融合大學生智能車競賽的《單片機原理與應用》課程改革與實踐

關鍵詞：智能車競賽；單片機課程；賽教融合；課程改革

0引言

全國大學生智能車競賽創辦于2006年，是教育部倡導的全國大學生學科競賽之一，其宗旨是培養大學生的工程實踐能力、創新能力和團隊合作意識。競賽內容以設計和制造智能車輛為核心，學生需使用微控制器作為核心控制模塊，結合傳感器、驅動電路以及算法，完成車輛自主運行在未知復雜賽道上的任務[1]。競賽包含多個技術組別，如光電組、電磁組、攝像頭組及創意組等。參賽選手需要運用電子技術、計算機編程、控制理論和機械結構設計等多學科知識，開發具有高靈活性和可靠性的智能車輛[2]。

本文以《單片機原理與應用》課程為例，研究智能車競賽與課程教學融合的路徑，以期為其他工科課程的教育提供參考借鑒意義。

1智能車競賽與單片機課程介紹

1.1智能車競賽簡介

全國大學生智能車競賽以培養學生的創新能力和實踐能力為核心，融合了控制、電子、計算機和機械等多個學科領域。參賽隊伍需自主設計并制作一輛智能車，依靠車載傳感器和控制算法，實現車輛在復雜賽道上的自主導航。競賽設有多個組別，包括光電組、電磁組、信標組等，不同組別有各自的技術要求和挑戰。比賽評判主要依據車輛完成賽道的速度、行駛精度及創新設計評分。通過競賽，學生能夠將理論知識運用于工程實踐，培養解決實際問題的能力，同時增強團隊合作精神和創新意識。

1.2單片機課程的教學需求

《單片機原理與應用》課程是電子信息類專業學生邁向嵌入式系統設計的基礎和橋梁，涵蓋了從硬件結構到軟件設計的完整知識體系。課程教學以單片機為核心，從微控制器的基本組成展開，詳細介紹CPU架構、存儲器分類及管理、定時器的配置和使用、I/O接口的功能設計，以及中斷系統的優先級與觸發機制等關鍵技術。同時，學生將學習單片機的指令系統，掌握匯編語言和C語言的編程技巧，能夠靈活運用數據傳輸、邏輯運算及程序控制等指令進行模塊化設計。

課程特別注重外設接口技術的應用能力培養，包括GPIO引腳的輸入輸出控制、ADC實現模擬信號的數字化轉換、PWM控制用于調節信號輸出的占空比以及UART實現串行通信的數據傳輸。在實驗教學中，學生通過使用傳感器、驅動電機等硬件設備，結合算法設計，完成如數據采集、信號處理、運動控制等嵌入式項目，全面提升理論與實踐結合的能力。

通過本課程的學習，學生將形成扎實的硬件理解與軟件開發技能，不僅能夠獨立設計嵌入式系統，還能夠將所學知識應用到更復雜的工程問題中，為其在未來的科研與職業發展打下堅實基礎。

2當前教學現狀與需求分析

2.1理論教學與實踐耦合關系需要改進

許多單片機課程在教學中傾向于注重理論知識的傳授，課堂教學以教師講授和教材內容為主，相對來說實踐環節可能有所不足。學生在這種模式下，對實際問題的感知可能不夠深刻，難以將所學知識全面應用于工程問題的解決。這種以理論為主的教學方式在一定程度上限制了學生動手能力的提升和創新意識的培養[3]。

2.2學生學習興趣與積極性有待提高

隨著網絡信息的豐富和娛樂方式的多樣化，大學生的學習興趣有時會受到外部因素的影響。傳統課堂教學如果內容過于單一或形式缺乏變化，可能難以充分激發學生的學習熱情。一些學生因此對專業課程興趣不足，主動學習的意愿也可能受到一定影響。

2.3多學科融合與綜合能力培養不足

現代工程項目往往涉及多個學科知識的融合，然而大學課程大多按學科劃分，缺乏跨學科協同培養的教學實踐。學生在面對復雜系統時往往無法整合多方面知識進行綜合設計和問題解決。

3賽教融合的必要性分析

面對上述問題，將學科競賽融入課程教學，通過“以賽促學”的方式能夠有效解決這些困境。

3.1增強學習的目標性和實踐性

競賽通常以明確的問題或任務為導向，學生需要通過自主學習和實踐解決實際問題。這種目標驅動的學習方式，能夠有效增強課程內容的實踐性，同時幫助學生將知識轉化為技能。例如，智能車競賽需要學生運用單片機技術設計控制系統，既提高了知識的應用能力，又直觀展示了所學內容的價值。

3.2激發學習興趣與主動性

競賽具有趣味性、挑戰性和成就感，可以極大激發學生的學習興趣。參賽學生通常需要通過自主探索、資料查閱和小組協作解決問題，學習過程更具主動性。例如，面對競賽中的技術難題，學生會主動深入學習算法、硬件調試等知識，以完成任務或提高成績。

3.3培養多學科融合與創新能力

學科競賽一般涉及多個領域的知識，如智能車競賽需要結合傳感器應用、嵌入式系統、機械控制和算法設計等內容。通過競賽，學生不僅學會整合多學科知識，還能在團隊中與不同背景的成員合作，培養綜合應用能力和創新意識。

3.4補充實踐教學的不足

學科競賽為學生提供了一個高水平實踐的平臺，可以有效彌補高校實踐教學資源的不足。競賽中通常提供真實的硬件設備、規范的項目流程和實際工程問題，學生可以在動手實踐中提高自己的工程素養和項目經驗。

4基于智能車競賽的賽教融合教學模式探索

在近年來智能車競賽的指導與備賽過程中，我們積極探索并實踐了賽教融合的教學模式，其整體架構如圖1所示。該模式以智能車競賽為驅動力，將比賽的實際需求與教學內容緊密結合，致力于培養學生解決實際工程問題的能力和創新意識。通過將競賽中的真實問題引入課堂教學，學生能夠更直觀地感受到理論知識的應用價值，同時激發了他們的學習熱情和主動性。

賽教融合教學模式以“發現問題—解決問題”為核心思路，采用動態發展的探究式學習方式，引導學生從比賽中發現技術難點，并通過團隊協作、方案設計和實踐驗證解決這些問題[4]。在評價方式上，采用多元化標準，將競賽成果、創新能力、團隊合作與過程表現等納入考核范圍，全面衡量學生的綜合素質。

這一模式不僅顯著提升了教學質量，還在學生的專業能力和綜合素養培養方面取得了良好成效。學生在競賽中的優異表現，既增強了就業市場的競爭力，也為他們進入更高水平的研究領域打下了堅實基礎。

4.1賽教融合方案設計

4.1.1模塊化教學

模塊化教學通過將課程內容細分為多個具有明確目標的模塊，將復雜的學習任務拆解為學生可以逐步掌握的知識點和技能點。例如，在智能車競賽中，課程內容可以分解為“傳感器信號處理”、“PWM控制”和“PID算法實現”等模塊。每個模塊均圍繞特定技術問題展開教學，結合競賽中的實際需求設計任務，幫助學生在掌握單一技術的同時，逐步建立多模塊聯動的系統思維。

4.1.2項目驅動

項目驅動教學以競賽任務為核心，將課程內容設計為具有明確目標的教學項目，通過完成這些項目來帶動知識學習與技能訓練。例如，“電磁循跡小車設計”項目要求學生組隊分工，通過實際設計和調試小車的各個功能模塊，如路徑識別、運動控制和硬件集成等，最終完成能夠在賽道上平穩行駛的小車。

4.1.3多元評價體系

多元評價體系通過多維度的考核方式，全面評估學生的學習成果和實踐能力。除了傳統的課程測試外，增加了競賽表現、項目報告和課堂參與等評價維度，重點考察學生的創新能力、團隊交流能力、問題解決能力和創新成果等綜合素質。

4.2賽教融合實踐檢驗

傳統教學中缺乏方案示例，本節以智能車競賽中的小車PWM電機調試為例，證明智能車競賽起到了引導課程教學的目的。在收到階段性目標以后，學生以實現電機變速轉動任務為導向，自行查閱單片機官方資料手冊中的PWM部分端口說明部分，具體原理如圖2所示。通過不斷修改和調試C代碼，學生可以實時的觀測和感受到電機的運轉狀態，加深其對算法的理解和掌握，并在嘗試的過程中發現自己在之前學習過程中的不足并加以改正。最終，通過小車各個部件的代碼調試，學生也對單片機中的常用模塊（如I/O口、中斷、定時器等功能）實現具象的理解和運用。

4.3賽教融合成果分析

通過將智能車競賽融入《單片機原理與應用》課程的教學實踐，取得以下顯著成效。

（1）學生學習興趣顯著提升。傳統單片機課程以理論講解為主，內容抽象，學生的學習興趣不高。而引入智能車競賽后，學生在課堂上更加投入，對知識的掌握更具主動性。競賽帶來的目標驅動感和實際問題解決的成就感極大激發了學習熱情。許多學生課后主動查詢相關技術資料，進行額外實驗，展示了更強的學習主動性和問題解決意識。

（2）實踐能力和動手能力顯著增強。智能車競賽的任務要求學生將理論知識轉化為實際設計方案，并通過硬件調試和算法完成目標。通過項目式教學，學生的動手實踐能力得到了顯著提升。學生掌握了傳感器選型、接口電路設計與調試等關鍵技術；學生能夠運用C語言和嵌入式開發工具編寫智能車控制程序，調試代碼與硬件協同工作，特別是在PID算法和PWM信號生成等難點上[5]。

（3）團隊協作與綜合能力提升。通過小組任務驅動，學生在項目完成過程中需分工協作，解決跨學科問題。這種教學模式培養了學生的團隊合作意識和綜合能力。小組內的角色分配（如硬件設計、軟件開發、系統集成）使每位學生都能在團隊中找到自己的定位，并學會與他人協作；在調試過程中，學生常遇到如信號干擾、路徑識別失敗等問題，通過小組討論和教師指導嘗試解決；通過撰寫項目報告、課堂展示和模擬競賽匯報，學生的技術表達和總結能力得到了顯著提升。

（4）競賽成績與學術成果。將競賽融入課程后，學生的參賽能力顯著提高，取得了良好的競賽成績。部分學生在課程學習后繼續深耕相關領域，獲得更多學術成果；部分學生通過競賽項目深入學習嵌入式技術和控制算法，撰寫了高質量的畢業論文或發表相關學術論文；參與競賽的學生在求職中表現出較強的工程能力，部分學生已在電子信息、智能制造等領域找到對口工作[6]。

5結束語

智能車競賽融入單片機課程的教學改革，不僅突破了傳統教學的瓶頸，還實現了理論與實踐的深度融合。在培養學生的工程實踐能力、創新意識和團隊協作精神方面，成效顯著。這種賽教融合模式對高校工科課程改革具有廣泛的參考價值，也為進一步深化多學科融合的工程教育奠定了基礎。