OBE理念下基于進階式項目驅動的單片機課程混合式教學實踐

摘要：針對單片機教學中存在的軟硬結合困難、遷移能力弱、高階實踐和創新能力不足等問題，本課程以OBE理念為指導，依托進階式項目設計教學內容，旨在從基礎項目、高階項目到創新挑戰項目逐步引導學生解決不同層次的問題。通過采用線上線下混合式教學模式和“一仿二板三拓”的教學方法，學生不僅能夠掌握單片機的基本操作和編程技能，還能夠在面對復雜工程問題時，靈活運用所學知識和技能，展現出良好的問題解決能力和創新思維。

關鍵詞：OBE理念；單片機；進階式；項目驅動；混合式；教學改革

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）21-0156-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

2013年中國加入《華盛頓協議》，標志著中國工程教育與國際標準接軌，強調培養學生解決復雜工程問題的能力[1]。目前國內各大高校都在積極開展工程教育認證工作，核心是基于學習產出的教育模式，基于成果導向教育（OBE） 理念的教學改革與實踐成為當前國內教學研究的熱點[2-7]。

單片機教學在培養學生軟硬結合能力、遷移能力、高階實踐和創新能力等方面存在挑戰。為解決這些問題，本文提出以OBE理念為指導的進階式項目驅動混合式教學模式，通過“三層三步”來展開教學，“三層”指教學內容分為基礎項目、高階項目、創新挑戰項目三個層次，逐步提升學生從基礎操作到高階應用，再到創新挑戰的綜合實踐能力；“三步”是采用軟件仿真、開發板實現和高階拓展（簡稱“一仿二板三拓”） 三個步驟，螺旋上升提升學生軟硬結合、遷移能力和創新能力。該教學模式可以全方位培養學生的創新思維和解決復雜工程問題的能力。

1 單片機課程的教學痛點

①內部結構復雜，學習曲線陡峭。不通過具體項目的應用無法得知其作用。

②軟硬件結合的實踐環節不足，學生難以將理論知識應用于實際操作。授課對象是本科大二學生，已有C語言、數字電子技術的軟硬件基礎，但在面對單片機的硬件電路分析和軟件編程時可能會遇到一些挑戰。

③學生缺乏將學習到的知識遷移到不同應用場景的能力。課本實例與開發板的電路存在差別，學生學完課本實例，將該實例遷移到開發板實現時，不知道如何根據電路的不同修改代碼，面對電路調試中的問題無所適從。

④教學實踐缺乏高階性，學生思維進階不夠。教學內容主要分析單片機各功能模塊的原理，配套完成該模塊的實驗，沒有進階性或高階性的工程應用的案例或項目，難以提高學生的實踐能力[8] 。

⑤創新能力不足，學生解決實際問題的能力不足。課時量少、教學內容復雜，學生完成驗證性實驗后缺少相應拓展，無法激發學生創新意識 [9] ，導致解決實際問題的能力和創新能力不夠。

2 職業崗位專業技能需求

單片機廣泛應用于嵌入式系統、智能家居、物聯網等多個領域。單片機崗位需求和對應的專業能力如表1所示。單片機課程的基礎項目完成硬件設計、軟件編程、電路調試的基本技能培養，高階項目完成問題解決能力的培養，創新挑戰項目完成溝通能力和團隊合作能力的培養，通過實驗報告和綜合設計報告的撰寫培養學生技術文檔的編寫能力，通過以上這些專業能力的養成，完成具體崗位的相應需求。

3 進階式項目教學設計

根據職業崗位專業技能需求確定課程的教學目標，結合單片機課程實際工程應用的特點，從基礎到高級逐步推進，合理組織課程教學內容。采用“教學項目化、項目進階化、學習自主化”的行動導向模式，平衡理論知識和實踐技能的教授，確保學生既能理解概念，又能將知識應用于實際問題解決。課堂教學以項目為單元，將教學內容融入實驗項目中，學生不僅能夠深入理解課程內容，還能夠在實踐中提升自己的技能和創新能力，同時增強團隊合作和問題解決能力。根據學生的認知特點和規律，按照分層次、進階式的教學思路，構建“進階式”實踐體系，如圖1所示。

實踐體系包括基礎項目、高階項目和創新挑戰項目，從基礎到高階再到創新挑戰，前一個階段為下一個階段打下堅實的基礎。鼓勵學生在實踐過程中主動探索、提問和解決問題，培養自主學習的習慣。

基礎項目，學生通過這些項目學會搭建單片機最小系統，掌握單片機開發流程。通過流水燈、開關檢測、控制數碼管、LCD1602、LCD12864、中斷、定時器/計數器、串行口的應用，讓學生掌握基本的輸入/輸出操作、顯示、中斷、定時、串行通信等編程。如數字溫度傳感器，任務要求是編程實現溫度的采集、顯示。學生根據課本例程進行軟件仿真，較好地理解理論知識，然后將例程遷移到開發板實現，在此基礎上進行適當的拓展，讓學生逐步掌握單片機的硬件設計、軟件編程和電路調試。

高階項目，針對實際生活問題，分析問題，并通過整合所學知識模塊來解決問題，不僅能夠提高學生的單片機編程和應用能力，還能夠激發學生的創新思維和解決實際問題的能力。如設計家用燃氣報警器，學生分析實際生活問題，提出解決問題的方法，并選擇合適傳感器搭建電路、編程，運用所學知識解決電路調試中遇到的各種問題，培養了解決問題的能力。

創新挑戰項目，在基礎項目和高階項目的基礎上，學生可以根據自己的興趣和能力選擇合適的項目，實現個性化發展。教師引導學生查閱資料，自愿組隊，制定項目計劃、連接硬件電路、軟件編程、調試電路，嘗試各種方法解決遇到的問題，通過實踐和探索來提升學生的創新能力和解決問題的能力，同時培養團隊合作、項目管理和創新思維等軟技能，有助于學生更好地準備未來的職業生涯。

4 進階式項目混合式教學實踐

4.1 線上線下混合教學模式

教師在授課環節采用“線上+線下”的模式，線上利用超星泛雅平臺建設課程資源，以項目為單位組織課程的章節和知識點，主要完成課前預習、課中實踐回頭看、課后作業、單元測試、討論等工作。課前預習是項目需要的理論知識和背景，包括比較復雜且枯燥的單片機內部結構，由教師提前錄制短視頻，節省課上時間，擴充教學容量；課中實踐回頭看是教師上課錄屏視頻，方便沒有跟上課堂節奏的同學課后自主學習；學生可以將課后作業、測試、課中實踐的軟件仿真可以隨時上傳平臺，方便掌握學生的學習進度。

線下以項目驅動方式，學生分組合作，教師提出實際問題，引導學生分析問題，給出解決問題的方法，以課本實例為基礎，在Proteus搭建的仿真電路上完成驗證實驗，然后分析仿真電路和開發板電路的異同，修改代碼，并在開發板上實現，鍛煉學生遷移能力，最后拓展功能模塊，學生需要付出更多努力才能完成。

4.2 進階式項目教學

1）" 基礎項目的教學實踐

采用“一仿二板三拓”方法螺旋上升推進項目，包括三部分：軟件仿真、開發板實現和高階拓展，逐步提升學生軟硬結合、遷移能力和創新能力，如圖2所示。

①軟件仿真

以課本實例為基礎，例如溫度測量與顯示系統，如圖3所示。引導學生分析電路原理、根據電路編寫代碼，在仿真電路上實現，培養學生分析問題、編寫代碼、軟硬件結合的工程實踐技能。

②開發板實現

通過分析實際開發板電路原理圖和課本實例的異同。最開始的幾節課引導學生根據上述不同之處修改相應部分的代碼，中間遇到的問題，讓學生思考為什么，并嘗試解決，逐步培養學生軟件仿真遷移到開發板實現的能力。剩下的課程實例都由學生自主分析、修改代碼并實現， 真正提升學生遷移能力，為后續利用其他例程解決實際問題提供了基本方法。例如，溫度測量與顯示系統在軟件仿真之后，將程序移植到在開發板實現，需要分析軟件仿真和開發板電路的異同，如圖4所示，然后根據電路的不同來修改相應的代碼，最終在開發板實現，這個過程培養了學生將知識遷移到不同應用場景的能力。

③高階拓展

高階拓展主要通過兩種方式：（1） 模仿實用的電子產品，并根據實際使用細節提出新問題，找到解決方法，實現功能模塊創新；（2） 將某一領域的電子產品，設想運用到其他領域，通過小組討論、頭腦風暴，重新組合產品的功能模塊，實現領域創新。例如溫度測量與顯示系統，引導學生應用到智能家居，通過小組討論，可以拓展功能：溫度控制風扇、LCD顯示溫度、增加濕度模塊等。高階拓展可以拓展學生的思維，植入創新的種子，讓其理解創新的本質。

“一仿二板三拓”模式幫助學生構建了全面且分層次的知識結構。該模式強調實踐操作和項目驅動，使學生在完成驗證性實驗后，有機會參與更復雜的項目，從而提升高階實踐技能。

2） 高階項目的教學實踐

引入實際生活問題，引導學生從工程和產品的角度出發，分析問題、確定需求和目標，識別關鍵的技術挑戰。學生團隊討論并規劃系統的功能模塊，設計硬件電路圖，選擇合適的電子元件，編寫程序實現系統功能。測試每個功能模塊的單獨性能，解決在測試過程中發現的問題，優化系統性能。該過程可以有效提高學生將理論知識應用于實踐的能力，通過解決具體問題來加深對知識的理解，增強他們的工程意識和產品開發技能。

3） 創新挑戰項目的教學實踐

鼓勵學生根據自己的興趣和專長自愿組成團隊，讓學生討論并選擇他們感興趣的創新挑戰項目。指導學生制定詳細的項目計劃，鼓勵學生整合之前學到的單片機知識，包括編程、電路設計、傳感器應用等。學生根據項目計劃進行硬件制作和軟件編程，進行初步測試和調試，解決遇到的問題。組織學生展示他們的項目成果，包括演示和報告，鼓勵學生分享他們的設計思路、制作過程和遇到的挑戰。對學生的項目進行評價，包括技術實現、創新性和實用性，提供具體的反饋和建議，幫助學生改進和提高。引導學生進行項目總結和反思，識別成功之處和改進空間。通過逐步增加項目難度和復雜性，激發學生的學習興趣和挑戰精神，有助于他們不斷進步和成長。

4.3 競賽驅動教與學

教學過程中，針對基于單片機系統設計方面的競賽開展教學工作，主要是“藍橋杯”全國電子信息類個人賽等。結合學科競賽內容和教學進度，布置競賽項目的實現任務，對學生進行針對性指導，通過強化訓練和加強實踐練習環節，可以有效提高學生對課程內容的掌握程度。為學生參加競賽做準備，實現以賽促訓、以賽促學的目的。

鼓勵學生探索嵌入式系統領域中高性能處理器的應用，并積極參與相關技術競賽，以此增強他們的工程實踐技能。通過這種方式，學生將能夠迅速掌握多種嵌入式處理器的軟硬件設計技巧，并熟練應用嵌入式系統編程方法和技巧來實現技術項目的開發。這將提升學生的持續學習與創新能力，為他們的未來職業道路奠定堅實的基礎，并為學生未來在所選行業的發展中做出貢獻提供支持。

4.4 建設網絡教學資源，補齊學生短板

為了更好地進行線上線下混合式教學，讓數字化資源輔助線下教學，在“超星泛雅”平臺建設并逐步完善單片機原理與應用課程的網絡教學資源。重構后的教學內容分為16講，每一講都有課前預習視頻、課中錄制視頻、課后拓展資料和課件。一方面可以通過明晰課前、課中、課后的內容，開展線上-線下混合式教學，做到課前預習知大概、課中實踐提技能、課后拓展擴眼界；另一方面，將課中錄制視頻上傳到平臺，有利于學習能力較弱的學生課后回放，跟上整個班級的進度，補齊學生短板。

5 結束語

研究針對2022、2023級電子信息工程專業的學生，實施了OBE理念下基于進階式項目驅動的單片機課程教學實踐。該教學模式有效地激發了學生對單片機學習的熱情，學生能夠完成基礎項目、高階項目和創新挑戰項目的比例為95%、88%、80%。問卷調查顯示，學生認為線上線下混合式教學有助于學習，所有學生都認可“一仿二板三拓”的進階式項目教學法，通過學習，81%的同學電路分析、軟件編程、解決問題得到提升，70%的同學遷移能力、團隊合作、溝通能力、技術文檔編寫能力得到提高。參加相關學科競賽的人數有了很大提高， 學生的自主學習能力、遷移能力、設計和開發單片機系統的能力得到明顯增強。

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[9] 金行澤，沙琦波.“項目+階梯+探究式” 教學方法在“流體壓強與流速的關系” 教學中應用[J].物理教師，2022，43（9）：43-45.

【通聯編輯：王 力】