微項目式“單片微機原理與接口技術”實踐課程探索

摘 要：針對“單片微機原理與接口技術”課程在教學過程中存在教學方法單一、理論與實踐脫節；實踐學時少、實踐項目固化；學生工程化思維、模塊化編程基礎薄弱的問題，本文以重慶交通大學電氣工程及自動化專業和機械電子工程專業的該課程微項目式教學模式改革為案例，通過探索制定OBE課程目標、編制課程核心專題模塊、設計特定應用場景下“微項目”、開展“微項目”方案。經過實踐驗證，該方法能夠明顯提高學生的主動性和能動性，教學效果顯著提高，具有重要的理論和實踐意義。

關鍵詞：單片微機原理；微項目式；實踐課程；課程改革

中圖分類號：G642" 文獻標識碼：B

Abstract：There is a lack of teaching methods and a disconnect between theory and practice in the teaching process of singlechip microcomputer principles and interface technology；Few practical hours and fixed practical projects；The weak foundation of students' engineering thinking and modular programming is a problem.This article takes the reform of the \"micro project\" teaching mode in the electrical and mechanical electronics majors of Chongqing Jiaotong University as a case study.Through exploring the formulation of OBE course objectives，the development of core thematic modules，the design of \"micro projects\" in specific application scenarios，and the implementation of \"micro project\" plans.Through practical verification，this method can significantly improve students' initiative and proactivity，significantly enhance teaching effectiveness，and has important theoretical and practical significance.

Keywords：Principle of singlechip microcomputer；Micro project approach；Practical courses；Curriculum reform

“單片微機原理與接口技術”課程是國內各高校電子類、電氣類、控制類本科專業核心必修課程之一，內容包括計算機原理、8051系列單片機的程序設計和系統開發。該課程的主要目標是讓學生能夠了解和掌握微型計算機和單片機的基本工作原理、硬件結構、程序設計和接口技術，培養學生具備將單片機應用于機電系統控制、物聯網等系統的能力，并能夠用單片機獨立設計簡單的工程應用系統，為學生以后從事相關的開發和研究工作奠定廣闊的基礎。為后續的“電機控制”“電氣與電子測量技術”“嵌入式系統”等課程打下基礎。因此，探索有效的教學方法對激發學生學習興趣具有重要意義。

以人工智能為代表的第四次工業革命已經到來，單片微機原理與接口技術是人工智能的核心技術。“單片微機原理與接口技術”課程的內容繁多，主要涉及硬件電路、軟件編程、控制理論等多門交叉學科內容，屬于應用廣泛、實踐性強的學科，大部分學生理解起來晦澀、學習難度較大。國內有較多高校工作者對這門課程進行了教學改革研究，文獻［1］提出了基于OBE理念的單片機課程項目化教學改革研究，文獻［2］提出基于階梯化單片機課堂項目研究，文獻［3］提出了基于微項目單片機課程改革研究。文獻［4—5］提出基于項目任務驅動單片機教學改革研究。

近年來，重慶交通大學為了培養能快速適應新技術變革、支撐未來交通和交通強國的高素質工程科技人才，各個學院大力開展“特定場景下項目式教學”，以培養學生解決實際工程、生活中的真問題為導向。在項目教學實施過程中，雖然能夠較好驅動學生自主學習，打破了學生理論知識學習和實踐能力訓練的壁壘，極大程度上提高了學生主動學習的興趣。但仍然存在較多不足之處：首先，項目較大，貫穿整個課程始終，涉及較多跨專業、跨學科專業知識。項目要求學生自主查閱資料較多，學生自主探索內容繁多，而學生的精力和時間有限，導致部分學生項目完成的質量大打折扣。其次，“單片微機原理與接口技術”是專業基礎課程，開設這門課程時學生剛上大學二年級，還未構建本專業知識體系，專業素養還處于較低水平，更不具有較強的專業思維去解決問題。部分學生無目的地搜索零散信息，浪費了大量的時間和精力，增加了學生對這門課程的畏難情緒，導致學生為了做項目而做項目，忽視了專業知識體系基本框架的構建，學生專業基礎不牢靠，項目式教學模式改革停留在表面。再次，傳統項目式教學由于項目具有較強的綜合性、實踐性、創新性，對學生素質要求極高，大多數本科院校中，只有一部分學生能夠較好完成項目，因此，提高學生參與度、獲得感是項目式教學亟須解決的痛點問題。基于以上原因，本文提出一種基于微項目式驅動教學模式，并將其應用于“單片微機原理與接口技術”課程的實驗實踐教學中。首先，制定OBE課程目標；其次，編制課程核心專題模塊；再次，設計特定應用場景下“微項目”；最后，開展“微項目”教學。該模式具有讓學生容易上手、充分利用碎片化時間、項目內容階梯化等優點，克服學生對該課程的畏難心理，提高學生參與度、獲得感，提升學生學習積極性、主動性。

1 教情分析

1.1 教學方法單一，理論教學與實踐環節脫節

目前，大多數高校對于“單片微機原理與接口技術”課程仍然采用傳統教學模式，這種教學模式是以教師講授為中心，學生被動接受知識。由于這門課程涉及單片微機內部結構、原理、指令、接口技術等晦澀難懂的理論知識，學生學習效果不佳。因此，采用項目式教學能夠以項目需求為指引，有針對性地學習對應的知識點，引導學生邊做邊學。通過理論指導實踐，在實踐中理解理論，做到理論和實踐有機結合一起，教學模式由“以教師為中心”轉變為“以學生為中心”。

1.2 實踐學時少，實踐項目固化

近年來，本科專業課程學時數壓縮較多，該校電氣工程及自動化專業和機械電子工程專業“單片微機原理與接口技術”實驗教學僅有8學時。首先，這門課程屬于應用型學科，實踐性較強，學生需要較多的時間去實驗實踐才能完成系統電路設計與制作、代碼撰寫、系統仿真調試。其次，實驗硬件電路固化，多數實驗項目為驗證性實驗，缺乏綜合性、創新性。學生無須自己搭建硬件電路，導致學生缺乏主動思考，完全照搬書本電路和程序，實驗過程遇到問題也不能獨立解決，難以達到理想的學習效果。

1.3 學生工程化思維，模塊化編程基礎薄弱

目前，這門課程開設的大多數實驗實踐項目沒有工程或生活具體應用場景，缺乏工程背景的實驗項目主要以訓練學生知識為主，導致學生在從事嵌入式開發工作時，缺乏從工程應用的角度去設計產品，各個模塊邏輯關系不清晰。另外，對于匯編和C語言編程，大部分學生都有畏難情緒，導致學生在理解代碼、撰寫代碼、調試程序時困難重重。

1.4 考核方式單一，只注重結果性評價

本門課程的考核評價主要由期末考試成績和實驗成績兩部分組成。這種考核方式很難全面反映學生對本門課程的掌握情況，尤其對知識運用能力無法考查，甚至有部分學生只追求期末卷面高分成績，而忽視平時實踐環節的訓練，導致學生實踐實習積極性不高。

2 教學設計方法

2.1 制定OBE課程目標

目標1：理解單片微機及嵌入式系統在我國的現代化建設中的作用，特別是電氣工程、機械電子工程領域的重要作用，以此激發學生的愛國情懷和使命擔當。

目標2：掌握微型計算機、單片機及嵌入式系統的基本工作原理、硬件結構和計算機接口技術；具有將單片機應用于系統控制、數據采集和處理、檢測技術等領域的能力。

目標3：能夠利用8051系列單片機的開發平臺設計單片機應用軟件，進行系統仿真、調試和簡單產品開發。

2.2 編制課程主干知識專題模塊

本課程采用微項目式教學，項目設計時應考慮課程目標及課程核心知識點對應關系，結合學生專業水平情況，充分發揮“以學生為中心”的教學模式，嚴格控制教師講授與學生自主學習時間的比例。理論講授以項目驅動為指引，只講授課程主干知識體系，幫助學生建立專業知識體系框架。課程主干知識專題模塊如表1所示。

2.3 設計特定場景下的“微項目”

結合課程主干知識專題、項目經費、時間成本，以工程、生活中真實問題為導向，本課程以交通裝備（汽車）控制為特定運用場景，設置了以下5個階梯型實踐“微項目”如表2所示，部分學生作品展示如下圖所示。

項目1：汽車信號轉向燈控制設計，通過按鍵模擬左轉、右轉、應急、剎車等多種情況，用LED模擬汽車信號燈，該項目主要要求學生能從工程思維角度開發嵌入式系統，能夠理清各種情況下事件邏輯關系，項目比較簡單，學生能夠快速熟悉嵌入式開發流程；項目2：汽車安全帶報警指示燈設計，該項目是在項目1的基礎上，增加了外部中斷設計，與課程專題1、2相對應；項目3：汽車電子時鐘控制設計，該項目在前面兩個項目基礎上增加了定時器控制、顯示模塊、EEPROM；項目4：汽車增加了紅外傳感、超聲波傳感器，需要運用到單片串口通信等專題1、2、3、4相關知識；項目5：小車循跡運動控制系統設計，模擬無人駕駛，增加了電機控制、紅外信號接收等相關專題內容。

2.4 微項目式教學實施

本課程采用微項目式教學主要進行以下三點改革。

2.4.1 采用微項目式教學，實現教學內容碎片化

針對本課程知識點繁多的特點，采用微項目式驅動教學將課本分解為五個核心知識點專題，實現了教學內容碎片化，學生也可以利用碎片化時間完成各階段項目。項目既包涵了單片機相關知識，也與學校交通裝備特色運用相關聯。項目內容階梯化，循序漸進，提高不同層次學生的參與度。

2.4.2 整合優質資源，創新“教”與“學”的關系

針對傳統單片微機原理教學模式單一的問題，本次改革采用課前學習通發布任務和知識要點，課中“理實一體化”，課后反饋、交流，全方位、全過程跟蹤學生學習情況，合理控制教師講授與學生自主學習時間。整合線上線下資源，打造“以學生為中心”的教學模式，學生通過聚焦問題、自主探索、發現問題、解決問題，提高了學生的“主人翁”地位，調動了學生的主觀能動性。

2.4.3 “以優帶差”，實現學生全面協同進步

每一個項目由三名同學組成，在組隊分配時將成績優秀的學生和成績落后的學生分為一組。成績優秀的學生任項目組長，做好隊內分工與協助，把控項目進度。同學之間相互幫扶，充分發揮團隊凝聚力，挖掘個人潛能，盡快找到自己的價值。

2.4.4 “賽馬比拼”，構建多維度考核機制

針對傳統課程的考核方式進行了改革，聚焦過程與結果，建立“多維度”實踐教學評價體系。每一個項目分階段考核指標，按時考核學生的完成進度與質量。每一個項目完成后均要做PPT匯報分享項目經驗與不足，采用組內自評、組間互評、教師評價等方式選出五組優秀案例進行表彰分享。整個課程將采用階段性評價、過程性評價、目標性評價相結合的方式，評價方式多元化，包括課程提問、平時測試、項目考核等多維度在實踐能力、綜合能力、創新能力方面進行評估。

3 教學成效分析

近年來，該校電氣工程、機械電子工程專業的“單片微機原理與接口技術”課程采用微項目式教學模式改革后，提升了學生的知識運用能力、專業綜合能力、工程實踐創新能力。改革成效顯著主要體現在以下三個方面。

（1）學生學習效果顯著提高，學生的項目參與度顯著提升，對課程理論知識理解更加深入，能夠按時、按質、按量完成項目任務。

（2）課程項目采用“微項目”驅動，項目內容階梯化設置，從簡單到高階。調查發現，學生對課程內容的滿意度超過95%。

（3）近三年來，該校電氣工程及自動化專業和機械電子工程專業學生參加電子競賽、機器人大賽等各類競賽人數顯著提高。這兩個專業本科學生獲得國家級大賽獎超過30項，省部級以上大賽獎超過60項。

結語

隨著科技進步，行業對人才的需求提出了更高要求。本文采用微項目式“單片微機原理與接口技術”課程教學改革，提高學生的自主學習和創新能力，學生學習效果顯著提高，在本科教學培養人才方面具有重要理論和實踐意義。

參考文獻：

［1］王佳，趙耕云.基于OBE理念的單片機課程項目化教學改革探索［J］.汽車實用技術，2022，47（23）：211214.

［2］周來.基于階梯化的汽車單片機課堂項目化教學探究［J］.汽車實用技術，2024，49（02）：158162.

［3］秦蒙，任照富，何遠綱.基于微項目的高職高專單片機課程改革研究［J］.科技資訊，2022，20（10）：162164+169.

［4］徐曉霞.基于項目驅動的單片機原理與應用課程教學改革探析［J］.電腦知識與技術，2023，19（17）：109111.

［5］徐利娜，焦智，畢亞軍，等.項目驅動式教學法在單片機技術與應用課程中的應用［J］.北華航天工業學院學報，2022，32（06）：3739.

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究重點項目“創新項目+學科競賽”雙輪驅動下的交通裝備類人才實踐創新能力培養模式探索與實踐研究；教育部產學研協同育人項目“新工科背景下嵌入式技術改革與實踐”（項目編號：202101008014）；重慶交通大學2024年度教育教學改革研究項目“基于‘四位一體’微項目式單片微機與接口技術實驗實踐教學改革研究”（項目編號：2403011）

作者簡介：蒙志強（1986— ），男，漢族，四川三臺縣人，碩士研究生，實驗師，實驗室主任，研究方向：嵌入式控制。