项目团队教学法在嵌入式单片机课堂的探索与实践

陈 军， 韩清华， 杨安迪， 孟洪兵， 施明登

（塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引 言

嵌入式单片机课程是一门综合性、实践性、应用性非常强的课程，在物联网工程、电子信息工程、自动化等工科专业占据着非常重要的地位，是提升学生实践动手能力的必修课程［1-3］，而实践教学对于培养学生的工程素质和创新能力尤为关键，关系着课程整体教学质量以及人才培养目标能否高标准实现。为进一步落实全国教育大会和新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，我校提出工程专业教学改革计划，强调提高实践教学比重，进而强化实践能力培养，为社会培养专业型、实践型人才。

1 传统教学实践中存在的问题

本校以往嵌入式单片机实践教学环节采用课内实验或课程综合设计，实验内容单一，工程背景不强，对训练学生综合实践能力程度不够。要强化实践教学，不仅仅是要提升实验学时学分，更是要以学生为中心、以目标为导向、以实践为目的［4-7］。目前在嵌入式单片机传统教学中存在以下几点问题：

（1）实验教学要求低，主要以学生理论验证和基础实验技能掌握为要求，造成学生对嵌入式单片机技术理解不够透彻，缺乏创新性实验和切合生产实际的实验设计。

（2）入门资料陈旧，传统嵌入式单片机入门资料与现代单片机脱节，随着技术发展，新一代单片机性能更加优越，入门更加灵活，可教学用教材还是使用传统教材匹配的早期低性能单片机，学生学完入门后，接触新的产品相当于重新开始学，与前期基础脱节。

（3）实验教学环节中缺乏引导，现有模式为老师做学生看，然后学生根据老师演示步骤，逐一复现，缺乏主观能动性和创新性，学生学习激情不够。

（4）学生成绩评价机制不健全，对于实践教学课程，教师对学生的评价机制以学生实验能否正常完成为准，所有学生做同一标准的实验，缺乏鼓励学生创新实验机制。

2 嵌入式单片机课程教学改革

鉴于传统教学实践中存在的问题，如何激发学生学习兴趣，强化单片机的工程应用能力，成为当前嵌入式单片机实践教学改革中一个亟待解决的问题。

2.1 构建以工程问题为导向的基础验证实验

随着电子技术的发展，越来越多的嵌入式电子产品进入人们的生活，这也意味着社会对单片机的应用需求日益提升［8-10］。单片机的最终目的是服务社会，传统单片机实验主要是以简单验证实验为主，如流水灯、时钟、温度检测、电机控制等，而随着社会发展，这些产品性能稳定，技术成熟，学生学完这些实验很难体现创新性学习成果。因此，要提升学习兴趣，应紧贴社会发展，设计一些脱胎于实际生产环境的工程问题入门实验，能够让学生直观体验到实验设计就是服务实际生活，甚至可以直接服务自己平时生活，如疫情期间频繁使用测温枪，能否设计一个集温度测量、时间显示、步数计算为一体的电子手环，方便出行监测体温，这种小项目的设计会极大激发学生学习动力，以目标为导向学习。

2.2 采用入门主流工业级单片机为教学内容

在高校电子类教学中多采用低性能8 位单片机为嵌入式学习建立基础，有大量的成熟教材，广泛的示例，同时由于以前实际工程项目是以8 位单片机为主开发的，但按照莫尔定律，电子行业每18 个月更新换代，发展到如今，工程生产中项目开发用8 位单片机已经满足不了实际生产控制的性能需求，如要求实时响应快、图像采集、无线数据传输、传感器组网等场景［11-13］。随着高性能32 位Cortex-M系列单片机的成熟与教材普及，其学习的难度不断降低，如意法半导体公司的STM32F系列单片机在板上集成在线调试器，提供了大量的示例源代码，开发了丰富的函数库，兼容大部分主流传感器，非常方便开发工业级应用，已经占据了主流市场。在此背景下，学生改学高能性主流单片机，入门难度低，学习资源丰富，不仅可以掌握完成8 位单片机的功能，还可以进一步拓展实验设计完成更贴近工业控制的实际应用，进一步加强与实际生产的联系，为步入社会积累设计经验。

2.3 促进项目团队式实验设计

单片机的实验是检验其学习能力的重要依据，但传统单片机实验设计种类少，实现难度低，模式固化，很难检测学生学习能力与创新能力。因此本文提出项目团队教学，老师只教授基础实验知识，引导学生掌握学习能力，夯实实验基础，然后鼓励学生建立项目团队，以合作开发方式自主设计实验、创新实验、发挥头脑风暴、密切联系实际生活、完成实验项目开发。老师只需要帮助学生审阅项目实现难度，合理选题即可。这样可以避免固化学生思维，让每个学生发挥主观能动性，通过自己的阅历设计感兴趣的实验项目，然后以此为目标设计开发，在此过程中训练学生团队协作、文献查阅、任务分配、代码设计、进度把控等各方面能力。以项目团队为载体，从项目的构思、提出、设计、实施和运行5 个过程来培养学生的工程实践能力，同时把与工程实际密切相关的创新意识、自学能力、经济因素、团队合作、总结与表达等因素的综合素质教育贯穿于课程设计的教学活动中［14］。例如设计完成人体温度红外测温枪项目，该题目在教学过程中可分为课题背景、方案论证、方案设计、方案实现和总结5 个阶段进行教学，分别对应工程项目中的构思、提出、设计、实施和运行5 个过程。①课题背景阶段，团队通过了解调研使用背景、设计要求和常见设计方案，对不同的实现方案进行交流探讨，并结合团队实力分析其可行性。主要培养学生项目分析、团队合作以及项目把控能力。②方案论证阶段，团队调研方案成本确认实施难度，分析不同设计方案的优缺点，选择相对最优方案。主要培养学生文献阅读、成本控制、技术认知能力。③方案设计阶段，团队通过软硬件结合，对整体方案进行验证确认，对各功能模块实验设计，确认成熟可行的设计方案。主要培养学生系统整体设计、实验方案设计、软硬件设计能力。④方案实现阶段，团队采用红外温度传感器、按键、有机发光显示器（OLED）、蜂鸣器、蓝牙传输模块、单片机设计实现最终逻辑电路，调试各模块功能，完成系统整体设计功能。主要培养学生程序编写、传感器使用、硬件焊接、逻辑思维、系统调试能力。⑤总结演示阶段，由团队介绍红外测温枪设计原理并演示其功能，总结提交设计报告，该项目设计框图如图1所示。主要培养学生知识综合应用、文字语言表达能力。项目团队教学法不仅提升学生实践动手能力，还从其他各个方面强调了学生综合素质的培养。

图1 人体温度红外测温枪项目框图

2.4 完善以团队创新实验成果为标准的成绩评分机制

单片机课程的学习更加注重学生实践动手能力的培养，而完善的实验成绩考评机制是有效体现学生学习成果的重要手段［15］，所以在团队创新实验成果最终的成绩评定机制中要重点考查学生理论理解能力、自主学习能力、实验创新能力、实际动手能力、演示时的语言表达能力、文字组织能力。传统实验评分是重在实验结果演示、实验报告撰写，没有深入考察学生学习能力、创新能力等综合能力，所以进行了改革，提出要结合该团队实现的项目难度、创新度、对问题理解的深度、对项目的熟练程度、答辩时的综合表现给出教师专业的评分，以团队创新实验成果为评判标准，贯通整体培养环节。在考核评分中，除指导教师给出专业评价外，还要采取团队成员之间的互评取平均的方式，对项目分工、承担项目任务大小、成员能力大小等作出匿名打分，该项目的实施过程由团队成员全程参与，所以对每个成员的表现都有清晰认识，对成员在项目中的表现更加了解，评价更加客观、真实，综合考评成绩由两种分数加权得出，具体考评成绩构成依据如表1 所示。

表1 以团队创新实验成果为标准的成绩评分机制

3 项目实践效果

项目团队教学法在物联网工程和通信工程专业两届12 个班级450 余人的嵌入式单片机课堂实践验证，通过多方渠道征集项目团队教学法实施效果反馈发现，学生们普遍反映对嵌入式单片机课程提升了学习兴趣，开始主动积极自主钻研相关知识，并开始利用课余时间进行项目实验与尝试，学习兴趣浓厚，学习热情高涨，通过课程学习，基于项目教学法对学生的自主动手能力、查阅资料能力、团队协作能力都有了明显提升；从延伸效果来看，这两届学生参加各类课外学术竞赛如蓝桥杯、大学生电子竞赛、挑战杯、大创的人数均创历史新高，参与度明显提升，同时学生专利申请、论文发表数量持续上升，这也从侧面反映了学生综合能力的提升。但也有同学反应课堂理论学时减少，学习吃力，合作效果差等情况，这也是教学改革中不可避免的部分，在后期教学中，还将继续完善项目团队教学的弊端，争取实现知识传授全方位覆盖无死角。

4 结 语

根据工程教育专业认证理念，工程类实践教学以学生知识、能力、素质的全面协调发展为导向，以基础到创新的实验教学规律为主线［16］，项目团队教学法正是体现了以学生为中心，以实际项目为载体，以培养学生实践能力为目的的教学理念，通过项目加团队，引领学生入门在课堂、创新在生活、实践在团队，全面促进学生全方位综合发展。通过对嵌入式单片机这门实践性较强的课程实践项目团队教学方法，可以极大地提高学生学习的主观能动性，激发学生学习激情和创新能力，从而有效提升单片机教学质量，这也是学生在各类学科竞赛取得优异成绩的有力保证。