基于項目驅動和教賽相長的教學改革探索
——以“單片機原理與應用”課程為例

李麗華，王成蓉

（成都錦城學院電子信息學，四川 成都 611731）

“單片機原理與應用”課程是電子類專業和物聯網專業的一門專業核心課程，是硬件類課程的基礎，在整個課程體系中起著重要的銜接作用。單片機課程知識內容多，相關知識涉及“數字電子技術”“模擬電子技術”“電路基礎”“印刷電路板制圖”等電路類的課程，也涉及“C語言”等程序類的課程；單片機的后續課程如“嵌入式系統設計”“傳感器與RFID技術”“物聯網通信技術”“嵌入式實時系統”等是專業課程的基礎，同時還是“嵌入式綜合項目設計”“物聯網綜合項目設計”“人工智能綜合項目設計”等綜合實踐類課程的基礎，可以看出，“單片機原理與應用”課程在整個人才培養體系中承上啟下的重要地位。

傳統的單片機課程教學中，存在教師實踐應用面不夠、教學方法陳舊、考核方式覆蓋面不足，無法做到教考一致等問題。在創新創業教育改革的背景下,為實施“一體多翼”人才培養模式和實現應用創新型人才培養目標，對單片機課程的教學內容進行精心設計、對教學方法進行改進、對教學評價進行規整都勢在必行。

“單片機原理與應用”課程是一門應用性、實踐性和綜合性很強的課程。近年來，在教育部和工信部舉辦的各項大學生競賽，如全國電子設計大賽、互聯網+、智能車、機器人、光電設計、飛行器大賽中，基本都會涉及這門課程內容。在校級主辦的各類科技小制作中，這門課程所學的內容也發揮了重要作用。熟練掌握單片機技術和系統設計能力，不僅有助于提升學生的知識技能和創新實踐能力，更有利于提高學生的專業素養，滿足社會對應用型人才的需求。

分析近年來的比賽題目，以全國電子設計大賽為例，比賽題目為“送藥小車”“坡道小車”“風力擺”“電磁炮”“無線充電小車”“滾球控制系統”，不難發現，每年的賽題有難度增加的趨勢，單片機教學迎來了新的挑戰、單片機與相關技術的融合成為了一項重要的應用技術。針對“單片機原理與應用”機課程傳統教學中存在的問題，結合如今飛速發展的網絡手段，MOOC、翻轉課堂以及高階教學的一系列措施，本文提出了一種基于項目驅動法和教賽相長相結合的新教學模式，經過兩年的實際教學實施和總結，從學生反饋、學生成績、學生作品、比賽成果等多方面，都反映出本門課程的教學改革是行之有效的[1-2]。

1 教學與產業需求的對標

經過近3年開展“專業課程設置逆向革命”，對電子信息類專業的就業、崗位、薪酬、行業進行分析，從《電子類大學生就業崗位調查報告》及人才培養方案中不難發現，“單片機原理與應用”課程是電子信息類及相關專業的重要核心課程，在企業的實用性很高，如何將教學與企業的實際應用聯合起來，值得探討。借助校企合作的力量，開展多方面深度合作，教師參與到企業中，與技術人員一起完成技術研發，同時將企業的實際項目作為教學案例納入課堂教學，讓學生接觸企業，理解理論知識的實際應用。校企共建實驗室，配備與企業應用相同或相似的開發板，校企共同攥寫實驗手冊，確定具有企業實用性的實驗內容。

2 知識點的項目化梳理

利用項目進行教學，需要學生具有一定的專業基礎知識，建議在“單片機基礎”課程開課4周后開始實施，并且需要重組教學內容。不能全按照教材中的章節來劃分教學內容，而應歸納出項目相關的知識點，在相應的項目教學開始前，先將對應的課程知識點學好，然后通過項目對知識點進行實踐訓練，提升實踐能力。

3 項目題目選擇實用化

項目設計和選擇以課程培養目標為依據，以社會需求為導向，以提升學生的核心競爭力為目標，重在培養學生解決生活實際問題的能力、分解復雜問題能力、舉一反三能力、團隊合作能力和軟硬件動手能力。在項目題目的選擇方面，力求從實用性出發，選材來源于生活，將實驗應用于生活?；诖?，選擇了以下項目：LED燈的控制、按鍵控制燈的亮滅、流水燈、溫濕度測量、串口顯示、LCD屏幕顯示等。

4 項目難度層次化

傳統的實驗教學模式是教師帶著學生邊講邊練，驗證性實驗約占80%。這種方式無法滿足學生個性化培養的需要，無法激發學生學習的內驅力，學生多數是淺層學習，缺乏解決復雜問題的能力，不具備核心競爭力和核心素養。

為了提升學生的綜合實踐能力，根據項目的復雜度和覆蓋知識點的情況，采用循序漸進的方式，將項目分為3個層次，對每個層次采用不同的教學方法進行線上、線下混合教學。這3個層次分別為基礎型項目、進階型項目和綜合應用型項目。

基礎型項目中典型的項目為程序包的安裝、點亮/熄滅LED燈、串口顯示姓名學號等?；A性項目根據初學者的特點來設計，目標主要是掌握單片機的基本知識點。這一層次項目功能簡單，易于實現，能夠調動學生的學習興趣，引導學生快速入門。由于這一階段學生的知識積累較少，可以采用常規教學，教師帶領并加強指導。具體實施流程可以歸納為：教師講解關鍵知識點—配套實驗手冊—學生根據步驟練習—教師及時解決學生提問—總結易錯點、重難點，如圖1所示。

圖1 基礎型項目具體實施流程

進階型項目中典型的項目為流水燈的制作、按鍵控制燈泡的亮滅、PWM制作呼吸燈、溫濕度信息采集等。由于上一階段對知識進行了積累，這一階段可以適當放手，讓學生思考解決問題的流程和方法。實施流程為：教師講解基本知識點—給出實驗項目要求—教師引導分析題目—學生思考解決思路—師生探討可行性—學生書寫程序—調試運行—教師總結。

綜合應用型項目如簡易智慧家居項目設計，可根據難度（如表1所示）給出項目要求：要求學生制作的智慧家居包括單片機控制燈泡的亮滅、單片機控制風扇的轉動、單片機控制電機的轉動（模擬窗簾的開關）。分組討論教學用在這一階段比較合適，通過團隊協作共同完成既定任務。教師講解相關知識點—給出實驗項目要求—學生分組討論—學生撰寫項目實施方案—師生討論確定方案—學生撰寫程序—調試運行—學生總結匯報—教師點評。

表1 難度等級

興趣愛好型項目如自制電動小車，可以要求學生自行組裝小車模型，用單片機模塊、電機、紅外等搭建硬件平臺，控制小車前進、轉彎、避障等。學生還可以自行構思，根據自己的要求設計小車的功能，搭載不同的硬件平臺。此項目可作為選做項目或者加分項目，采取一定的獎勵措施，安排在課后由學生討論完成，重點讓學生進行深度學習。這一階段重在培養學生各方面的能力，比如學生溝通協調能力、團隊合作能力、攥寫方案、動手能力、器件認識能力、電路理解能力、書寫程序能力、調試程序能力、口頭表達能力等。實施流程可以為：教師給出項目要求—學生分組討論—學生確定方案—購買相應硬件器材—自行組裝—自行編寫程序—自行調試運行—展示作品—學生答辯講解實施方案。

5 教賽相長，以賽促賽的實施

“單片機原理與應用”課程內容多，只靠課堂上學習，僅能夠學習一些皮毛知識，比如4學分的課程，能學習到的內容最多包括GPIO、串口、PWM、定時器、ADC、DMA，每個部分應至少做一個實驗進行鞏固。為了提高學生動手能力，督促學生們進行深度學習、自主學習很有必要，因此，在講述知識點的同時，重在教思路和教方法，注重培養學生深度學習能力。

在“單片機原理與應用”課程結束前，開展一場科技小制作比賽，極大地提升學生的實踐能力和綜合知識應用能力。比賽內容可以是生活中的一些小器件，如超市收銀機的小型模擬、電子體脂稱、音樂氛圍燈、紅外計數器、自動感應門、音樂小鬧鐘、智能小夜燈等。功能不需太復雜，但是必須做出成果，在做的過程中，讓學生自行查閱相關資料，學習硬件連線方法，書寫學習程序，解決常見的軟硬件問題。

為了提高學生們的興趣，還可以將比賽題目與創新創業聯系起來，由學生自主設計小器件，學生可以根據特殊場景設計個性化的電子產品，讓學生做設計的同時看到商機。

賽題可以采用“命題作文+自主題目”形式，組織比賽時學生可參與進來，教師作為評委。評選學生作品，推選出一批優秀的學生，為參加省級、國家級比賽做準備。形成以賽促賽“課程比賽—校賽—省賽—國賽”的人才培養模式，如圖2所示。

圖2 以賽促賽的人才培養模式

6 以賽促教，全員參與

據統計，參加學科相關比賽的學生一般占10%～20%，如何增加比賽的受眾群體一直是一個重要的研究問題。結合“單片機原理與應用”課程，在課堂設計中，追蹤技術前沿，關聯課程相關的國賽和省賽相關技術，更新教學內容。筆者非常注重對比賽的反饋，按照梳理→分解→反思→分類→加工→聚合步驟進行重構，將比賽任務分解到課程，再細分到知識點，以縮小版的賽題來設置高階翻轉課題，做到教賽融合，以賽促教；在課程中植入比賽元素，開展全員翻轉教學，提升課程的應用性，提高教學質量，提高學生對知識的掌握度，實現以賽促學，而比賽的輻射面也從20%提高到100%，全員受益。

7 建立以賽促學的內循環，建立生生傳幫帶

當年的比賽結束并不代表真正結束，下一年的備賽工作才剛剛開始。比如電子設計大賽因為有時間限制，在四天三夜中，有的小組僅僅實現了賽題中的小部分功能，還有很大的提升空間，趁著學生的任務勁頭未減，抓緊做好賽后硬件作品完善、軟件資料的整理和歸檔工作，從完善作品中提升自身的能力。

選派技術能力優秀并且表達能力強的學生擔任培訓師，為下一年級的學生開展培訓，并參與備賽關鍵技術MOOC視頻的錄制。選派學生開展賽事專題講座，發揮學生的影響力；鼓勵參賽小組跨年級組隊，建立高年級帶動低年級共同備賽、參賽的機制，做好技術傳承，如圖3所示。

圖3 以賽促學示意圖

8 建設以深度學習為目標的多元化實踐評價模型

“單片機原理與應用”課程的實踐環節比例較大，本校設置的理論與實踐課程比例接近1∶1，建立健全實踐課程的評價體系，加強實驗教學的過程管理，打造以學生深度學習為目標的、集課程比賽、實驗操作檢查、實驗考勤、實驗任務點、實驗報告、分組討論情況、高階作品情況等一體的多元化實驗考核評價模型。

9 做好反芻，促進教學

線上教學時，通過布置任務點、查看視頻觀看率，對學生的作業進行批改，課前掌握學生的學習情況，分析和反饋學習數據，實時修訂教學內容和教學方法。使用雨課堂等布置作業，實時生成作業報告和優秀學生、低分學生名單，及時了解學生掌握知識的情況。在課前、期中、期末，以問卷的方式統計學生學習情況、課堂投入情況、實踐課程等，及時對問卷數據進行分析，反饋教學，提高課程教學的反芻比。

除了“項目驅動”和“以賽促學”2種教學方法，日常教學中，應加強線上課堂的建設，豐富課程相關的MOOC資源，建立健全試題庫、作業庫、項目任務庫，利用網絡上的精品課程資料開展線上翻轉教學。在日常教學中，采用項目驅動、CBL案例教學、PBL問題導向、討論教學、頭腦風暴、以賽促學、工作過程導向等多種手段，全面調動學生的主動性與積極性，保證課堂質量。同時采用作業、考試、提問、匯報、作品制作等方式將線上線下緊密結合起來，全面提升學生的動手能力、口頭表達能力、團隊合作能力、舉一反三的能力、解決復雜問題的能力等多項非認知能力。課堂中，通過多種方式調動學生的參與度，讓學生從坐在教室聽，變為學生與教師互動，再變為學生當教師、教師作為評委，將課堂真正歸還給學生，學生成為課堂的主體，教師成為課堂的引領者，在教師的引領下，學生自主學習課程知識的同時，鍛煉學生的接受力、理解力、創造力和邏輯性思維，培養出既能適應當前產業和崗位要求又能適應產業未來發展變化要求的人才。

通過分階層實施項目教學，并以賽促學鞏固提升，形成一種混合式教學體制，這種混合教學法在“單片機原理與應用”課程教學中達到了很好的教學效果。經學情調研分析發現，和以往的教學相比，學生動手能力有較大提高；線上、線下課堂中，學生學習主動性明顯提高；線下課堂中，學生主導地位更加明顯；學生學習積極性明顯增強。期末考試平均分同比往年增加近5分。在全國性和省級比賽中，也取得了比往年更優秀的成績。綜上，將項目教學和以賽促學融合到“單片機原理與應用”課程教學中，是一種行之有效的教學方法。