工程教育背景下STM32 單片機課程教改與實踐

吳德廣，陳 源，陳日恒

（邵陽學(xué)院 電氣工程學(xué)院，422000，湖南邵陽）

近年來，高校在工程教育專業(yè)認(rèn)證方面加快了步伐，自2006 年我國開始工程教育專業(yè)認(rèn)證，2011 年11月《工程教育專業(yè)證書標(biāo)準(zhǔn)》被制定[1]，2016 年6 月我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，成為該協(xié)定的正式簽署國。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心是資格評估，面向的是培訓(xùn)目標(biāo)和最終出口要求，華盛頓協(xié)議的認(rèn)證協(xié)會認(rèn)證的是工程師專業(yè)。工科專業(yè)想要通過專業(yè)認(rèn)證，首先要符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，然后通過工程教育協(xié)會來認(rèn)證。工科專業(yè)一旦被協(xié)會認(rèn)證，那么在國際范圍內(nèi)，該專業(yè)畢業(yè)生的學(xué)位是被公認(rèn)的[2]。因此，在高校，工科專業(yè)實施工程教育專業(yè)認(rèn)證已成為必然趨勢，是學(xué)校辦學(xué)水平的重要標(biāo)志。為了學(xué)科和專業(yè)的發(fā)展，邵陽學(xué)院電氣工程自動化專業(yè)在2019 年開始啟動專業(yè)認(rèn)證工作，單片機課程教學(xué)從2020 年開始進(jìn)行教學(xué)改革，根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念、電氣專業(yè)的特點和STM32 單片機課程特點，對傳統(tǒng)單片機課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革。本文討論了STM32 單片機課程教學(xué)的現(xiàn)存問題，提出了教學(xué)改革的方法，并通過實踐證明了改革后教學(xué)方法的有效。

1 STM32 單片機課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在問題

隨著工業(yè)4.0 和智能制造時代的到來，國民經(jīng)濟建設(shè)和日常生活中的各個領(lǐng)域已經(jīng)開始從自動化向智能化轉(zhuǎn)變[3]，智能化的核心器件是智能控制芯片，傳統(tǒng)單片機的性能已經(jīng)跟不上時代的變化。根據(jù)單片機課程的上課經(jīng)歷、國內(nèi)同行教學(xué)培訓(xùn)會議的交流及相關(guān)資料的查閱，STM32 單片機課程在日常教學(xué)中存在如下問題。

1.1 課程體系缺乏系統(tǒng)性和相關(guān)性

目前電氣專業(yè)課程體系的系統(tǒng)性和相關(guān)性不強。一般電類專業(yè)都會有電子技術(shù)實習(xí)、單片機、電子技術(shù)課程設(shè)計等相關(guān)課程，在電子技術(shù)實習(xí)環(huán)節(jié)，一般通過焊接收音機套件來認(rèn)識電子元器件和學(xué)習(xí)焊接技術(shù)，雖然與電子相關(guān)，但與后續(xù)課程內(nèi)容相關(guān)性不強，也沒有太多的實用性；在單片機課程環(huán)節(jié)，更多的內(nèi)容是介紹原理和程序，實際操作過少，由于經(jīng)費的原因，學(xué)生缺少設(shè)計和開發(fā)的硬件環(huán)境；在最后的電子技術(shù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生更愿意選擇模擬電路和數(shù)字電路的課題，不用編程相對簡單，造成了很多學(xué)生沒有單片機的設(shè)計和開發(fā)經(jīng)歷。而STM32 單片機課程在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽、將來從事的工作等中都有很大的用處，是學(xué)好后續(xù)課程的基礎(chǔ)和立足點，對于地方二本院校學(xué)生，學(xué)好單片機課程就能把專業(yè)學(xué)活了。

1.2 課堂教學(xué)內(nèi)容陳舊

傳統(tǒng)課堂教學(xué)內(nèi)容老舊，并缺少以學(xué)生為中心的教學(xué)過程。目前，大多數(shù)高校單片機課程的教學(xué)內(nèi)容還是以51 單片機作為硬件對象[4]，而經(jīng)典的MCS-51 單片機是INTEL 公司于1980 年推出的產(chǎn)品，幾十年前的電子技術(shù)，很難適應(yīng)時代發(fā)展的需要[5]。在課堂教學(xué)實踐中，2020 年開始選擇STM32 單片機作為教學(xué)內(nèi)容。對于STM32 單片機，普遍反映入門較難，難以理解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要更多的實際操作過程，并且傳統(tǒng)教學(xué)方式是以教師為中心，教師在講臺上講，學(xué)生認(rèn)真聽和記筆記，期末的時候背一背基本知識點就可通過考試，學(xué)完后學(xué)生可能連單片機的一些基本操作都不會，甚至一些基本元器件都不認(rèn)識，更談不上單片機程序的設(shè)計和開發(fā)了[6]。

1.3 課程考核方式落后

在考核與評價制度上，缺少可持續(xù)改進(jìn)的考核機制。閉卷考試是單片機課程采用的主要考核方式，考查內(nèi)容依然是課本上的知識點，教師往往強調(diào)理解和記憶知識點，通過一次考試來評定學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，學(xué)生對課程的掌握情況得不到充分反映，學(xué)生的思維能力、分析問題能力、知識的實踐應(yīng)用能力體現(xiàn)不足。這會導(dǎo)致學(xué)生只是靠記憶來應(yīng)對考試，其創(chuàng)造性思維能力沒有得到發(fā)展，更談不上動手能力的提高，這樣很不符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念。

2 STM32 單片機課程教學(xué)改革

2.1 建立培養(yǎng)工程應(yīng)用能力的課程體系

單片機原理與應(yīng)用課程理論性強，實踐性也強，并有一定的綜合性，學(xué)習(xí)深度和難度比一般課程大，加之課程的內(nèi)容多和學(xué)時少，使得學(xué)生對學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒。如何在課時有限的情況下，既使學(xué)生掌握單片機的基礎(chǔ)原理，又能進(jìn)行簡單的設(shè)計開發(fā)應(yīng)用，這是課程改革的關(guān)鍵。

在專業(yè)認(rèn)證過程中，需要對課程體系進(jìn)行深思考，從整個專業(yè)課程的設(shè)置來看，“單片機原理與應(yīng)用”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，后續(xù)專業(yè)課中的硬件控制過程需要用單片機來實現(xiàn)，因此，單片機學(xué)習(xí)非常關(guān)鍵，在這里建立以STM32 單片機為核心的強相關(guān)性基礎(chǔ)課程體系，理論和實踐相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力。首先，在STM32 單片機課程教學(xué)之前，開展電子技術(shù)實習(xí)，讓學(xué)生焊接一個小型STM32 的開發(fā)板，讓學(xué)生對常用電子元件和STM32的模塊有實質(zhì)性的認(rèn)識，在有限的經(jīng)費條件下獲得了單片機的硬件開發(fā)環(huán)境；其次，在單片機課程教學(xué)時，引入Proteus 硬件電路仿真軟件，讓學(xué)生有條件來驗證C 語言的開發(fā)和設(shè)計[7]；最后，在開展電子技術(shù)課程設(shè)計中，使用前面實習(xí)環(huán)節(jié)的開發(fā)板來完成簡單的電子系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計，從而形成一個以STM32 單片機為核心的基礎(chǔ)課程體系，課程體系如圖1 所示。通過電子技術(shù)實習(xí)能讓學(xué)生對單片機形成感性認(rèn)識，通過單片機課程進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和仿真開發(fā)，最后通過課程設(shè)計鍛煉實踐創(chuàng)新能力。這種高度相關(guān)的課程體系的設(shè)置，能讓學(xué)生充分熟悉單片機開發(fā)和設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，也很好地培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

圖1 單片機的課程體系

2.2 踐行工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的課堂教學(xué)

單片機原理與應(yīng)用課程對學(xué)生的硬件和軟件開發(fā)能力有一定的要求。灌輸式教學(xué)是以教師中心的傳統(tǒng)教學(xué)方法，課程教學(xué)以教師講授為主，學(xué)生邊聽邊抄筆記，學(xué)習(xí)很被動，目標(biāo)不明確，也沒有閉環(huán)的可持續(xù)改進(jìn)的模式，這樣教學(xué)效果非常不好。隨著科技的進(jìn)步和學(xué)校在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方面的投入，通過學(xué)校提供的超星學(xué)習(xí)通，搭建網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺與線下教學(xué)相結(jié)合，建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式；引入Proteus 軟件進(jìn)行硬件電路仿真，單片機的每個模塊都以項目的方式來驅(qū)動學(xué)生的學(xué)習(xí)，實施“成果導(dǎo)向”教學(xué)法。實踐工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生單片機的編程和開發(fā)能力。

（1）采用以學(xué)生為中心的教學(xué)方式。在學(xué)校官方提供的學(xué)習(xí)通網(wǎng)站上，建立網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺，可以對傳統(tǒng)課堂進(jìn)行很好的補充，不僅能開展簽到考勤、播放課件視頻、主題討論、習(xí)題作業(yè)、擴展資料等教學(xué)活動，打破師生間地域和時間的限制，增強師生的互動性，還能記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)痕跡，根據(jù)后臺數(shù)據(jù)可以客觀評判學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。圖2 為學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺。教學(xué)實施過程中，提前布置教學(xué)任務(wù)，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，線下課堂根據(jù)后臺數(shù)據(jù)通過互動進(jìn)行重點和難點的講解，并對學(xué)生提出的共性問題實施有針對性的教學(xué)。通過搭建網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺，建立以學(xué)生為中心的教學(xué)方式。

圖2 學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺

（2）應(yīng)用“成果導(dǎo)向”教學(xué)法。Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具軟件，能進(jìn)行單片機及外圍器件的軟件仿真，提供了非常豐富的元器件庫和虛擬儀器儀表，在Proteus 8.6 版本之后，才能夠仿真STM32 系列單片機。在教學(xué)實施過程中，將單片機每個章節(jié)內(nèi)容都設(shè)計成相應(yīng)的項目任務(wù)。前兩章是基礎(chǔ)理論介紹，內(nèi)容為單片機的發(fā)展應(yīng)用和單片機的工作原理，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，以及要求學(xué)生以寫綜述論文的方式提交小論文，提高學(xué)生資料文獻(xiàn)搜索能力和論文寫作能力；后面的章節(jié)都可布置一個個具體的小項目，包括單片機軟件開發(fā)環(huán)境的搭建、GPIO 模塊、中斷模塊、定時器模塊、串口通信模塊及單片機系統(tǒng)設(shè)計模塊，并且每個模塊通過Proteus 仿真來實現(xiàn)，每個模塊的項目設(shè)置不同的難易程度。圖3 為單片機控制數(shù)碼管電路顯示的仿真設(shè)計。實踐證明，引入Proteus軟件仿真實現(xiàn)這些小項目，應(yīng)用“成果導(dǎo)向”教學(xué)法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計和軟件編程能力，還能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開發(fā)設(shè)計的效率。

圖3 數(shù)碼管電路顯示仿真設(shè)計

2.3 實施多環(huán)節(jié)課程考核建立“持續(xù)改進(jìn)”教學(xué)機制

傳統(tǒng)的單片機原理與應(yīng)用課程的考核方式環(huán)節(jié)比較少，最終以考試分?jǐn)?shù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，在某種程度上直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和積極性，存在不少弊端。為了實現(xiàn)工程教育專業(yè)認(rèn)證考核，在考核環(huán)節(jié)方面，設(shè)置了平時表現(xiàn)、章節(jié)作業(yè)、項目實現(xiàn)和期末考試四個環(huán)節(jié)，占比分別為20%、10%、10%和60%，具體關(guān)系如圖4所示。章節(jié)知識點即為課本主要的知識點，平時表現(xiàn)分為課堂考勤和網(wǎng)絡(luò)平臺知識點的學(xué)習(xí)情況，作業(yè)能及時反饋學(xué)生對知識點的掌握情況，每個項目能及時反饋學(xué)生對知識點的掌握應(yīng)用情況，最后還有期末考試，對整個課程重點知識的考核，體現(xiàn)學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用水平。

圖4 四個環(huán)節(jié)考核體系

以多環(huán)節(jié)的過程考核，建立“可持續(xù)改進(jìn)”教學(xué)機制。前兩個環(huán)節(jié)是在網(wǎng)絡(luò)交互平臺上完成，并留下學(xué)習(xí)痕跡，第三個環(huán)節(jié)做的小項目需線下課堂檢查打分并進(jìn)行討論，第四個環(huán)節(jié)是期末考試，需登記每個小題的分?jǐn)?shù)，通過統(tǒng)計細(xì)化到學(xué)生對知識點掌握情況。這種多環(huán)節(jié)的考核制度，一方面能促使學(xué)生持續(xù)改進(jìn)自己對章節(jié)知識點的認(rèn)知和應(yīng)用；另一方面，教師根據(jù)后臺數(shù)據(jù)、項目完成情況和試卷分析做出工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程達(dá)成度分析報告，量化分析整個教學(xué)實施過程和各個教學(xué)環(huán)節(jié)對教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成作用，綜合分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，作為課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的可靠依據(jù)。

3 教學(xué)改革效果

本次教學(xué)改革以邵陽學(xué)院2019 級和2020 級電氣工程及其自動化專業(yè)的單片機課程為實驗對象，闡述工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下課程教學(xué)改革和實踐。2019級班級采用的是傳統(tǒng)教學(xué)方式，作為對照組；2020 級班級采用改革后的教學(xué)方法，作為實驗組。將對照組和實驗組的期末綜合成績進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5 所示，實驗組的不及格率明顯下降，中等和良好率明顯提高，獲得優(yōu)秀的人數(shù)也更多；并在2022 年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，學(xué)生取得了2 個一等獎、3 個二等獎和3個三等獎的可喜成績，這說明學(xué)生使用單片機開發(fā)和設(shè)計的動手能力更強了。在工程教育專業(yè)認(rèn)證方面，邵陽學(xué)院電氣專業(yè)也順利通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。實踐結(jié)果表明，教學(xué)方法改革后，學(xué)生對知識點掌握更好，學(xué)習(xí)興趣更大，編程開發(fā)設(shè)計能力也增強了，可以說取得了較好的教學(xué)效果。

圖5 兩組成績對比圖

4 結(jié)語

本文從STM32 單片機課程的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，提出了以工程教育為背景的STM32 單片機的課程教學(xué)改革思路，探討了以學(xué)生為中心培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，以項目式教學(xué)為基本點激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生動手能力，以多環(huán)節(jié)的考核機制教學(xué)方式進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)等教學(xué)改革措施。實踐結(jié)果表明，改革后教學(xué)效果明顯，在學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、學(xué)科競賽和學(xué)校工程教育認(rèn)證方面都取得比較好的效果，為工程教育教學(xué)實踐發(fā)展作出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。