項目驅動下單片機課程理實一體化教學研究

摘要：在新一代人工智能產業革命背景下，應用型高校的人工智能課程中，單片機原理及應用課程面臨諸多挑戰，如理論內容枯燥乏味、實踐內容與理論脫節、工程應用實踐性課時不足等。為解決這些問題，文章提出了一種項目任務驅動下的理實一體化教學模式，并將其應用于理論與實踐教學中。結果表明，該教學模式能夠有效引導學生探索相關新知識，激發他們對單片機領域的學習興趣，并顯著提高學生的應用能力。

關鍵詞： 人工智能；單片機課程；項目驅動；理實一體化；教學改革

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0168-03

0 引言

信息和自動化技術領域中非常關鍵且重要的技術，廣泛應用于工業智能儀表、光機電設備、自動測量、信息處理、家用電器和軍事技術等領域[1]。結合本校作為應用型本科院校的特點，《單片機原理及應用》的教學方法必須與普通本科院校有所不同，更需要注重課程的應用性和實用性[2-3]。近年來，大部分本科和?？圃盒Ｖ械碾婎悓W生都參加了全國大學生電子競賽，在比賽中，單片機的使用幾乎成為學生選題的主流。單片機的學習和應用涉及電路分析、模擬電路、數字電路、傳感器、計算機控制技術和程序設計等方面。因此，在學習單片機系統設計的過程中，學生會回頭再學習、研究這些課程所學過的知識，學會使用其中的原理和方法。這樣的過程讓學生經歷了從理論到實踐再到理論的反復學習，從而為應用型本科院校培養具有強實踐能力的優秀學生[4-5]。然而，傳統的單片機課程教學方法存在一些問題，如理論教學方法單一、內容枯燥乏味，實驗教學與課程設計嚴重脫節等，導致教學效果不佳，無法達到預期目標。

1 單片機課程教學現狀

1.1 單片機課程理論教學內容枯燥

單片機原理及其應用課程的授課方式仍主要以教師講授理論知識為主，并按照教材章節的順序進行。然而，單片機課程具有很強的實踐性，僅憑理論教學已難以滿足應用型人才的培養需求。盡管教師在理論教學環節中，通過多媒體教學引入了案例介紹和項目工程實例，但仍不能滿足學生的實踐需求。傳統的教學普遍以學生理論知識的掌握為主要切入點和考核點，如指令系統的學習、單片機內部結構的掌握及尋址方式的理解等。這些理論內容晦澀難懂，缺乏實踐性的操作與演練，難以激發學生的學習興趣和探索知識的動力。久而久之，學生對理論知識的實踐應用能力下降，使課程內容陷入“枯燥無味、毫無用處”的怪圈。

1.2 理論教學與實踐結合不足

單片機課程的實驗教學和課程設計等實踐環節與理論教學的結合是學好該課程的重要因素，對提高學生理論知識的理解和解決問題的能力有重要影響。為了增加實踐環節教學的比重，一些高校壓縮了理論課時，加大了實驗教學課時和課程設計時長。雖然實踐環節在課程總課時中的占比增加，學生也獲得了動手操作的機會，但這些環節通常在理論課程中間穿插或之后完成，導致學生之前學的理論知識被淡忘，實踐目標不明確。而且，后期的課程實驗教學仍主要圍繞流水燈設計、中斷、定時、顯示等四大模塊展開，這些功能的實現僅限于實驗結果的驗證，缺乏探索創新的研究與討論。理論教學與實踐教學脫節，使學生難以將所學知識應用于實際工作中，缺乏與社會發展需求密切相關的新技術學習。

1.3 教學評價單一，課堂參與度低

目前，許多高校的課程考核主要分為平時成績和期末成績。平時成績由考勤、平時作業和課堂表現組成，這些過程性考核側重理論知識的考核，無法全面提升學生的綜合素養。在過程性考核中，對課堂表現環節，一般設置2到3次考核，教師通常根據學生的回答情況和討論表現進行評判，以激勵學生認真聽講。在課程測試環節中，考核也以理論知識為主，對學生應用能力的考核及激發學生探索新知識的考核尚未涉及。這種考核方式對應用型學生的培養具有局限性，無法有效提升學生的創新思維和能力。

2 單片機課程理實一體化教學新方法

為提高單片機課程的教學效果，作者采用了項目驅動模式下的理實一體化教學方法。在講授《單片機原理及其應用》課程的過程中，采用項目驅動模式下的理實一體化教學方法，即在教學過程中，將單片機課程涉及的知識綜合為三大項目、七個模塊和八個子任務。學期初期發布三大項目，學生分組查閱資料，熟悉項目要求并了解項目任務。七個知識模塊分別包含八個子任務需要完成，每次授課前，發布需要完成的子任務，學生可以先查閱相關資料。

在課堂中，教師分析子任務的特點，指出完成該子任務需要掌握的知識點和具備的能力，以激發學生的好奇心，從而提高課堂專注力。子任務實踐的完成可以再回歸到項目工程案例中，從而延伸出子任務的拓展，分析舉一反三的子任務拓展，再次總結本節所應用的理論知識，加強理解，同時發布拓展訓練任務。

在理實一體化考核中，包含過程性考核和總結性考核兩部分，從而加強師生互動聯系，掌握學生學習動態。教學方式如圖1所示。

2.1 單片機實踐教學平臺

理實一體化教學的主要構成要素包括教學目標、操作程序和實現條件[6]。該教學模式的高效運轉需要各組成要素具有可操作性，其中硬件設計是理實一體化教學的基礎。在實踐教學平臺教室里，配置有實踐教學操作所需的臺式電腦，學生可根據需求自帶筆記本電腦，以便于課下進一步實踐學習。同時，每臺電腦安裝有該課程所需的Keil編程軟件和Proteus電路仿真軟件，便于學生將單片機理論知識隨堂演練，加深理解。此外，還配備有數十套YL-51單片機學習板，便于學生進行動手實踐操作。

2.2 項目驅動下實踐環節的多樣性

在學習單片機系統設計過程中，為了促進學生回頭再學習、研究專業基礎課程所學過的知識，經歷從理論到實踐再到理論的反復學習過程。本課程分為三大項目、七個知識模塊和八個子任務，其具體設計如表1所示。

為了兼顧沒有編程經歷的學生，每個子任務都配有相應的教程與提示，并在前期課中實踐操作環節分配較多的實踐過程。同時，在學生分組前進行一定的學情分析，以便強弱搭配，輔助學習，增強學習效果。以交通燈設計項目為主線，學生先完成難度較小的子任務，逐步學習單片機的理論知識，如單片機最小系統、單片機4個I/O口控制、匯編/C語言程序設計、中斷控制、定時器、數碼管等理論知識。

以項目一中的LED閃爍控制為例。首先，課前發布子任務：點亮一個LED燈。要求學生課前查閱資料，鞏固LED燈的結構及其工作原理，了解控制LED 燈點亮的原理。同時，自行安裝該課程所需的軟件，如Proteus電路仿真軟件和KEIL編程軟件。其次，課中再次提出該任務，學生分組分享對該子任務的理解和掌握情況，然后教師根據學生反饋的信息，總結學生掌握知識的亮點與不足，從而展開本節課的知識。點亮一個LED燈需要1.8～2.4V的電壓及5～25mA的驅動電流，而單片機輸出的信號為工作電壓5V，此時需要加上分壓限流電阻，學生自行計算，大約需要680Ω 的電阻。控制點亮LED燈的原理清楚后，學習單片機最小系統的基本結構。

理論知識學習過后，進行子任務的實踐操作環節。通過學生課前對軟件的摸索學習，教師在課中演練操作一遍Proteus軟件工程文件的建立與元件的搭建，幫助薄弱學生更快上手操作。通過單個LED燈的驅動點亮，討論LED與單片機連接時的注意事項，同時引出軟件編程的重要性。例如，LED陽極端與單片機相連，陰極端與接地端相連時，單片機在沒有下載任何程序時，也可點亮。提出為什么，學生根據課前查閱的資料進行討論分析后，教師對回答正確的組進行肯定與鼓勵，對沒有準備充分的組別進行督促與激勵。緊接著，在Proteus電路設計中，改變LED的連接情況，即陽極端外接電源5V，陰極端與單片機P1.0相連，觀察現象后，提出問題：LED燈不亮的原因？給出什么樣的控制信號，即可點亮。學生再次討論，教師加以點評。根據總結編程給出一個簡單低電平指令，并下載到單片機，再次觀察結果，會發現LED燈再次點亮。通過不同硬件連接和軟件程序的對比，讓學生理解硬件設計和軟件編寫的對應關系。

最后，給出子任務拓展訓練，如何將不同接法的兩個LED燈交替點亮？需要給出不同的I/O控制信號，除了需要本節所講的最小系統之外，還需要什么控制信號？學生課下查閱資料，思考總結，將拓展訓練結果上傳至線上討論區。在為期一周的課后拓展訓練中，學生可與教師在線上進行討論，教師根據學生線上反饋的作業進行點評分析，實時了解學生的學習狀態，并獲得學生對上一節知識點的掌握情況及欠缺的地方。若是個別同學的問題，可線上交流，答疑解惑；若是存在整體問題，教師在下節課前便于整理總結整體問題，在課上集中講授。這種以項目驅動下的理實一體化教學，可以激發學生探索新知識的欲望，同時也大大解決了少課時教學帶來的上課倉促問題，并加強了師生互動交流環節，雙向提升課程教學效果。

2.3 線上線下理實一體化教學與考核

課程采用理實一體化教學方式，每節課都包括理論講解和實踐操作兩個環節。在具體教學工作中，為了驅動學生主動思考、積極動手、自主分析解決問題，學生成績由期末考試和平時成績相結合進行綜合評定。總評成績由兩大部分內容組成：

1） 過程性考核成績評定。即平時成績，占比30%，主要考核學生在課前、課中、課后完成理論與實踐作業及練習情況，以及作品分享表現附加分構成。

2） 期末終結性考試。占比70%，主要對整個學期所學內容進行一次綜合評價，包含單片機組成結構、存儲結構、中斷控制、定時顯示等理論知識的掌握和軟硬件綜合模塊應用設計的考核。

3 教學效果與評價

項目驅動模式下的理實一體化單片機課程教學已在能源工程學院2020級、2021級測控技術與儀器專業和新能源科學技術專業4個班共160名學生中開展。在2020級學生首次開展的過程中，建立了三大項目、七個知識模塊的結構體系，并采用理實一體化教學，學生在團隊合作過程中，慢慢加深領悟，逐漸進入探索相關課題的狀態。

在2021級學生實施的過程中，將項目進一步分為八個子任務，學生學習目標更加清晰，教學過程整體更加順暢，學生能夠做到課前搜集資料，帶著問題在課中討論學習，并課后總結實戰演練。從實踐結果可以看出，該級學生相關專業知識掌握情況良好，對單片機控制相關領域明顯有了探索欲望，以及進一步學習的動力。部分學生參加了2023年陜西省大學生TI 杯競賽，在以單片機為主要控制器的設計作品中，榮獲二等獎、三等獎的好成績。

4 總結

單片機原理及其應用課程是一門實踐性非常強的智能課程之一，傳統的理論教學已不能滿足新時代大學生的需求。本文通過在項目驅動模式下進行理實一體化的教學設計，將單片機原理課程從工程案例出發，分解成三大項目七個模塊及八個子任務進行展開。每節課都帶著任務進行展開討論學習，學生有了明確的學習目標，更有探索新知識的動力，同時資料的搜集與研究，讓學生了解更多相關領域的知識及其應用，激發了學生求知的熱情。該課程的改革，讓學生走出單一理論和單一實踐的脫節境況，帶著任務與清晰的目標去進行理論和實踐相結合的學習，結果表明，項目驅動下單片機課程的理實一體化教學，讓學生學習效果更明顯，主動性明顯增強。

參考文獻：

[1] 王創，林宏偉，賈奇才，等.四位一體單片機教學改革實踐探究[J].電腦知識與技術，2024，20（4）：163-166.

[2] 雷立群.信息技術背景下單片機課程教學改革研究[J].科技風，2024（3）：96-98.

[3] 張強，丁建，尚福魯.單片機原理及應用多維立體化混合式教學模式改革與實踐[J].創新創業理論研究與實踐，2024，7（2）：125-128.

[4] 李冰冰，季宏宇，張新，等.單片機原理課程的混合式教學模式分析[J].集成電路應用，2024，41（1）：392-393.

[5] 王月.單片機應用技術課程中的案例教學實踐[J].電子技術，2023，52（11）：139-141.

[6] 杜娟.基于項目任務的信息系統課程設計與實踐研究[J].電腦知識與技術，2024，20（12）：140-142.

【通聯編輯：唐一東】

基金項目：榆林學院課程建設項目（KC2318）；榆林學院本科教育教學改革研究項目（JG2463）