基于項目任務驅動的單片機課程教學改革探索

付根平 朱立學 張世昂 黃偉鋒

摘要 針對當前單片機課程實驗學時少、課堂教學方法單調、學生單片機應用能力差等問題，探索一種以項目任務驅動的單片機課程教學改革方法，指導學生以小組形式開展基于單片機的項目任務研究，將單片機課程的關鍵知識點融入項目任務中，并督促學生完成項目任務進而達到單片機課程理論知識與實踐應用相結合的教學改革目標。實踐表明，改進教學方法后，單片機課程的教學效果有了明顯改善。

關鍵詞 單片機課程；項目任務驅動；教學改革；實踐應用能力

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.031

單片機課程是自動化類、電氣類、電子信息類等工科專業開設的一門重要專業課[1]，其內容包含單片機的硬件結構及工作原理、單片機的程序設計及其外圍接口電路應用設計[2]，與相關的專業課程、課程設計和畢業設計聯系緊密，是培養學生實踐能力和創新思維的基礎[3-4]，同時為學生從事自動控制系統的軟硬件設計、設備維護等工作提供技術支撐[5-6]。單片機課程的教學效果，影響學生對專業知識的綜合應用，是自動化等專業學習中的關鍵環節[7]。因此，探索行之有效的單片機課程教學改革方式，激發學生的積極性和學習興趣，使之滿足新工科發展要求的課程教學體系，是其主講教師亟待解決的難題[8]。

根據單片機課程兼具理論性和應用性的特點[9]，結合仲愷農業工程學院（以下簡稱“我校”）自動化學院的專業特色，為達到培養新工科背景下工程創新型應用人才的目標，以農業電氣化工程應用創新能力培養為主線，注重工程思維、強化實踐應用能力、培養創新精神為原則[10]，探索一種以項目任務驅動的單片機課程教學改革方法。以教師為引領、學生為主體、項目任務為驅動，指導學生以小組形式參加各種學科競賽、大學生創新創業項目，參與教師科研項目或者自擬題目，確保所有學生都加入項目組。在教師指導下，學生以項目任務為驅動，將單片機課程的關鍵知識點融入項目任務，并運用相關知識完成項目任務，開展理論與實踐相結合的課程學習，以此增加單片機的實踐應用機會，強化對單片機知識的理解和掌握，從而達到較好的單片機課程教學效果。

1單片機課程教學中存在的問題

當前，我校自動化學院的自動化、電氣工程及其自動化等專業開設的單片機課程，在教學過程中主要存在以下幾方面的問題：

1.1課程實驗學時太少

單片機課程的實驗學時安排太少。由于單片機課程的實踐性和應用性較強，其目標是培養學生應用單片機的能力，基于單片機設計各類控制系統，這就要求學生掌握并能自主設計單片機控制系統的硬件電路，編寫和調試單片機控制程序。而該課程實驗學時安排過少，教學過程中學生做實驗次數不足，難以滿足對“實踐”和“應用”的要求，導致學生不能熟練應用單片機知識開發控制系統。

1.2課堂教學方法單調

由于單片機知識點較多，但理論授課學時被縮減，且課堂教學方法仍以傳統“灌輸式”講授為主，授課內容為單片機的內部結構和工作原理、匯編語言和指令系統等理論知識，對于初次接觸單片機的學生而言，課程內容專業性太強、太枯燥，理解和掌握難度較大，只能被動接受知識，因而容易造成課堂氣氛沉悶，學生學習積極性不高，故難以取得理想的教學效果。

1.3學生單片機應用能力較差

單片機實驗課主要圍繞實驗箱開展，安排的實驗課次數較少并且都屬于驗證性實驗，缺乏設計性和創新性的單片機應用實驗。此外，大部分學生課余時間也不會主動去做基于單片機的控制系統硬件設計和軟件程序開發，參與單片機實踐應用的機會很少，因此，很難真正學好單片機課程，導致相關的實踐經驗不足、動手能力較差，所以很多學生的專業學習興趣不強，最終難以達到預期的專業人才培養目標。

2項目任務驅動的單片機課程教學改革

由于各種學科競賽和科研項目中自動控制系統大部分要用到MCS-51、DSP、STM32等單片機作為控制器，因此，指導學生參加諸如大學生電子設計競賽、“挑戰杯”等學科競賽和大學生創新創業等項目為驅動，以設計和開發基于單片機的控制系統為目標，引導學生將學科競賽主題和項目任務與單片機課程知識相結合，根據單片機控制系統的功能需求去學習和應用單片機，做到學以致用、以用促學，激發學生學習單片機的興趣，提高其應用單片機的能力，培養學生的團隊合作精神，實現新工科背景下工程創新型應用人才的培養目標。

2.1項目任務驅動的單片機課程教學改革設計

項目任務驅動的單片機課程教學改革以學生小組分擔的項目任務為導向，將單片機課程的關鍵知識點融入項目任務中。學生在任課教師的指導下，運用單片機的相關知識去完成項目任務，達到理論與實踐相結合的課程學習目標。

為了取得理想的教學改革效果，任課教師應精心梳理、提煉出單片機課程的重要內容和關鍵知識點，并拆解成若干學習單元，如表1所示。將學生按3―5人進行分組，指導他們通過參加大學生電子設計競賽、“挑戰杯”等學科競賽，大學生創新創業訓練項目、導師的科研項目、給定課題或者根據興趣自主選題，將單片機課程若干學習單元的關鍵知識點融入項目任務中，單片機的部分應用項目如表2所示。

而學生小組成員圍繞著項目任務進行分工合作，應用單片機知識，共同完成項目任務。任課教師通過線上、線下方式對學生小組的項目實施各環節進行全程監督和指導，并在學期末組織各項目小組統一答辯考核，對各組項目的任務完成情況和單片機知識應用程度進行點評和總結，該過程實施流程如圖1所示。

為了使學生更好、更高效地完成學科競賽等項目任務，任課教師需要開設專題，輔導學生查找和分析文獻資料的方法與技巧，指導學生設計基于單片機的控制系統，并引入Protel、Keil、Proteus等單片機電路設計、程序編寫和虛擬仿真軟件，便于學生仿真驗證項目任務中基于單片機控制方案的可行性，及時發現存在的問題和不足，并加以改進和完善，確保項目任務能夠順利完成。在教師指導下，學生小組完成單片機項目任務的執行過程如圖2所示。

以項目任務驅動的單片機課程教學方法，改變了傳統課堂以“灌輸式”為主的理論授課模式，能激發學生自主學習的積極性，增強學生的專業興趣，也能培養學生綜合運用單片機知識分析、設計自動控制系統的能力，加深對單片機知識的理解和掌握，同時可以鍛煉學生的創新思維，培養團隊精神和工程素養，提高學生的實踐能力，積累項目開發經驗。

2.2單片機課程教學改革內容

根據單片機課程注重實踐應用的特點，加大實踐教學環節的改革力度，提高實踐教學的比重，從教學內容、教學方法、考核機制三方面改革單片機課程的教學舉措。

①優化課程教學內容：結合我校農業自動化與電氣化應用的特點，調整優化單片機課程的教學內容，更新和補充單片機在農業控制系統中的應用案例，如農情信息監測系統、大棚灌溉控制系統；增加可供學生選擇的單片機應用項目；從單片機知識點中找出契合的切入點，融入課程思政元素，滿足新時代“三全育人”的需求。

②改革課程教學方法：相比以教師講授為主+課程實驗為輔的傳統教學方式，改革后采用課堂講授、課程實驗與項目任務驅動，線上線下相結合的教學方式，引導學生充分利用課余時間，發揮自主學習的主觀能動性。對于單片機課程中重點、難點內容仍需在課堂上詳細講授，并結合應用實例做課堂演示，增強學生的感性認識，加深對關鍵知識點的理解和掌握。

項目驅動的單片機課程教改方法，以學生為中心，任課教師對學生開展基于單片機的項目研究進行多維度、全過程指導，如圖3所示。指導學生確定合適的項目任務，引導學生將單片機課程的重要知識點融入項目任務，協助學生設計項目實施方案，引導學生查找學習資料和參考文獻，督促學生按預期進度執行項目任務。此外，通過微信、騰訊會議等方式與學生建立實時溝通、討論的線上渠道，及時了解單片機項目的執行進度，幫助學生解決遇到的問題，確保各組學生都按時順利完成單片機應用的項目任務，達到預期的教學效果。

2.3單片機教學改革效果分析

以項目任務驅動的單片機課程教學改革方法已在近2年應用于我校電氣工程及其自動化（簡稱“電氣”）專業。采用單片機課程考試成績和學生對單片機課程評教相結合的方式，對近4年電氣專業單片機課程的教學效果進行綜合評價。電氣17級～20級學生的單片機課程考試成績統計如表2所示，對比可知，教改后課程的不及格率下降了約4%，而優良率提高了8%左右，平均分提高了大概5分，顯然，教改后“電氣”專業單片機課程的教學效果有了較明顯的改善。

學生對單片機課程的教學內容、教學方式、教學效果等方面進行綜合評教的平均分在90分以上，由此可知，大部分學生對以項目任務驅動的教學方法較為滿意。此外，一些學生在學習單片機的過程中參加了相關學科競賽并獲獎，例如廣東省大學生電子設計競賽一等獎、廣東省“合泰杯”單片機應用設計大賽一等獎、廣東省“挑戰杯”大賽二等獎。

通過改革實踐，學生普遍反應收獲較大，對單片機應用設計有了更深入的理解，激發了學習單片機的興趣，提高了實踐動手能力，并且促進學生更好地將專業理論與實際應用相結合，培養了創新意識和嚴謹科學的工程素養。

3結論

以項目任務驅動的單片機課程教學改革方法，豐富和完善了單片機課程的教學手段與教學內容，解決了傳統單片機課程教學中實驗學時不足和學生實踐能力較差的問題，為學生提供了實踐與創新的機會。學生通過對單片機項目的任務分析、方案設計、實物制作和調試，既加深了對單片機知識點的理解和掌握，提高了實踐動手能力，又鍛煉了創新思維，培養了團隊合作精神，同時可以激發專業興趣。此外，單片機課程的教學改革方法可以復制和推廣到其他專業課程，為新工科背景下培養合格的畢業生做出應有的貢獻。

基金項目：廣東省高等教育教學改革項目（粵教高函〔2021〕29號）；廣東省重點領域科技研發計劃項目（2019B020223003）；農業工程學院高等教育教學改革項目（KA210314515）。

參考文獻

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