項目團隊教學法在嵌入式單片機課堂的探索與實踐

陳 軍， 韓清華， 楊安迪， 孟洪兵， 施明登

（塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引 言

嵌入式單片機課程是一門綜合性、實踐性、應用性非常強的課程，在物聯網工程、電子信息工程、自動化等工科專業占據著非常重要的地位，是提升學生實踐動手能力的必修課程［1-3］，而實踐教學對于培養學生的工程素質和創新能力尤為關鍵，關系著課程整體教學質量以及人才培養目標能否高標準實現。為進一步落實全國教育大會和新時代全國高等學校本科教育工作會議精神，我校提出工程專業教學改革計劃，強調提高實踐教學比重，進而強化實踐能力培養，為社會培養專業型、實踐型人才。

1 傳統教學實踐中存在的問題

本校以往嵌入式單片機實踐教學環節采用課內實驗或課程綜合設計，實驗內容單一，工程背景不強，對訓練學生綜合實踐能力程度不夠。要強化實踐教學，不僅僅是要提升實驗學時學分，更是要以學生為中心、以目標為導向、以實踐為目的［4-7］。目前在嵌入式單片機傳統教學中存在以下幾點問題：

（1）實驗教學要求低，主要以學生理論驗證和基礎實驗技能掌握為要求，造成學生對嵌入式單片機技術理解不夠透徹，缺乏創新性實驗和切合生產實際的實驗設計。

（2）入門資料陳舊，傳統嵌入式單片機入門資料與現代單片機脫節，隨著技術發展，新一代單片機性能更加優越，入門更加靈活，可教學用教材還是使用傳統教材匹配的早期低性能單片機，學生學完入門后，接觸新的產品相當于重新開始學，與前期基礎脫節。

（3）實驗教學環節中缺乏引導，現有模式為老師做學生看，然后學生根據老師演示步驟，逐一復現，缺乏主觀能動性和創新性，學生學習激情不夠。

（4）學生成績評價機制不健全，對于實踐教學課程，教師對學生的評價機制以學生實驗能否正常完成為準，所有學生做同一標準的實驗，缺乏鼓勵學生創新實驗機制。

2 嵌入式單片機課程教學改革

鑒于傳統教學實踐中存在的問題，如何激發學生學習興趣，強化單片機的工程應用能力，成為當前嵌入式單片機實踐教學改革中一個亟待解決的問題。

2.1 構建以工程問題為導向的基礎驗證實驗

隨著電子技術的發展，越來越多的嵌入式電子產品進入人們的生活，這也意味著社會對單片機的應用需求日益提升［8-10］。單片機的最終目的是服務社會，傳統單片機實驗主要是以簡單驗證實驗為主，如流水燈、時鐘、溫度檢測、電機控制等，而隨著社會發展，這些產品性能穩定，技術成熟，學生學完這些實驗很難體現創新性學習成果。因此，要提升學習興趣，應緊貼社會發展，設計一些脫胎于實際生產環境的工程問題入門實驗，能夠讓學生直觀體驗到實驗設計就是服務實際生活，甚至可以直接服務自己平時生活，如疫情期間頻繁使用測溫槍，能否設計一個集溫度測量、時間顯示、步數計算為一體的電子手環，方便出行監測體溫，這種小項目的設計會極大激發學生學習動力，以目標為導向學習。

2.2 采用入門主流工業級單片機為教學內容

在高校電子類教學中多采用低性能8 位單片機為嵌入式學習建立基礎，有大量的成熟教材，廣泛的示例，同時由于以前實際工程項目是以8 位單片機為主開發的，但按照莫爾定律，電子行業每18 個月更新換代，發展到如今，工程生產中項目開發用8 位單片機已經滿足不了實際生產控制的性能需求，如要求實時響應快、圖像采集、無線數據傳輸、傳感器組網等場景［11-13］。隨著高性能32 位Cortex-M系列單片機的成熟與教材普及，其學習的難度不斷降低，如意法半導體公司的STM32F系列單片機在板上集成在線調試器，提供了大量的示例源代碼，開發了豐富的函數庫，兼容大部分主流傳感器，非常方便開發工業級應用，已經占據了主流市場。在此背景下，學生改學高能性主流單片機，入門難度低，學習資源豐富，不僅可以掌握完成8 位單片機的功能，還可以進一步拓展實驗設計完成更貼近工業控制的實際應用，進一步加強與實際生產的聯系，為步入社會積累設計經驗。

2.3 促進項目團隊式實驗設計

單片機的實驗是檢驗其學習能力的重要依據，但傳統單片機實驗設計種類少，實現難度低，模式固化，很難檢測學生學習能力與創新能力。因此本文提出項目團隊教學，老師只教授基礎實驗知識，引導學生掌握學習能力，夯實實驗基礎，然后鼓勵學生建立項目團隊，以合作開發方式自主設計實驗、創新實驗、發揮頭腦風暴、密切聯系實際生活、完成實驗項目開發。老師只需要幫助學生審閱項目實現難度，合理選題即可。這樣可以避免固化學生思維，讓每個學生發揮主觀能動性，通過自己的閱歷設計感興趣的實驗項目，然后以此為目標設計開發，在此過程中訓練學生團隊協作、文獻查閱、任務分配、代碼設計、進度把控等各方面能力。以項目團隊為載體，從項目的構思、提出、設計、實施和運行5 個過程來培養學生的工程實踐能力，同時把與工程實際密切相關的創新意識、自學能力、經濟因素、團隊合作、總結與表達等因素的綜合素質教育貫穿于課程設計的教學活動中［14］。例如設計完成人體溫度紅外測溫槍項目，該題目在教學過程中可分為課題背景、方案論證、方案設計、方案實現和總結5 個階段進行教學，分別對應工程項目中的構思、提出、設計、實施和運行5 個過程。①課題背景階段，團隊通過了解調研使用背景、設計要求和常見設計方案，對不同的實現方案進行交流探討，并結合團隊實力分析其可行性。主要培養學生項目分析、團隊合作以及項目把控能力。②方案論證階段，團隊調研方案成本確認實施難度，分析不同設計方案的優缺點，選擇相對最優方案。主要培養學生文獻閱讀、成本控制、技術認知能力。③方案設計階段，團隊通過軟硬件結合，對整體方案進行驗證確認，對各功能模塊實驗設計，確認成熟可行的設計方案。主要培養學生系統整體設計、實驗方案設計、軟硬件設計能力。④方案實現階段，團隊采用紅外溫度傳感器、按鍵、有機發光顯示器（OLED）、蜂鳴器、藍牙傳輸模塊、單片機設計實現最終邏輯電路，調試各模塊功能，完成系統整體設計功能。主要培養學生程序編寫、傳感器使用、硬件焊接、邏輯思維、系統調試能力。⑤總結演示階段，由團隊介紹紅外測溫槍設計原理并演示其功能，總結提交設計報告，該項目設計框圖如圖1所示。主要培養學生知識綜合應用、文字語言表達能力。項目團隊教學法不僅提升學生實踐動手能力，還從其他各個方面強調了學生綜合素質的培養。

圖1 人體溫度紅外測溫槍項目框圖

2.4 完善以團隊創新實驗成果為標準的成績評分機制

單片機課程的學習更加注重學生實踐動手能力的培養，而完善的實驗成績考評機制是有效體現學生學習成果的重要手段［15］，所以在團隊創新實驗成果最終的成績評定機制中要重點考查學生理論理解能力、自主學習能力、實驗創新能力、實際動手能力、演示時的語言表達能力、文字組織能力。傳統實驗評分是重在實驗結果演示、實驗報告撰寫，沒有深入考察學生學習能力、創新能力等綜合能力，所以進行了改革，提出要結合該團隊實現的項目難度、創新度、對問題理解的深度、對項目的熟練程度、答辯時的綜合表現給出教師專業的評分，以團隊創新實驗成果為評判標準，貫通整體培養環節。在考核評分中，除指導教師給出專業評價外，還要采取團隊成員之間的互評取平均的方式，對項目分工、承擔項目任務大小、成員能力大小等作出匿名打分，該項目的實施過程由團隊成員全程參與，所以對每個成員的表現都有清晰認識，對成員在項目中的表現更加了解，評價更加客觀、真實，綜合考評成績由兩種分數加權得出，具體考評成績構成依據如表1 所示。

表1 以團隊創新實驗成果為標準的成績評分機制

3 項目實踐效果

項目團隊教學法在物聯網工程和通信工程專業兩屆12 個班級450 余人的嵌入式單片機課堂實踐驗證，通過多方渠道征集項目團隊教學法實施效果反饋發現，學生們普遍反映對嵌入式單片機課程提升了學習興趣，開始主動積極自主鉆研相關知識，并開始利用課余時間進行項目實驗與嘗試，學習興趣濃厚，學習熱情高漲，通過課程學習，基于項目教學法對學生的自主動手能力、查閱資料能力、團隊協作能力都有了明顯提升；從延伸效果來看，這兩屆學生參加各類課外學術競賽如藍橋杯、大學生電子競賽、挑戰杯、大創的人數均創歷史新高，參與度明顯提升，同時學生專利申請、論文發表數量持續上升，這也從側面反映了學生綜合能力的提升。但也有同學反應課堂理論學時減少，學習吃力，合作效果差等情況，這也是教學改革中不可避免的部分，在后期教學中，還將繼續完善項目團隊教學的弊端，爭取實現知識傳授全方位覆蓋無死角。

4 結 語

根據工程教育專業認證理念，工程類實踐教學以學生知識、能力、素質的全面協調發展為導向，以基礎到創新的實驗教學規律為主線［16］，項目團隊教學法正是體現了以學生為中心，以實際項目為載體，以培養學生實踐能力為目的的教學理念，通過項目加團隊，引領學生入門在課堂、創新在生活、實踐在團隊，全面促進學生全方位綜合發展。通過對嵌入式單片機這門實踐性較強的課程實踐項目團隊教學方法，可以極大地提高學生學習的主觀能動性，激發學生學習激情和創新能力，從而有效提升單片機教學質量，這也是學生在各類學科競賽取得優異成績的有力保證。