基于项目驱动和教赛相长的教学改革探索——以“单片机原理与应用”课程为例

李丽华，王成蓉

（成都锦城学院电子信息学，四川 成都 611731）

“单片机原理与应用”课程是电子类专业和物联网专业的一门专业核心课程，是硬件类课程的基础，在整个课程体系中起着重要的衔接作用。单片机课程知识内容多，相关知识涉及“数字电子技术”“模拟电子技术”“电路基础”“印刷电路板制图”等电路类的课程，也涉及“C语言”等程序类的课程；单片机的后续课程如“嵌入式系统设计”“传感器与RFID技术”“物联网通信技术”“嵌入式实时系统”等是专业课程的基础，同时还是“嵌入式综合项目设计”“物联网综合项目设计”“人工智能综合项目设计”等综合实践类课程的基础，可以看出，“单片机原理与应用”课程在整个人才培养体系中承上启下的重要地位。

传统的单片机课程教学中，存在教师实践应用面不够、教学方法陈旧、考核方式覆盖面不足，无法做到教考一致等问题。在创新创业教育改革的背景下,为实施“一体多翼”人才培养模式和实现应用创新型人才培养目标，对单片机课程的教学内容进行精心设计、对教学方法进行改进、对教学评价进行规整都势在必行。

“单片机原理与应用”课程是一门应用性、实践性和综合性很强的课程。近年来，在教育部和工信部举办的各项大学生竞赛，如全国电子设计大赛、互联网+、智能车、机器人、光电设计、飞行器大赛中，基本都会涉及这门课程内容。在校级主办的各类科技小制作中，这门课程所学的内容也发挥了重要作用。熟练掌握单片机技术和系统设计能力，不仅有助于提升学生的知识技能和创新实践能力，更有利于提高学生的专业素养，满足社会对应用型人才的需求。

分析近年来的比赛题目，以全国电子设计大赛为例，比赛题目为“送药小车”“坡道小车”“风力摆”“电磁炮”“无线充电小车”“滚球控制系统”，不难发现，每年的赛题有难度增加的趋势，单片机教学迎来了新的挑战、单片机与相关技术的融合成为了一项重要的应用技术。针对“单片机原理与应用”机课程传统教学中存在的问题，结合如今飞速发展的网络手段，MOOC、翻转课堂以及高阶教学的一系列措施，本文提出了一种基于项目驱动法和教赛相长相结合的新教学模式，经过两年的实际教学实施和总结，从学生反馈、学生成绩、学生作品、比赛成果等多方面，都反映出本门课程的教学改革是行之有效的[1-2]。

1 教学与产业需求的对标

经过近3年开展“专业课程设置逆向革命”，对电子信息类专业的就业、岗位、薪酬、行业进行分析，从《电子类大学生就业岗位调查报告》及人才培养方案中不难发现，“单片机原理与应用”课程是电子信息类及相关专业的重要核心课程，在企业的实用性很高，如何将教学与企业的实际应用联合起来，值得探讨。借助校企合作的力量，开展多方面深度合作，教师参与到企业中，与技术人员一起完成技术研发，同时将企业的实际项目作为教学案例纳入课堂教学，让学生接触企业，理解理论知识的实际应用。校企共建实验室，配备与企业应用相同或相似的开发板，校企共同攥写实验手册，确定具有企业实用性的实验内容。

2 知识点的项目化梳理

利用项目进行教学，需要学生具有一定的专业基础知识，建议在“单片机基础”课程开课4周后开始实施，并且需要重组教学内容。不能全按照教材中的章节来划分教学内容，而应归纳出项目相关的知识点，在相应的项目教学开始前，先将对应的课程知识点学好，然后通过项目对知识点进行实践训练，提升实践能力。

3 项目题目选择实用化

项目设计和选择以课程培养目标为依据，以社会需求为导向，以提升学生的核心竞争力为目标，重在培养学生解决生活实际问题的能力、分解复杂问题能力、举一反三能力、团队合作能力和软硬件动手能力。在项目题目的选择方面，力求从实用性出发，选材来源于生活，将实验应用于生活。基于此，选择了以下项目：LED灯的控制、按键控制灯的亮灭、流水灯、温湿度测量、串口显示、LCD屏幕显示等。

4 项目难度层次化

传统的实验教学模式是教师带着学生边讲边练，验证性实验约占80%。这种方式无法满足学生个性化培养的需要，无法激发学生学习的内驱力，学生多数是浅层学习，缺乏解决复杂问题的能力，不具备核心竞争力和核心素养。

为了提升学生的综合实践能力，根据项目的复杂度和覆盖知识点的情况，采用循序渐进的方式，将项目分为3个层次，对每个层次采用不同的教学方法进行线上、线下混合教学。这3个层次分别为基础型项目、进阶型项目和综合应用型项目。

基础型项目中典型的项目为程序包的安装、点亮/熄灭LED灯、串口显示姓名学号等。基础性项目根据初学者的特点来设计，目标主要是掌握单片机的基本知识点。这一层次项目功能简单，易于实现，能够调动学生的学习兴趣，引导学生快速入门。由于这一阶段学生的知识积累较少，可以采用常规教学，教师带领并加强指导。具体实施流程可以归纳为：教师讲解关键知识点—配套实验手册—学生根据步骤练习—教师及时解决学生提问—总结易错点、重难点，如图1所示。

图1 基础型项目具体实施流程

进阶型项目中典型的项目为流水灯的制作、按键控制灯泡的亮灭、PWM制作呼吸灯、温湿度信息采集等。由于上一阶段对知识进行了积累，这一阶段可以适当放手，让学生思考解决问题的流程和方法。实施流程为：教师讲解基本知识点—给出实验项目要求—教师引导分析题目—学生思考解决思路—师生探讨可行性—学生书写程序—调试运行—教师总结。

综合应用型项目如简易智慧家居项目设计，可根据难度（如表1所示）给出项目要求：要求学生制作的智慧家居包括单片机控制灯泡的亮灭、单片机控制风扇的转动、单片机控制电机的转动（模拟窗帘的开关）。分组讨论教学用在这一阶段比较合适，通过团队协作共同完成既定任务。教师讲解相关知识点—给出实验项目要求—学生分组讨论—学生撰写项目实施方案—师生讨论确定方案—学生撰写程序—调试运行—学生总结汇报—教师点评。

表1 难度等级

兴趣爱好型项目如自制电动小车，可以要求学生自行组装小车模型，用单片机模块、电机、红外等搭建硬件平台，控制小车前进、转弯、避障等。学生还可以自行构思，根据自己的要求设计小车的功能，搭载不同的硬件平台。此项目可作为选做项目或者加分项目，采取一定的奖励措施，安排在课后由学生讨论完成，重点让学生进行深度学习。这一阶段重在培养学生各方面的能力，比如学生沟通协调能力、团队合作能力、攥写方案、动手能力、器件认识能力、电路理解能力、书写程序能力、调试程序能力、口头表达能力等。实施流程可以为：教师给出项目要求—学生分组讨论—学生确定方案—购买相应硬件器材—自行组装—自行编写程序—自行调试运行—展示作品—学生答辩讲解实施方案。

5 教赛相长，以赛促赛的实施

“单片机原理与应用”课程内容多，只靠课堂上学习，仅能够学习一些皮毛知识，比如4学分的课程，能学习到的内容最多包括GPIO、串口、PWM、定时器、ADC、DMA，每个部分应至少做一个实验进行巩固。为了提高学生动手能力，督促学生们进行深度学习、自主学习很有必要，因此，在讲述知识点的同时，重在教思路和教方法，注重培养学生深度学习能力。

在“单片机原理与应用”课程结束前，开展一场科技小制作比赛，极大地提升学生的实践能力和综合知识应用能力。比赛内容可以是生活中的一些小器件，如超市收银机的小型模拟、电子体脂称、音乐氛围灯、红外计数器、自动感应门、音乐小闹钟、智能小夜灯等。功能不需太复杂，但是必须做出成果，在做的过程中，让学生自行查阅相关资料，学习硬件连线方法，书写学习程序，解决常见的软硬件问题。

为了提高学生们的兴趣，还可以将比赛题目与创新创业联系起来，由学生自主设计小器件，学生可以根据特殊场景设计个性化的电子产品，让学生做设计的同时看到商机。

赛题可以采用“命题作文+自主题目”形式，组织比赛时学生可参与进来，教师作为评委。评选学生作品，推选出一批优秀的学生，为参加省级、国家级比赛做准备。形成以赛促赛“课程比赛—校赛—省赛—国赛”的人才培养模式，如图2所示。

图2 以赛促赛的人才培养模式

6 以赛促教，全员参与

据统计，参加学科相关比赛的学生一般占10%～20%，如何增加比赛的受众群体一直是一个重要的研究问题。结合“单片机原理与应用”课程，在课堂设计中，追踪技术前沿，关联课程相关的国赛和省赛相关技术，更新教学内容。笔者非常注重对比赛的反馈，按照梳理→分解→反思→分类→加工→聚合步骤进行重构，将比赛任务分解到课程，再细分到知识点，以缩小版的赛题来设置高阶翻转课题，做到教赛融合，以赛促教；在课程中植入比赛元素，开展全员翻转教学，提升课程的应用性，提高教学质量，提高学生对知识的掌握度，实现以赛促学，而比赛的辐射面也从20%提高到100%，全员受益。

7 建立以赛促学的内循环，建立生生传帮带

当年的比赛结束并不代表真正结束，下一年的备赛工作才刚刚开始。比如电子设计大赛因为有时间限制，在四天三夜中，有的小组仅仅实现了赛题中的小部分功能，还有很大的提升空间，趁着学生的任务劲头未减，抓紧做好赛后硬件作品完善、软件资料的整理和归档工作，从完善作品中提升自身的能力。

选派技术能力优秀并且表达能力强的学生担任培训师，为下一年级的学生开展培训，并参与备赛关键技术MOOC视频的录制。选派学生开展赛事专题讲座，发挥学生的影响力；鼓励参赛小组跨年级组队，建立高年级带动低年级共同备赛、参赛的机制，做好技术传承，如图3所示。

图3 以赛促学示意图

8 建设以深度学习为目标的多元化实践评价模型

“单片机原理与应用”课程的实践环节比例较大，本校设置的理论与实践课程比例接近1∶1，建立健全实践课程的评价体系，加强实验教学的过程管理，打造以学生深度学习为目标的、集课程比赛、实验操作检查、实验考勤、实验任务点、实验报告、分组讨论情况、高阶作品情况等一体的多元化实验考核评价模型。

9 做好反刍，促进教学

线上教学时，通过布置任务点、查看视频观看率，对学生的作业进行批改，课前掌握学生的学习情况，分析和反馈学习数据，实时修订教学内容和教学方法。使用雨课堂等布置作业，实时生成作业报告和优秀学生、低分学生名单，及时了解学生掌握知识的情况。在课前、期中、期末，以问卷的方式统计学生学习情况、课堂投入情况、实践课程等，及时对问卷数据进行分析，反馈教学，提高课程教学的反刍比。

除了“项目驱动”和“以赛促学”2种教学方法，日常教学中，应加强线上课堂的建设，丰富课程相关的MOOC资源，建立健全试题库、作业库、项目任务库，利用网络上的精品课程资料开展线上翻转教学。在日常教学中，采用项目驱动、CBL案例教学、PBL问题导向、讨论教学、头脑风暴、以赛促学、工作过程导向等多种手段，全面调动学生的主动性与积极性，保证课堂质量。同时采用作业、考试、提问、汇报、作品制作等方式将线上线下紧密结合起来，全面提升学生的动手能力、口头表达能力、团队合作能力、举一反三的能力、解决复杂问题的能力等多项非认知能力。课堂中，通过多种方式调动学生的参与度，让学生从坐在教室听，变为学生与教师互动，再变为学生当教师、教师作为评委，将课堂真正归还给学生，学生成为课堂的主体，教师成为课堂的引领者，在教师的引领下，学生自主学习课程知识的同时，锻炼学生的接受力、理解力、创造力和逻辑性思维，培养出既能适应当前产业和岗位要求又能适应产业未来发展变化要求的人才。

通过分阶层实施项目教学，并以赛促学巩固提升，形成一种混合式教学体制，这种混合教学法在“单片机原理与应用”课程教学中达到了很好的教学效果。经学情调研分析发现，和以往的教学相比，学生动手能力有较大提高；线上、线下课堂中，学生学习主动性明显提高；线下课堂中，学生主导地位更加明显；学生学习积极性明显增强。期末考试平均分同比往年增加近5分。在全国性和省级比赛中，也取得了比往年更优秀的成绩。综上，将项目教学和以赛促学融合到“单片机原理与应用”课程教学中，是一种行之有效的教学方法。