。

1.5 考核评价方式

创新考试模式的改革，克服死记硬背，一张试卷定成绩的弊病，重点放在考查学生实际的软硬件设计能力的考核上。总成绩由平时成绩5%+期中成绩15%+综合性设计20%+实验20%+期末试卷40%成绩组成，除考查学生掌握基本概念、知识点的情况外，重点考察实际的软、硬件设计与调试能力。

基础类实验项目采用实验出勤20%+实验过程表现40%+实验报告40%的考核方式，综合性设计项目采用硬件电路原理图30%+软件运行30%+系统运行40%的考核方式，由任课教师、实验指导教师和教学助手组成项目验收组，听取每个小组的研究总结汇报，并经过提问、答辩、点评和实物演示等互动，进一步分析讨论各个题目完成的情况、存在的问题、其他解决方案以及优化改进的措施，同时由教学助手做好答辩记录。最后老师根据考核方式及各小组题目的难易程度、预期目标的实现情况、答辩情况和最终结果以及提交的总结报告等资料情况，讨论确定各小组的成绩。

我们的考核方法尽量做到全面、公平，当然仍需要进一步在教学实践中改进和完善。

2 实施效果

基于项目的学习大大地激发了学生对该课程的兴趣，有效提高了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，同时教学效果得到明显提升。基于项目的学习培养了学生的创新思维，提高了自我学习能力和终身学习能力。项目实施中鼓励学生自主设计题目，对原有的题目进行改进，这充分挖掘学生的创造力。

基于项目的学习锻炼了学生团队合作的能力。项目的实施是以小组为单位，分工合作。在这个过程中，小组成员为了共同的目标而努力，相互之间建立充分的信任，共同面对问题，调动团队成员的所有资源和才智完成项目的实施。

经过项目学习模式的洗礼，学生们提高了动手能力，培養了创新思维和团队协作能力。

以项目为驱动，组织学生参加全国及河南省内专业设计比赛。

如以《基于单片机控制的机器人小车》为项目驱动，组织学生参加河南省第一届河南省大学生机器人竞赛，并获得一等奖和二等奖的成绩。

以《硬币分拣机》为项目驱动，组织学生参加第七届全国大学生机械创新设计大赛河南赛区预赛，获得一等奖1项，二等奖2项，三等奖1项的好成绩以及第七届全国大学生机械创新设计大赛二等奖；

以“网店商品自动包装机”为项目驱动，组织学生参加第七届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2016）竞赛，获得三等奖等。

3 结语

基于项目学习的实验课程教学改革创新与实践在新乡学院机电工程学院已经开展 2 年，通过课程实践，学生更加深入地理解了单片机原理，掌握了单片机应用的基本知识，一致认为课程学习后收获大，开课价值高。但是在同时有多门专业课程要修读的情况下，如何使学生能够既完成本课程项目又不至于占用过多时间，如何加强各小组间的交流等问题，值得我们在改革中思考和完善，并推广应用到更多的专业课程。

参考文献：

[1]邓明华，葛蓁.基于项目的学习模式在单片机课程教学中的应用研究[J].科教导刊，2014，7：9697.

[2]于大泳.基于Proteus 的机械工程专业单片机课程教学改革探究[J].教育现代化，2017.2（06）：2930.

[3]孙敏，张亚丽.PBL 教学法在血液学及血液学检验实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2009，28（11）：167169.

[4]高胜利，赵方方.PBL教学模式与高素质创新人才的培养[J].实验室研究与探索，2007，26（5）：8386.

[5]董介春，于瑞涛，卫成兵.“基于项目学习+”的“虚拟仪器技术”课程教学模式[J].电气电子教学学报，2017，39（1）：4244，55.

基金项目：2015年河南省教育技术装备和实践教育研究。课题编号：GZS093（河南省教育厅 教技装[2016]35号）；新乡学院青年骨干教师资助计划项目（1244160014）

作者简介：付会凯（1980），副教授，硕士，研究方向：机电一体化信息处理与控制技术。