工程認(rèn)證背景下的高校單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

摘 要：針對(duì)工程認(rèn)證背景下高校單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，提出了以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程改革方案。以學(xué)生為中心，以實(shí)踐為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為目標(biāo)，構(gòu)建了以項(xiàng)目為載體的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容涵蓋單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法、案例教學(xué)法、分組討論法等多種教學(xué)方法相結(jié)合的方式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。大量的教學(xué)成果和長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐證明，方案可以有效地促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提高，不斷挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和精神，為工程認(rèn)證培養(yǎng)合格的工程技術(shù)人才奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程認(rèn)證；單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；任務(wù)驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

工程教育認(rèn)證體系是國(guó)際公認(rèn)的工程教育質(zhì)量保證機(jī)制，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認(rèn)證在我國(guó)是國(guó)家工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)組織的、由專門的職業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)同該領(lǐng)域的教育工作者一起進(jìn)行的、針對(duì)高等教育中工程類專業(yè)開(kāi)展的一種合格評(píng)價(jià)方式[1]。尤其是正式簽署《華盛頓協(xié)議》以來(lái)，我國(guó)工程教育在國(guó)際上的地位和認(rèn)可度得到了進(jìn)一步提高，對(duì)于中國(guó)工程教育認(rèn)證質(zhì)量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的提高具有重大作用。

單片機(jī)課程是工科類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，也是工程認(rèn)證的重要考核內(nèi)容之一。單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是單片機(jī)課程教學(xué)的重要組成部分，也是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著一些問(wèn)題[2]，如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)方法單一、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)不科學(xué)等，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3-6]。

1 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

為解決傳統(tǒng)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，本文提出了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。以項(xiàng)目為導(dǎo)向，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生為中心，以實(shí)踐為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為目標(biāo)，構(gòu)建了以項(xiàng)目為載體的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1.1 基本原則

（1）教學(xué)模型選擇

以STM32單片機(jī)為教學(xué)模型，其優(yōu)勢(shì)為：外接口數(shù)量多、開(kāi)發(fā)板集成度比較高、功能簡(jiǎn)單、資源豐富。STM32單片機(jī)憑借這些優(yōu)點(diǎn)，受到了業(yè)界的一致好評(píng)[7]。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和職業(yè)素養(yǎng)等，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的基本原則如圖1所示。

（2）項(xiàng)目選擇

項(xiàng)目是單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的核心。項(xiàng)目的選擇遵循以下原則[8]：

①項(xiàng)目應(yīng)具有工程背景，與工程實(shí)踐緊密結(jié)合；

②項(xiàng)目應(yīng)具有挑戰(zhàn)性，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情；

③項(xiàng)目應(yīng)具有開(kāi)放性，允許學(xué)生有多種解決方案；

④項(xiàng)目應(yīng)具有可行性，能夠在有限的時(shí)間和資源內(nèi)完成。

（3）任務(wù)分解

項(xiàng)目確定后，需要將項(xiàng)目分解成若干個(gè)任務(wù)。任務(wù)分解遵循以下原則：

①任務(wù)應(yīng)具有獨(dú)立性，能夠單獨(dú)完成；

②任務(wù)應(yīng)具有關(guān)聯(lián)性，能夠相互配合形成完整的項(xiàng)目；

③任務(wù)應(yīng)具有可控性，能夠在有限的時(shí)間和資源內(nèi)完成。

（4）教學(xué)方法

單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法、案例教學(xué)法、分組討論法等多種教學(xué)方法相結(jié)合的方式[9]。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法：以項(xiàng)目為載體，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極探索、不斷創(chuàng)新。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法：以任務(wù)為目標(biāo)導(dǎo)向，使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)充滿興趣和動(dòng)手創(chuàng)新的熱情，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生自主動(dòng)手的能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

案例教學(xué)法：通過(guò)分析和討論真實(shí)世界的案例，幫助學(xué)生理解單片機(jī)原理、掌握單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

分組討論法：通過(guò)分組討論，激發(fā)學(xué)生的思維碰撞，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通能力。

（5）實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。

過(guò)程評(píng)價(jià)：對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括出勤情況、實(shí)驗(yàn)完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等。

結(jié)業(yè)評(píng)價(jià)：對(duì)學(xué)生完成的項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括項(xiàng)目的技術(shù)難度、項(xiàng)目的功能實(shí)現(xiàn)情況、項(xiàng)目的創(chuàng)新性等。

1.2 教學(xué)體系設(shè)計(jì)

第一，基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是熟悉STM32的固件庫(kù)，了解單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成，掌握各個(gè)引腳所對(duì)應(yīng)的功能。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以創(chuàng)建新的STM32工程，完成CPU選型、下載器設(shè)置、添加庫(kù)函數(shù)等工作，并編寫工程代碼、生成hex目標(biāo)文件。以GPIO端口的輸入和輸出實(shí)驗(yàn)為例，在此過(guò)程中學(xué)生能夠掌握并了解GPIO接口的工作原理，還能理解詳細(xì)的管腳的電路連接原理，可以通過(guò)獨(dú)立或者矩陣按鍵控制二極管的亮、滅，以及對(duì)按鍵進(jìn)行消抖處理。

第二，設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。該部分主要是外部中斷的應(yīng)用、定時(shí)器的控制、串口的連接和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換等實(shí)驗(yàn)。以外部中斷實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象為例，學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)掌握外部中斷的運(yùn)轉(zhuǎn)方式、作業(yè)流程和觸發(fā)源，并按需編寫相關(guān)程序滿足GPIO的初始化和中斷要求任務(wù)。在定時(shí)器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生熟悉和了解定時(shí)器的觸發(fā)方式、定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)的配置、時(shí)鐘源的選擇，以及定時(shí)時(shí)間的計(jì)算方法。通過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)A/D轉(zhuǎn)換的工作流程，自主擴(kuò)展并查閱資料了解ADC初始化結(jié)構(gòu)體的配置，以及數(shù)據(jù)采集-傳輸-儲(chǔ)存的程序技術(shù)，最后將采集得到的模擬電壓值顯示在相關(guān)硬件上面，或通過(guò)串口上傳到PC機(jī)顯示界面。通過(guò)使用多個(gè)模塊也可以讓學(xué)生對(duì)知識(shí)做到融會(huì)貫通，理解得更加深刻。

第三，創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：溫室滴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電子密碼鎖的設(shè)計(jì)、直流電機(jī)控制器和多人表決器的設(shè)計(jì)，這4個(gè)題目可供學(xué)生自行選擇；同時(shí)學(xué)生需要對(duì)傳感器所需用到的通信協(xié)議有所了解，并能熟悉使用Protues進(jìn)行仿真。這類實(shí)驗(yàn)在具體操作中，可以由兩個(gè)人及以上組成一個(gè)小組來(lái)完成，比如在溫室滴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，兩人可分別編寫主函數(shù)程序和傳感器數(shù)據(jù)傳輸程序，學(xué)生在合作中能夠相互學(xué)習(xí)。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于Cortex M3的STM32系列微控制器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微控制器，具有高達(dá)72 MHz的主頻，可配置最高64 KB SRAM和512 KB FLASH，并集成了豐富的片上外設(shè)，主要包括5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、3個(gè)12位ADC接口以及1個(gè)CAN總線接口[10]。在諸多領(lǐng)域中，STM32系列微控制器占據(jù)了主導(dǎo)地位，符合“產(chǎn)教結(jié)合”的教學(xué)理念。因此，最終選擇將基于STM32F103ZET6微控制器作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)板。實(shí)驗(yàn)軟件方面，首先采用STM32CubeMX，STM32CubeMX除了能以圖形化配置的方式對(duì)所需要用到的引腳進(jìn)行分配外，還可以根據(jù)用戶需求設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘樹(shù)以及外設(shè)接口的功能，最終生成可供Keil使用的初始化程序，大大縮短了編程時(shí)間與難度。相比于51單片機(jī)的初始化設(shè)置，STM32CubeMX的出現(xiàn)使學(xué)生對(duì)于STM32的學(xué)習(xí)更容易上手。

編程軟件采用Keil Software公司的Keil μVision5。前期學(xué)生在學(xué)習(xí)C51單片機(jī)編程與應(yīng)用課程時(shí)也是在此軟件中進(jìn)行編程，使得教學(xué)效率更高。

另外，為彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件方面可能存在的不足，還采用仿真軟件進(jìn)行仿真。EDA工具軟件采用了具有豐富儀器庫(kù)的Proteus。在Keil完成編譯后，可將生成的hex文件直接導(dǎo)入Proteus中的STM32F103ZET6模塊。同時(shí)該軟件的使用也會(huì)用到電路、模擬電路、數(shù)字電路等專業(yè)課程的知識(shí)，可以讓學(xué)生將以往理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為實(shí)踐，在實(shí)踐中體會(huì)STM32單片機(jī)的魅力。

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)安排

教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的詳細(xì)內(nèi)容與重難點(diǎn)見(jiàn)表1。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案已在我校實(shí)施5年。多年的教學(xué)實(shí)踐證明，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案有效地提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中，不僅掌握了單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，還培養(yǎng)了實(shí)際動(dòng)手能力、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。同時(shí)，自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)踐也調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)積極性，從而提高了學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，為往后的學(xué)業(yè)與發(fā)展打下了良好而堅(jiān)實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)。

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