基于項目驅(qū)動的單片機原理與應用課程教學改革探析

徐曉霞

（西安工商學院，陜西西安 710200）

0 引言

以人工智能為代表的第四次工業(yè)革命已經(jīng)到來。單片機和嵌入式系統(tǒng)設計是人工智能的核心技術(shù)。單片機原理與應用作為電子信息大類專業(yè)的一門專業(yè)基礎必修課，是培養(yǎng)學生專業(yè)應用技能的重要組成部分。本課程在人才培養(yǎng)方案中，為學生掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和人工智能的學習奠定堅實的基礎，同時在培養(yǎng)學生的思辨能力、創(chuàng)造能力、工匠精神以及解決實際問題的能力層面發(fā)揮著十分重要的作用，是高等院校電子信息和電氣工程專業(yè)教學必不可少的專業(yè)課。

1 項目式教學解決的問題

課程與教學改革要解決的重點問題：1）在傳統(tǒng)的“教師講授-學生記憶-期末考試”教學模式中，學生缺少內(nèi)動力，課堂參與度低，實踐和創(chuàng)新能力不足。2）傳統(tǒng)的教學內(nèi)容與教學資源陳舊，不能滿足新時代和“新工科”建設協(xié)同育人的要求。3）以往課程考核方式存在弊端，不能反映出學生的真實水平，成績分布存在單一性和離散性，難以輔助課程持續(xù)改革和改進。

在STEAM 教育理念下，針對單片機課程應用性和實踐性強的特點，就單片機課程的課程體系、課程內(nèi)容、教學模式、考核方式等方面進行改革[1]。

2 基于項目式驅(qū)動的“單片機原理與應用”課程方案

項目式教學顛覆了傳統(tǒng)意義上的課堂教學模式，實現(xiàn)了教師和學生主體地位的轉(zhuǎn)換，被廣泛運用于不同學科、不同專業(yè)的課程教學中，對促進課堂教學效果起到了積極的作用，正因為這樣被教育工作者喜愛和關(guān)注。課改以“立德樹人”為導向，以工程認證和“新工科”建設為抓手，通過對企業(yè)調(diào)研、崗位職業(yè)技能分析、引入專業(yè)課程思政、制訂全新的課程標準。采用新的教學模式和方式，為培養(yǎng)工程應用型人才起到顯著成效。

2.1 課程內(nèi)容與資源建設及應用情況

制訂單片機課程標準。課程標準的建立和實施，是單片機課程的教學規(guī)范和質(zhì)量要求的基本保證，是進行教學評估、考試命題和教材講義編寫等課程實施的主要依據(jù)，也是管理、考核和評價該課程的基礎。

建立和完善單片機教學資源系統(tǒng)。在單片機教學資源庫建設方面投入大量的人力和物力，在英華在線平臺建立線上課程，并平穩(wěn)運行了兩個學期。在此基礎上，繼續(xù)加強和完善資源庫的建設工作，增加作品庫、知識庫、圖片視頻庫和典型案例庫。為教師的教學、學生的自主學習搭建更寬平臺，促進單片機教學的發(fā)展。

單片機課程理論和實踐有機結(jié)合，學有所用。在單片機教學中，使用Protues 和Keil 的聯(lián)機調(diào)試，可將實驗室?guī)У秸n堂上來，以成果為導向的課程改革充分完善了這個環(huán)節(jié)，在平時教學中加強職業(yè)素養(yǎng)和工程能力的培養(yǎng)，提高學生自主創(chuàng)新意識和工程實踐能力[2]。

2.2 項目驅(qū)動設計方案

本門課程傳統(tǒng)的教學流程是：首先介紹單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳，然后講述指令系統(tǒng)和程序設計開發(fā)所用語言及軟件，接著闡述單片機應用模塊，包括中斷、定時計數(shù)器、存儲器擴展以及各種外圍設備，最后通過實例分析總結(jié)課程，是一種典型的先理論后實踐的串行講法，學生入門缺少直觀的感受力。本著遵循有效教學基本規(guī)律，結(jié)合單片機原理與應用的課程實際工程應用的特點，采用基于“教學項目化、學習自主化、學生角色雙元化”的行動導向教學模式，通過對企業(yè)調(diào)研、崗位分析、職業(yè)技能分析制訂了全新的課程標準，基于實際工程項目，設計了項目化教學的結(jié)構(gòu)。本課程共有10大的教學情境。將單片機原理與應用的知識點和關(guān)鍵內(nèi)容融入這10 個項目任務中，基于Proteus 和Keil C51,通過仿真與硬件調(diào)試，虛實結(jié)合，在10個項目任務中的動手操作過程中，既掌握了單片機的基本知識，還熟悉單片機控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計的方法，真正實現(xiàn)了知識性、趣味性和工程性的完美融合。教學情境如表1。

表1 單片機原理與應用教學情景模塊

根據(jù)課程的教學情景，打亂傳統(tǒng)的授課理論知識體，重新按照每個項目任務所依托的教學情景，把每個項目任務所需要的理論知識重組，強調(diào)理論知識在本項目中的應用，強調(diào)工程設計的完整性和規(guī)范性。表2體現(xiàn)了每個課堂教學情景對應的項目任務劃分，同時列出了涵蓋的知識點。

表2 單片機原理與應用項目教學目錄

教師在授課環(huán)節(jié)采用“線上+線下”的模式。線上平臺，采用英華在線平臺完成線上理論知識的學習，線上教學資源包含整門課程的主要章節(jié)和知識點；課件、課程視頻可供學生學習，習題、測試、討論等具有網(wǎng)絡實時性。另外實驗、課程設計等基本要求、技能、內(nèi)容等，均以慕課形式在網(wǎng)絡上提供，節(jié)省課上時間，擴充教學容量。線下以項目驅(qū)動方式，教師以運用理論知識解決實際問題為主，學生以分組團隊合作，完成項目任務，并匯總項目設計資料信息，進行項目設計匯報，并且進行學生互評，教師點評，實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)[3]。

具體實施過程：第一個環(huán)節(jié)（課前）：線上教學，教師給出列出任務清單，提出問題，學生通過線上課程資源完成理論知識的學習，并進行在線測試，討論，自我檢測學習效果。線上學習平臺可對學生的線上學習進行分析和評價，教師可及時對課程進行教學調(diào)整。第二個環(huán)節(jié)：課中：教師圍繞項目任務，通過啟發(fā)式、討論法、互動式等教學方法，提出項目要解決的問題，將線上課程內(nèi)容理論知識與項目任務相結(jié)合，對相應的硬件、軟件設計方案進行討論并進行舉例仿真演示，將理論知識點映射于工程實踐應用中，組后結(jié)合項目任務提出待問題，進行分組討論，師生互動，完成具體設計項目的方案制訂。激發(fā)學生解決問題的能力和知識的擴展能力；第三個環(huán)節(jié)學生在按照分組在課下，采用proteus 軟件仿真和實驗硬件開發(fā)板為手段，進行項目任務分析、設計調(diào)試以及技術(shù)資料報告的完成，本環(huán)節(jié)設計意圖是培養(yǎng)學生解決在項目工作中出現(xiàn)問題的能力及團隊協(xié)作精神。第四個環(huán)節(jié):小組進行項目任務設計匯報表講解，并進行學生互評，教師點評，實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換角色，發(fā)揮學生的主人公意識。鍛煉學生工程實踐能力，學習能力、組織能力、創(chuàng)新意識和團隊意識。第五個環(huán)節(jié)：對項目設計任務進行總結(jié)，反思，知識拓展，同時教師給出評價，計入課程學習過程考核成績。通過以上五個環(huán)節(jié)，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生學習能力、組織能力、創(chuàng)新意識和團隊意識，并樹立正確的人生觀、科學觀，養(yǎng)成認真負責的態(tài)度和嚴謹細致的工作作風[4]。

2.3 過程性評價考核方案

課程的考核評價分為過程考核和總結(jié)性評價，體現(xiàn)綜合評價。過程考核是對學生平時學習情況的考察采用多元化考核方法，包括線上學習（可以直接在線上學習平臺上查看學生學習并統(tǒng)計結(jié)果）和平時項目任務完成參與情況，課堂表現(xiàn)情況，同時將學習態(tài)度、專業(yè)知識、專業(yè)技能、溝通能力、合作能力和創(chuàng)新能力等納入考核范圍；總結(jié)性評價指的是期末考試，重點檢查學生對基礎知識的掌握情況。多元化考核體系如圖1所示。

圖1 綜合性多元化考核體系

2.4 創(chuàng)新特點

結(jié)合學生特點，采用線上線下混合教學方式，有效利用信息化教學手段。項目任務驅(qū)動式教學手段，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生工程實踐應用能力。翻轉(zhuǎn)課堂，學生互評，教師點評，體現(xiàn)學生在教學中的中心地位[5]。

3 課程評價及改革成效

自2018 年開始實施以“以學生為中心”的“任務型-探究式”的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式以來，學生學習的積極性、主動性普遍提高，到課率、抬頭率、作業(yè)完成質(zhì)量以及期末考試卷面成績及格率都得到大幅度提高。只要長期堅持讓學生“做中學”“學中做”，就能夠取得比較理想的教學效果。

單片機原理與應用課程的教學模式也可以應用到學院其他公共基礎課程及專業(yè)課程的教學中；可促進解決民辦學院學生的學習的熱情和主觀能動性不夠、方法欠缺、自律性差等問題，培養(yǎng)學生一定的自主學習能力，提高學生的積極主動性，為今后的高層次、寬范圍研究奠定基礎。