單片機(jī)課程項(xiàng)目化的改革與探索

梁會(huì)軍

（湖北民族大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

一、背景介紹

新工科建設(shè)是教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)的引領(lǐng)力量，是培養(yǎng)面向未來(lái)的卓越工程創(chuàng)新人才，而其核心點(diǎn)就是提高人才培養(yǎng)能力［1-2］。單片機(jī)作為電子信息類專業(yè)的核心課程之一，在學(xué)生就業(yè)方向選擇上，具有重要影響力，因此，在課程體系中具有重要地位。特別是在當(dāng)今芯片領(lǐng)域接連遭遇“斷供”的情況下，提升芯片人才的培養(yǎng)質(zhì)量迫在眉睫，而單片機(jī)作為芯片學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，可以為學(xué)生提供很好的入門途徑。

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”作為信息類專業(yè)的必修課程，具有應(yīng)用性與實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力［3-4］。在實(shí)際教學(xué)中，針對(duì)單片機(jī)課程，很多高校都是采用理論課與實(shí)驗(yàn)課并行的方式進(jìn)行教學(xué)，一般理論課24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課24～36學(xué)時(shí)。講述內(nèi)容主要包括單片機(jī)基本概念、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、I/O口、外部中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、芯片擴(kuò)展、鍵盤、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等，實(shí)驗(yàn)也圍繞以上述內(nèi)容展開［5］。通常來(lái)說(shuō)，學(xué)生通過(guò)上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)，基本能掌握51單片機(jī)的基本應(yīng)用原理，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的基于51單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院開設(shè)有電氣工程及其自動(dòng)化、電子信息科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、光電信息科學(xué)與工程等與單片機(jī)課程密切相關(guān)的專業(yè)。其中，針對(duì)各專業(yè)，單片機(jī)課程要求不盡一致。如電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，單片機(jī)為考試課，要求明顯高于其他專業(yè)，而在電氣工程及其自動(dòng)化、光電信息科學(xué)與工程專業(yè)，則為考查課。這主要是基于電子類專業(yè)的特殊性來(lái)考慮的。學(xué)院歷來(lái)重視單片機(jī)相關(guān)課程的建設(shè)，在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中也屢獲佳績(jī)，特別是在2020年湖北省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，勇奪本科組“TI杯”，證明了學(xué)院在單片機(jī)人才培養(yǎng)方面的獨(dú)特之處。盡管如此，單片機(jī)課程仍然有許多值得改進(jìn)的地方，特別是在新工科背景下，如何全面提升學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣，從而將其作為職業(yè)規(guī)劃方向，而不僅僅是滿足于課程分?jǐn)?shù)，或者掌握一些與單片機(jī)相關(guān)的概念，是一個(gè)值得研究與探索的問(wèn)題。此外，當(dāng)前的教學(xué)環(huán)節(jié)主要是以教師講授為主，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。因此，作為一門以實(shí)踐為主的課程，單片機(jī)課堂教學(xué)必須進(jìn)行改革與調(diào)整，以適應(yīng)新工科的發(fā)展要求。

二、改革思路

為改變單片機(jī)課程的當(dāng)前現(xiàn)狀，使之適應(yīng)國(guó)家對(duì)新工科發(fā)展的要求，筆者所在課程組提出了一種單片機(jī)課程項(xiàng)目化的改革理念，立足于全面提升學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的認(rèn)知，教師、學(xué)生職能轉(zhuǎn)換，不再以傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而是引入實(shí)際工程中可能碰到的各類項(xiàng)目，將單片機(jī)課程項(xiàng)目化。每個(gè)項(xiàng)目涵蓋單片機(jī)課程中的部分知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生要完成本課程，必須先將課程項(xiàng)目“化整為零”，再“化零為整”，這樣可以讓學(xué)生了解、掌握實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)流程和實(shí)施方法，具體實(shí)施方法如下。

（一）制定一整套單片機(jī)課程改革方案，改變當(dāng)前教師講授為主、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面

當(dāng)前單片機(jī)教學(xué)思路仍以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，教師先講授單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，如基本架構(gòu)、I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、鍵盤、數(shù)碼管、A/D、D/A等，然后單獨(dú)開設(shè)單片機(jī)工程專項(xiàng)訓(xùn)練課程。這種教學(xué)結(jié)構(gòu)的不足之處在于缺乏對(duì)學(xué)生整體項(xiàng)目開發(fā)認(rèn)知能力的培養(yǎng)，絕大部分學(xué)生在專項(xiàng)訓(xùn)練課程中還是完成單片機(jī)各功能部分實(shí)驗(yàn)，教學(xué)模式單一。為此，筆者所在課程組提出“單片機(jī)課程項(xiàng)目化”的概念。課程中，學(xué)生以實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體項(xiàng)目為目標(biāo)，每個(gè)項(xiàng)目要求不一樣，使用的單片機(jī)內(nèi)設(shè)可能也不一樣，這就需要學(xué)生具備初步的項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，將項(xiàng)目“化整為零”，各小組中每個(gè)成員負(fù)責(zé)完成項(xiàng)目的一部分，最后“化零為整”，形成一套完整的系統(tǒng)。通過(guò)這種方式，學(xué)生不僅學(xué)到了知識(shí)，而且具有非常強(qiáng)的成就感，這也是對(duì)學(xué)生付出的肯定與回報(bào)。

這種教學(xué)改革模式，也對(duì)教師的執(zhí)教能力提出了更高的要求。由于課程中的項(xiàng)目來(lái)自生產(chǎn)實(shí)際，具有綜合性，因此，需要任課教師也具備項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，這與傳統(tǒng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)有很大區(qū)別。任課教師如果沒(méi)有這方面的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目的過(guò)程中會(huì)比較吃力。此外，在整個(gè)教學(xué)項(xiàng)目過(guò)程中，如何保證學(xué)生能保質(zhì)保量的完成項(xiàng)目，教師多大程度參與到具體項(xiàng)目中，需要教師針對(duì)不同學(xué)生進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，需要在教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行不懈地探索。

（二）項(xiàng)目實(shí)施

課程項(xiàng)目分組完成，每個(gè)小組由3名左右學(xué)生組成，學(xué)生自由分工，確定1名組長(zhǎng)，每名學(xué)生必須承擔(dān)項(xiàng)目某一部分的原理圖設(shè)計(jì)和程序編寫工作。課程項(xiàng)目應(yīng)該包括教學(xué)任務(wù)要求的大部分功能，比較重要的部分都應(yīng)該包含在項(xiàng)目中，如I/O口控制、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示、外部中斷等。因此，課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目應(yīng)盡可能來(lái)自教師的科研項(xiàng)目或者提煉自生活中常見的工業(yè)過(guò)程或?qū)ο螅粌H僅是單片機(jī)某個(gè)功能性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這是與傳統(tǒng)教學(xué)方法最主要的區(qū)別。每個(gè)項(xiàng)目應(yīng)充分考慮到學(xué)生的工作量和任務(wù)分解情況，綜合考慮數(shù)據(jù)采集、I/O控制、算法、就地顯示、上位機(jī)監(jiān)控等在實(shí)際工業(yè)控制中涉及的功能。針對(duì)部分接受能力較強(qiáng)的學(xué)生，每個(gè)項(xiàng)目可單獨(dú)設(shè)立選做部分。目前，擬開展的項(xiàng)目主要包括：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于51單片機(jī)的溫度巡檢系統(tǒng)、數(shù)字式電壓表的設(shè)計(jì)、基于DS1302的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)等項(xiàng)目。

（三）考核方法

傳統(tǒng)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考試成績(jī)作為課程結(jié)業(yè)成績(jī)的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)項(xiàng)目化改革的思路，這種評(píng)價(jià)方式顯然已經(jīng)不合時(shí)宜。課程改革的目的旨在全面提升學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的認(rèn)知，最終擬采用項(xiàng)目答辯方式進(jìn)行。答辯小組成員由擔(dān)任單片機(jī)課程的教師組成，也可以外聘其他相關(guān)課程教師。每個(gè)項(xiàng)目小組依據(jù)完成的項(xiàng)目，先撰寫項(xiàng)目報(bào)告，然后進(jìn)行課程結(jié)業(yè)答辯。報(bào)告要求至少涵蓋項(xiàng)目簡(jiǎn)介、任務(wù)分解情況、原理圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)設(shè)計(jì)、最終完成情況等。每個(gè)學(xué)生分別闡述自己負(fù)責(zé)的部分，從設(shè)計(jì)原理、程序?qū)崿F(xiàn)、遇到的問(wèn)題等方面進(jìn)行匯報(bào)，也可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。答辯小組依據(jù)學(xué)生答辯情況，分別從方案設(shè)計(jì)的合理性、學(xué)生掌握情況、答辯情況等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，形成最終的課程結(jié)業(yè)成績(jī)。

（四）項(xiàng)目化改革的特點(diǎn)

1.改變當(dāng)前教師講授為主的教學(xué)模式，充分發(fā)揮單片機(jī)課程實(shí)踐的特點(diǎn)，實(shí)施51單片機(jī)課程項(xiàng)目化管理，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與。

2.提前設(shè)計(jì)課程目標(biāo)，將學(xué)生以項(xiàng)目形式分組，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性及想象力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。

3.實(shí)施定期匯報(bào)制度，讓學(xué)生主動(dòng)分享自己在學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題與困難，以及如何解決這些問(wèn)題與困難。

4.改變考核模式，考核以答辯形式為主，項(xiàng)目演示為輔，同時(shí)允許項(xiàng)目失敗，但要求找到失敗的原因及潛在的解決辦法。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

單片機(jī)課程項(xiàng)目化改革對(duì)學(xué)生能力提出了更高的要求，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)組隊(duì)完成某一個(gè)課程項(xiàng)目，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能交通燈等。這些項(xiàng)目均具有一定的綜合性，難度高于獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此外，還要求學(xué)生完成項(xiàng)目報(bào)告的撰寫及項(xiàng)目答辯所需PPT。

改革實(shí)施后，課程的理論課學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)，項(xiàng)目時(shí)間為24學(xué)時(shí)。但是，除上課規(guī)定時(shí)間外，實(shí)驗(yàn)室仍繼續(xù)向?qū)W生開放，學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間來(lái)完成所選項(xiàng)目。因此，新教學(xué)模式的實(shí)施，將充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，為完成項(xiàng)目，學(xué)生必須自己制定項(xiàng)目方案、獨(dú)立完成程序編寫與調(diào)試工作。教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案制定，可以從原理圖繪制、程序設(shè)計(jì)角度給出自己的建議，保證項(xiàng)目方案的合理性，以便學(xué)生能及時(shí)完成整個(gè)項(xiàng)目。

一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)項(xiàng)目都可以分為若干子模塊，團(tuán)隊(duì)成員可以自己選擇完成整個(gè)項(xiàng)目的某一部分或某幾部分，然后項(xiàng)目負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)將整個(gè)項(xiàng)目整合，這種實(shí)施方式可以有效培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可以安排一名團(tuán)隊(duì)成員完成項(xiàng)目報(bào)告的編寫及答辯PPT的制作，最終團(tuán)隊(duì)需要有一名學(xué)生進(jìn)行PPT講述，整個(gè)團(tuán)隊(duì)一起參與最終的項(xiàng)目驗(yàn)收。

項(xiàng)目驗(yàn)收由進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)的教師進(jìn)行，也可以邀請(qǐng)相關(guān)教師參與。驗(yàn)收采用答辯形式進(jìn)行，學(xué)生需要講述整個(gè)項(xiàng)目的分解情況、每名學(xué)生的完成情況、項(xiàng)目最終的完成情況等。參與答辯的教師自由選擇自己感興趣的問(wèn)題進(jìn)行提問(wèn)，針對(duì)學(xué)生回答情況給出各自的分?jǐn)?shù)，匯總形成最終答辯成績(jī)。單片機(jī)課程評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 單片機(jī)課程成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)課程項(xiàng)目化的改革方案為單片機(jī)課程教學(xué)提供了一種全新的教學(xué)方法。目前，從筆者所在院校的實(shí)施情況來(lái)看，基本達(dá)到了教學(xué)要求，部分動(dòng)手能力較強(qiáng)或者對(duì)單片機(jī)課程感興趣的學(xué)生，潛力得到了充分的發(fā)揮，教學(xué)效果非常突出。但是也有少數(shù)組別是敷衍的狀態(tài)，這需要教師與學(xué)生進(jìn)行深入的溝通與交流。

2017年，教育部高等教育司《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，為未來(lái)高校工科教學(xué)發(fā)展指明了方向，這是高等教育發(fā)展到今天的必然之路。“工科”是本質(zhì)，“新”是取向，未來(lái)必將有更多的課程融入新工科發(fā)展的潮流之中，為實(shí)現(xiàn)祖國(guó)發(fā)展藍(lán)圖添磚加瓦。