項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)法在嵌入式單片機(jī)課堂的探索與實(shí)踐

陳 軍， 韓清華， 楊安迪， 孟洪兵， 施明登

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引 言

嵌入式單片機(jī)課程是一門綜合性、實(shí)踐性、應(yīng)用性非常強(qiáng)的課程，在物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程、自動(dòng)化等工科專業(yè)占據(jù)著非常重要的地位，是提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的必修課程［1-3］，而實(shí)踐教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力尤為關(guān)鍵，關(guān)系著課程整體教學(xué)質(zhì)量以及人才培養(yǎng)目標(biāo)能否高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。為進(jìn)一步落實(shí)全國(guó)教育大會(huì)和新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神，我校提出工程專業(yè)教學(xué)改革計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)提高實(shí)踐教學(xué)比重，進(jìn)而強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)，為社會(huì)培養(yǎng)專業(yè)型、實(shí)踐型人才。

1 傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題

本校以往嵌入式單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)采用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)或課程綜合設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，工程背景不強(qiáng)，對(duì)訓(xùn)練學(xué)生綜合實(shí)踐能力程度不夠。要強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，不僅僅是要提升實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)學(xué)分，更是要以學(xué)生為中心、以目標(biāo)為導(dǎo)向、以實(shí)踐為目的［4-7］。目前在嵌入式單片機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)中存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求低，主要以學(xué)生理論驗(yàn)證和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能掌握為要求，造成學(xué)生對(duì)嵌入式單片機(jī)技術(shù)理解不夠透徹，缺乏創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和切合生產(chǎn)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（2）入門資料陳舊，傳統(tǒng)嵌入式單片機(jī)入門資料與現(xiàn)代單片機(jī)脫節(jié)，隨著技術(shù)發(fā)展，新一代單片機(jī)性能更加優(yōu)越，入門更加靈活，可教學(xué)用教材還是使用傳統(tǒng)教材匹配的早期低性能單片機(jī)，學(xué)生學(xué)完入門后，接觸新的產(chǎn)品相當(dāng)于重新開始學(xué)，與前期基礎(chǔ)脫節(jié)。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中缺乏引導(dǎo)，現(xiàn)有模式為老師做學(xué)生看，然后學(xué)生根據(jù)老師演示步驟，逐一復(fù)現(xiàn)，缺乏主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性，學(xué)生學(xué)習(xí)激情不夠。

（4）學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)機(jī)制不健全，對(duì)于實(shí)踐教學(xué)課程，教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)機(jī)制以學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾Ｍ瓿蔀闇?zhǔn)，所有學(xué)生做同一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)，缺乏鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)機(jī)制。

2 嵌入式單片機(jī)課程教學(xué)改革

鑒于傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化單片機(jī)的工程應(yīng)用能力，成為當(dāng)前嵌入式單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2.1 構(gòu)建以工程問(wèn)題為導(dǎo)向的基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的嵌入式電子產(chǎn)品進(jìn)入人們的生活，這也意味著社會(huì)對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用需求日益提升［8-10］。單片機(jī)的最終目的是服務(wù)社會(huì)，傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)主要是以簡(jiǎn)單驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主，如流水燈、時(shí)鐘、溫度檢測(cè)、電機(jī)控制等，而隨著社會(huì)發(fā)展，這些產(chǎn)品性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，學(xué)生學(xué)完這些實(shí)驗(yàn)很難體現(xiàn)創(chuàng)新性學(xué)習(xí)成果。因此，要提升學(xué)習(xí)興趣，應(yīng)緊貼社會(huì)發(fā)展，設(shè)計(jì)一些脫胎于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的工程問(wèn)題入門實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生直觀體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就是服務(wù)實(shí)際生活，甚至可以直接服務(wù)自己平時(shí)生活，如疫情期間頻繁使用測(cè)溫槍，能否設(shè)計(jì)一個(gè)集溫度測(cè)量、時(shí)間顯示、步數(shù)計(jì)算為一體的電子手環(huán)，方便出行監(jiān)測(cè)體溫，這種小項(xiàng)目的設(shè)計(jì)會(huì)極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，以目標(biāo)為導(dǎo)向?qū)W習(xí)。

2.2 采用入門主流工業(yè)級(jí)單片機(jī)為教學(xué)內(nèi)容

在高校電子類教學(xué)中多采用低性能8 位單片機(jī)為嵌入式學(xué)習(xí)建立基礎(chǔ)，有大量的成熟教材，廣泛的示例，同時(shí)由于以前實(shí)際工程項(xiàng)目是以8 位單片機(jī)為主開發(fā)的，但按照莫爾定律，電子行業(yè)每18 個(gè)月更新?lián)Q代，發(fā)展到如今，工程生產(chǎn)中項(xiàng)目開發(fā)用8 位單片機(jī)已經(jīng)滿足不了實(shí)際生產(chǎn)控制的性能需求，如要求實(shí)時(shí)響應(yīng)快、圖像采集、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、傳感器組網(wǎng)等場(chǎng)景［11-13］。隨著高性能32 位Cortex-M系列單片機(jī)的成熟與教材普及，其學(xué)習(xí)的難度不斷降低，如意法半導(dǎo)體公司的STM32F系列單片機(jī)在板上集成在線調(diào)試器，提供了大量的示例源代碼，開發(fā)了豐富的函數(shù)庫(kù)，兼容大部分主流傳感器，非常方便開發(fā)工業(yè)級(jí)應(yīng)用，已經(jīng)占據(jù)了主流市場(chǎng)。在此背景下，學(xué)生改學(xué)高能性主流單片機(jī)，入門難度低，學(xué)習(xí)資源豐富，不僅可以掌握完成8 位單片機(jī)的功能，還可以進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成更貼近工業(yè)控制的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步加強(qiáng)與實(shí)際生產(chǎn)的聯(lián)系，為步入社會(huì)積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.3 促進(jìn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)其學(xué)習(xí)能力的重要依據(jù)，但傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)種類少，實(shí)現(xiàn)難度低，模式固化，很難檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力。因此本文提出項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)，老師只教授基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)能力，夯實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，然后鼓勵(lì)學(xué)生建立項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，以合作開發(fā)方式自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、發(fā)揮頭腦風(fēng)暴、密切聯(lián)系實(shí)際生活、完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)。老師只需要幫助學(xué)生審閱項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)難度，合理選題即可。這樣可以避免固化學(xué)生思維，讓每個(gè)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，通過(guò)自己的閱歷設(shè)計(jì)感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，然后以此為目標(biāo)設(shè)計(jì)開發(fā)，在此過(guò)程中訓(xùn)練學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、文獻(xiàn)查閱、任務(wù)分配、代碼設(shè)計(jì)、進(jìn)度把控等各方面能力。以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)為載體，從項(xiàng)目的構(gòu)思、提出、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行5 個(gè)過(guò)程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)把與工程實(shí)際密切相關(guān)的創(chuàng)新意識(shí)、自學(xué)能力、經(jīng)濟(jì)因素、團(tuán)隊(duì)合作、總結(jié)與表達(dá)等因素的綜合素質(zhì)教育貫穿于課程設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)中［14］。例如設(shè)計(jì)完成人體溫度紅外測(cè)溫槍項(xiàng)目，該題目在教學(xué)過(guò)程中可分為課題背景、方案論證、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)現(xiàn)和總結(jié)5 個(gè)階段進(jìn)行教學(xué)，分別對(duì)應(yīng)工程項(xiàng)目中的構(gòu)思、提出、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行5 個(gè)過(guò)程。①課題背景階段，團(tuán)隊(duì)通過(guò)了解調(diào)研使用背景、設(shè)計(jì)要求和常見(jiàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)不同的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行交流探討，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)實(shí)力分析其可行性。主要培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目分析、團(tuán)隊(duì)合作以及項(xiàng)目把控能力。②方案論證階段，團(tuán)隊(duì)調(diào)研方案成本確認(rèn)實(shí)施難度，分析不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇相對(duì)最優(yōu)方案。主要培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)閱讀、成本控制、技術(shù)認(rèn)知能力。③方案設(shè)計(jì)階段，團(tuán)隊(duì)通過(guò)軟硬件結(jié)合，對(duì)整體方案進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，對(duì)各功能模塊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確認(rèn)成熟可行的設(shè)計(jì)方案。主要培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)能力。④方案實(shí)現(xiàn)階段，團(tuán)隊(duì)采用紅外溫度傳感器、按鍵、有機(jī)發(fā)光顯示器（OLED）、蜂鳴器、藍(lán)牙傳輸模塊、單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最終邏輯電路，調(diào)試各模塊功能，完成系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)功能。主要培養(yǎng)學(xué)生程序編寫、傳感器使用、硬件焊接、邏輯思維、系統(tǒng)調(diào)試能力。⑤總結(jié)演示階段，由團(tuán)隊(duì)介紹紅外測(cè)溫槍設(shè)計(jì)原理并演示其功能，總結(jié)提交設(shè)計(jì)報(bào)告，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。主要培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)綜合應(yīng)用、文字語(yǔ)言表達(dá)能力。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)法不僅提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，還從其他各個(gè)方面強(qiáng)調(diào)了學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

圖1 人體溫度紅外測(cè)溫槍項(xiàng)目框圖

2.4 完善以團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成果為標(biāo)準(zhǔn)的成績(jī)?cè)u(píng)分機(jī)制

單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)更加注重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，而完善的實(shí)驗(yàn)成績(jī)考評(píng)機(jī)制是有效體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要手段［15］，所以在團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成果最終的成績(jī)?cè)u(píng)定機(jī)制中要重點(diǎn)考查學(xué)生理論理解能力、自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力、實(shí)際動(dòng)手能力、演示時(shí)的語(yǔ)言表達(dá)能力、文字組織能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)評(píng)分是重在實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，沒(méi)有深入考察學(xué)生學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力等綜合能力，所以進(jìn)行了改革，提出要結(jié)合該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目難度、創(chuàng)新度、對(duì)問(wèn)題理解的深度、對(duì)項(xiàng)目的熟練程度、答辯時(shí)的綜合表現(xiàn)給出教師專業(yè)的評(píng)分，以團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成果為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，貫通整體培養(yǎng)環(huán)節(jié)。在考核評(píng)分中，除指導(dǎo)教師給出專業(yè)評(píng)價(jià)外，還要采取團(tuán)隊(duì)成員之間的互評(píng)取平均的方式，對(duì)項(xiàng)目分工、承擔(dān)項(xiàng)目任務(wù)大小、成員能力大小等作出匿名打分，該項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程由團(tuán)隊(duì)成員全程參與，所以對(duì)每個(gè)成員的表現(xiàn)都有清晰認(rèn)識(shí)，對(duì)成員在項(xiàng)目中的表現(xiàn)更加了解，評(píng)價(jià)更加客觀、真實(shí)，綜合考評(píng)成績(jī)由兩種分?jǐn)?shù)加權(quán)得出，具體考評(píng)成績(jī)構(gòu)成依據(jù)如表1 所示。

表1 以團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成果為標(biāo)準(zhǔn)的成績(jī)?cè)u(píng)分機(jī)制

3 項(xiàng)目實(shí)踐效果

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)法在物聯(lián)網(wǎng)工程和通信工程專業(yè)兩屆12 個(gè)班級(jí)450 余人的嵌入式單片機(jī)課堂實(shí)踐驗(yàn)證，通過(guò)多方渠道征集項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)法實(shí)施效果反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們普遍反映對(duì)嵌入式單片機(jī)課程提升了學(xué)習(xí)興趣，開始主動(dòng)積極自主鉆研相關(guān)知識(shí)，并開始利用課余時(shí)間進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)與嘗試，學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)熱情高漲，通過(guò)課程學(xué)習(xí)，基于項(xiàng)目教學(xué)法對(duì)學(xué)生的自主動(dòng)手能力、查閱資料能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力都有了明顯提升；從延伸效果來(lái)看，這兩屆學(xué)生參加各類課外學(xué)術(shù)競(jìng)賽如藍(lán)橋杯、大學(xué)生電子競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯、大創(chuàng)的人數(shù)均創(chuàng)歷史新高，參與度明顯提升，同時(shí)學(xué)生專利申請(qǐng)、論文發(fā)表數(shù)量持續(xù)上升，這也從側(cè)面反映了學(xué)生綜合能力的提升。但也有同學(xué)反應(yīng)課堂理論學(xué)時(shí)減少，學(xué)習(xí)吃力，合作效果差等情況，這也是教學(xué)改革中不可避免的部分，在后期教學(xué)中，還將繼續(xù)完善項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)的弊端，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授全方位覆蓋無(wú)死角。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，工程類實(shí)踐教學(xué)以學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展為導(dǎo)向，以基礎(chǔ)到創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律為主線［16］，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)法正是體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，以實(shí)際項(xiàng)目為載體，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為目的的教學(xué)理念，通過(guò)項(xiàng)目加團(tuán)隊(duì)，引領(lǐng)學(xué)生入門在課堂、創(chuàng)新在生活、實(shí)踐在團(tuán)隊(duì)，全面促進(jìn)學(xué)生全方位綜合發(fā)展。通過(guò)對(duì)嵌入式單片機(jī)這門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程實(shí)踐項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教學(xué)方法，可以極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)激情和創(chuàng)新能力，從而有效提升單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量，這也是學(xué)生在各類學(xué)科競(jìng)賽取得優(yōu)異成績(jī)的有力保證。