单片机课程项目化的改革与探索

2022-12-10梁会军

教育教学论坛 2022年43期

梁会军

（湖北民族大学智能科学与工程学院，湖北恩施 445000）

一、背景介绍

新工科建设是教育强国建设的引领力量，是培养面向未来的卓越工程创新人才，而其核心点就是提高人才培养能力［1-2］。单片机作为电子信息类专业的核心课程之一，在学生就业方向选择上，具有重要影响力，因此，在课程体系中具有重要地位。特别是在当今芯片领域接连遭遇“断供”的情况下，提升芯片人才的培养质量迫在眉睫，而单片机作为芯片学习的基础课程，可以为学生提供很好的入门途径。

“单片机原理与应用”作为信息类专业的必修课程，具有应用性与实践性强等特点，主要培养学生的实际动手能力［3-4］。在实际教学中，针对单片机课程，很多高校都是采用理论课与实验课并行的方式进行教学，一般理论课24学时，实验课24～36学时。讲述内容主要包括单片机基本概念、汇编语言程序设计、I/O口、外部中断、定时器/计数器、芯片扩展、键盘、A/D转换、D/A转换等，实验也围绕以上述内容展开［5］。通常来说，学生通过上述内容的学习，基本能掌握51单片机的基本应用原理，可以进行简单的基于51单片机的系统设计。

湖北民族大学信息工程学院开设有电气工程及其自动化、电子信息科学与技术、计算机科学与技术、光电信息科学与工程等与单片机课程密切相关的专业。其中，针对各专业，单片机课程要求不尽一致。如电子信息科学与技术专业，单片机为考试课，要求明显高于其他专业，而在电气工程及其自动化、光电信息科学与工程专业，则为考查课。这主要是基于电子类专业的特殊性来考虑的。学院历来重视单片机相关课程的建设，在全国大学生电子设计大赛中也屡获佳绩，特别是在2020年湖北省大学生电子设计大赛中，勇夺本科组“TI杯”，证明了学院在单片机人才培养方面的独特之处。尽管如此，单片机课程仍然有许多值得改进的地方，特别是在新工科背景下，如何全面提升学生的动手能力，培养学生对单片机课程的学习兴趣，从而将其作为职业规划方向，而不仅仅是满足于课程分数，或者掌握一些与单片机相关的概念，是一个值得研究与探索的问题。此外，当前的教学环节主要是以教师讲授为主，学生处于被动学习的状态。因此，作为一门以实践为主的课程，单片机课堂教学必须进行改革与调整，以适应新工科的发展要求。

二、改革思路

为改变单片机课程的当前现状，使之适应国家对新工科发展的要求，笔者所在课程组提出了一种单片机课程项目化的改革理念，立足于全面提升学生对单片机课程的认知，教师、学生职能转换，不再以传统的知识点作为实验项目，而是引入实际工程中可能碰到的各类项目，将单片机课程项目化。每个项目涵盖单片机课程中的部分知识点，学生要完成本课程，必须先将课程项目“化整为零”，再“化零为整”，这样可以让学生了解、掌握实际项目的开发流程和实施方法，具体实施方法如下。

（一）制定一整套单片机课程改革方案，改变当前教师讲授为主、学生被动学习的局面

当前单片机教学思路仍以传统教学方式为主，教师先讲授单片机基础知识，如基本架构、I/O口、定时器/计数器、键盘、数码管、A/D、D/A等，然后单独开设单片机工程专项训练课程。这种教学结构的不足之处在于缺乏对学生整体项目开发认知能力的培养，绝大部分学生在专项训练课程中还是完成单片机各功能部分实验，教学模式单一。为此，笔者所在课程组提出“单片机课程项目化”的概念。课程中，学生以实现某个具体项目为目标，每个项目要求不一样，使用的单片机内设可能也不一样，这就需要学生具备初步的项目管理经验，将项目“化整为零”，各小组中每个成员负责完成项目的一部分，最后“化零为整”，形成一套完整的系统。通过这种方式，学生不仅学到了知识，而且具有非常强的成就感，这也是对学生付出的肯定与回报。

这种教学改革模式，也对教师的执教能力提出了更高的要求。由于课程中的项目来自生产实际，具有综合性，因此，需要任课教师也具备项目实战经验，这与传统的单片机课程实验有很大区别。任课教师如果没有这方面的开发经验，在指导学生完成项目的过程中会比较吃力。此外，在整个教学项目过程中，如何保证学生能保质保量的完成项目，教师多大程度参与到具体项目中，需要教师针对不同学生进行区别对待，需要在教学活动中进行不懈地探索。

（二）项目实施

课程项目分组完成，每个小组由3名左右学生组成，学生自由分工，确定1名组长，每名学生必须承担项目某一部分的原理图设计和程序编写工作。课程项目应该包括教学任务要求的大部分功能，比较重要的部分都应该包含在项目中，如I/O口控制、定时器、A/D转换、数码管显示、外部中断等。因此，课程设计的项目应尽可能来自教师的科研项目或者提炼自生活中常见的工业过程或对象，而不仅仅是单片机某个功能性验证实验，这是与传统教学方法最主要的区别。每个项目应充分考虑到学生的工作量和任务分解情况，综合考虑数据采集、I/O控制、算法、就地显示、上位机监控等在实际工业控制中涉及的功能。针对部分接受能力较强的学生，每个项目可单独设立选做部分。目前，拟开展的项目主要包括：直流电机调速系统设计、基于51单片机的温度巡检系统、数字式电压表的设计、基于DS1302的实时时钟设计等项目。

（三）考核方法

传统教学以实验报告、考试成绩作为课程结业成绩的主要评判标准，针对项目化改革的思路，这种评价方式显然已经不合时宜。课程改革的目的旨在全面提升学生对单片机课程的认知，最终拟采用项目答辩方式进行。答辩小组成员由担任单片机课程的教师组成，也可以外聘其他相关课程教师。每个项目小组依据完成的项目，先撰写项目报告，然后进行课程结业答辩。报告要求至少涵盖项目简介、任务分解情况、原理图设计、程序设计、上位机设计、最终完成情况等。每个学生分别阐述自己负责的部分，从设计原理、程序实现、遇到的问题等方面进行汇报，也可以进行现场演示。答辩小组依据学生答辩情况，分别从方案设计的合理性、学生掌握情况、答辩情况等方面进行综合评价，形成最终的课程结业成绩。

（四）项目化改革的特点

1.改变当前教师讲授为主的教学模式，充分发挥单片机课程实践的特点，实施51单片机课程项目化管理，引导学生主动参与。

2.提前设计课程目标，将学生以项目形式分组，充分发挥学生的主观能动性及想象力，培养学生实际动手能力。

3.实施定期汇报制度，让学生主动分享自己在学习中遇到的问题与困难，以及如何解决这些问题与困难。

4.改变考核模式，考核以答辩形式为主，项目演示为辅，同时允许项目失败，但要求找到失败的原因及潜在的解决办法。

三、教学设计

单片机课程项目化改革对学生能力提出了更高的要求，要求学生在规定的时间内组队完成某一个课程项目，如数据采集系统设计、直流电机调速系统设计、智能交通灯等。这些项目均具有一定的综合性，难度高于独立的实验项目。此外，还要求学生完成项目报告的撰写及项目答辩所需PPT。

改革实施后，课程的理论课学时为16学时，项目时间为24学时。但是，除上课规定时间外，实验室仍继续向学生开放，学生可以充分利用课余时间来完成所选项目。因此，新教学模式的实施，将充分调动学生的主动学习积极性，为完成项目，学生必须自己制定项目方案、独立完成程序编写与调试工作。教师负责指导学生进行方案制定，可以从原理图绘制、程序设计角度给出自己的建议，保证项目方案的合理性，以便学生能及时完成整个项目。

一般来说，每个项目都可以分为若干子模块，团队成员可以自己选择完成整个项目的某一部分或某几部分，然后项目负责人负责将整个项目整合，这种实施方式可以有效培养学生的团队协作能力。项目负责人可以安排一名团队成员完成项目报告的编写及答辩PPT的制作，最终团队需要有一名学生进行PPT讲述，整个团队一起参与最终的项目验收。

项目验收由进行单片机课程教学的教师进行，也可以邀请相关教师参与。验收采用答辩形式进行，学生需要讲述整个项目的分解情况、每名学生的完成情况、项目最终的完成情况等。参与答辩的教师自由选择自己感兴趣的问题进行提问，针对学生回答情况给出各自的分数，汇总形成最终答辩成绩。单片机课程评定标准如表1所示。