微項目式“單片微機原理與接口技術(shù)”實踐課程探索

摘 要：針對“單片微機原理與接口技術(shù)”課程在教學(xué)過程中存在教學(xué)方法單一、理論與實踐脫節(jié)；實踐學(xué)時少、實踐項目固化；學(xué)生工程化思維、模塊化編程基礎(chǔ)薄弱的問題，本文以重慶交通大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的該課程微項目式教學(xué)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(shè)計特定應(yīng)用場景下“微項目”、開展“微項目”方案。經(jīng)過實踐驗證，該方法能夠明顯提高學(xué)生的主動性和能動性，教學(xué)效果顯著提高，具有重要的理論和實踐意義。

關(guān)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(shù)”課程是國內(nèi)各高校電子類、電氣類、控制類本科專業(yè)核心必修課程之一，內(nèi)容包括計算機原理、8051系列單片機的程序設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)。該課程的主要目標是讓學(xué)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(jié)構(gòu)、程序設(shè)計和接口技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生具備將單片機應(yīng)用于機電系統(tǒng)控制、物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)的能力，并能夠用單片機獨立設(shè)計簡單的工程應(yīng)用系統(tǒng)，為學(xué)生以后從事相關(guān)的開發(fā)和研究工作奠定廣闊的基礎(chǔ)。為后續(xù)的“電機控制”“電氣與電子測量技術(shù)”“嵌入式系統(tǒng)”等課程打下基礎(chǔ)。因此，探索有效的教學(xué)方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣具有重要意義。

以人工智能為代表的第四次工業(yè)革命已經(jīng)到來，單片微機原理與接口技術(shù)是人工智能的核心技術(shù)?！皢纹C原理與接口技術(shù)”課程的內(nèi)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(xué)科內(nèi)容，屬于應(yīng)用廣泛、實踐性強的學(xué)科，大部分學(xué)生理解起來晦澀、學(xué)習(xí)難度較大。國內(nèi)有較多高校工作者對這門課程進行了教學(xué)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(xué)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(wù)驅(qū)動單片機教學(xué)改革研究。

近年來，重慶交通大學(xué)為了培養(yǎng)能快速適應(yīng)新技術(shù)變革、支撐未來交通和交通強國的高素質(zhì)工程科技人才，各個學(xué)院大力開展“特定場景下項目式教學(xué)”，以培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程、生活中的真問題為導(dǎo)向。在項目教學(xué)實施過程中，雖然能夠較好驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，打破了學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)和實踐能力訓(xùn)練的壁壘，極大程度上提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)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(yè)、跨學(xué)科專業(yè)知識。項目要求學(xué)生自主查閱資料較多，學(xué)生自主探索內(nèi)容繁多，而學(xué)生的精力和時間有限，導(dǎo)致部分學(xué)生項目完成的質(zhì)量大打折扣。其次，“單片微機原理與接口技術(shù)”是專業(yè)基礎(chǔ)課程，開設(shè)這門課程時學(xué)生剛上大學(xué)二年級，還未構(gòu)建本專業(yè)知識體系，專業(yè)素養(yǎng)還處于較低水平，更不具有較強的專業(yè)思維去解決問題。部分學(xué)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(xué)生對這門課程的畏難情緒，導(dǎo)致學(xué)生為了做項目而做項目，忽視了專業(yè)知識體系基本框架的構(gòu)建，學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)不牢靠，項目式教學(xué)模式改革停留在表面。再次，傳統(tǒng)項目式教學(xué)由于項目具有較強的綜合性、實踐性、創(chuàng)新性，對學(xué)生素質(zhì)要求極高，大多數(shù)本科院校中，只有一部分學(xué)生能夠較好完成項目，因此，提高學(xué)生參與度、獲得感是項目式教學(xué)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(qū)動教學(xué)模式，并將其應(yīng)用于“單片微機原理與接口技術(shù)”課程的實驗實踐教學(xué)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(shè)計特定應(yīng)用場景下“微項目”；最后，開展“微項目”教學(xué)。該模式具有讓學(xué)生容易上手、充分利用碎片化時間、項目內(nèi)容階梯化等優(yōu)點，克服學(xué)生對該課程的畏難心理，提高學(xué)生參與度、獲得感，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性。

1 教情分析

1.1 教學(xué)方法單一，理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)

目前，大多數(shù)高校對于“單片微機原理與接口技術(shù)”課程仍然采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，這種教學(xué)模式是以教師講授為中心，學(xué)生被動接受知識。由于這門課程涉及單片微機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理、指令、接口技術(shù)等晦澀難懂的理論知識，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。因此，采用項目式教學(xué)能夠以項目需求為指引，有針對性地學(xué)習(xí)對應(yīng)的知識點，引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)。通過理論指導(dǎo)實踐，在實踐中理解理論，做到理論和實踐有機結(jié)合一起，教學(xué)模式由“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”。

1.2 實踐學(xué)時少，實踐項目固化

近年來，本科專業(yè)課程學(xué)時數(shù)壓縮較多，該校電氣工程及自動化專業(yè)和機械電子工程專業(yè)“單片微機原理與接口技術(shù)”實驗教學(xué)僅有8學(xué)時。首先，這門課程屬于應(yīng)用型學(xué)科，實踐性較強，學(xué)生需要較多的時間去實驗實踐才能完成系統(tǒng)電路設(shè)計與制作、代碼撰寫、系統(tǒng)仿真調(diào)試。其次，實驗硬件電路固化，多數(shù)實驗項目為驗證性實驗，缺乏綜合性、創(chuàng)新性。學(xué)生無須自己搭建硬件電路，導(dǎo)致學(xué)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(xué)習(xí)效果。

1.3 學(xué)生工程化思維，模塊化編程基礎(chǔ)薄弱

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

1.4 考核方式單一，只注重結(jié)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(xué)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(xué)生只追求期末卷面高分成績，而忽視平時實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生實踐實習(xí)積極性不高。

2 教學(xué)設(shè)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(tǒng)在我國的現(xiàn)代化建設(shè)中的作用，特別是電氣工程、機械電子工程領(lǐng)域的重要作用，以此激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

目標2：掌握微型計算機、單片機及嵌入式系統(tǒng)的基本工作原理、硬件結(jié)構(gòu)和計算機接口技術(shù)；具有將單片機應(yīng)用于系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集和處理、檢測技術(shù)等領(lǐng)域的能力。

目標3：能夠利用8051系列單片機的開發(fā)平臺設(shè)計單片機應(yīng)用軟件，進行系統(tǒng)仿真、調(diào)試和簡單產(chǎn)品開發(fā)。

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(xué)，項目設(shè)計時應(yīng)考慮課程目標及課程核心知識點對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合學(xué)生專業(yè)水平情況，充分發(fā)揮“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，嚴格控制教師講授與學(xué)生自主學(xué)習(xí)時間的比例。理論講授以項目驅(qū)動為指引，只講授課程主干知識體系，幫助學(xué)生建立專業(yè)知識體系框架。課程主干知識專題模塊如表1所示。

2.3 設(shè)計特定場景下的“微項目”

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

項目1：汽車信號轉(zhuǎn)向燈控制設(shè)計，通過按鍵模擬左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、應(yīng)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(xué)生能從工程思維角度開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，能夠理清各種情況下事件邏輯關(guān)系，項目比較簡單，學(xué)生能夠快速熟悉嵌入式開發(fā)流程；項目2：汽車安全帶報警指示燈設(shè)計，該項目是在項目1的基礎(chǔ)上，增加了外部中斷設(shè)計，與課程專題1、2相對應(yīng)；項目3：汽車電子時鐘控制設(shè)計，該項目在前面兩個項目基礎(chǔ)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(guān)知識；項目5：小車循跡運動控制系統(tǒng)設(shè)計，模擬無人駕駛，增加了電機控制、紅外信號接收等相關(guān)專題內(nèi)容。

2.4 微項目式教學(xué)實施

本課程采用微項目式教學(xué)主要進行以下三點改革。

2.4.1 采用微項目式教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容碎片化

針對本課程知識點繁多的特點，采用微項目式驅(qū)動教學(xué)將課本分解為五個核心知識點專題，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容碎片化，學(xué)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(guān)知識，也與學(xué)校交通裝備特色運用相關(guān)聯(lián)。項目內(nèi)容階梯化，循序漸進，提高不同層次學(xué)生的參與度。

2.4.2 整合優(yōu)質(zhì)資源，創(chuàng)新“教”與“學(xué)”的關(guān)系

針對傳統(tǒng)單片微機原理教學(xué)模式單一的問題，本次改革采用課前學(xué)習(xí)通發(fā)布任務(wù)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(xué)生學(xué)習(xí)情況，合理控制教師講授與學(xué)生自主學(xué)習(xí)時間。整合線上線下資源，打造“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，學(xué)生通過聚焦問題、自主探索、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提高了學(xué)生的“主人翁”地位，調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。

2.4.3 “以優(yōu)帶差”，實現(xiàn)學(xué)生全面協(xié)同進步

每一個項目由三名同學(xué)組成，在組隊分配時將成績優(yōu)秀的學(xué)生和成績落后的學(xué)生分為一組。成績優(yōu)秀的學(xué)生任項目組長，做好隊內(nèi)分工與協(xié)助，把控項目進度。同學(xué)之間相互幫扶，充分發(fā)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(gòu)建多維度考核機制

針對傳統(tǒng)課程的考核方式進行了改革，聚焦過程與結(jié)果，建立“多維度”實踐教學(xué)評價體系。每一個項目分階段考核指標，按時考核學(xué)生的完成進度與質(zhì)量。每一個項目完成后均要做PPT匯報分享項目經(jīng)驗與不足，采用組內(nèi)自評、組間互評、教師評價等方式選出五組優(yōu)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(jié)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(chuàng)新能力方面進行評估。

3 教學(xué)成效分析

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

（1）學(xué)生學(xué)習(xí)效果顯著提高，學(xué)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(zhì)、按量完成項目任務(wù)。

（2）課程項目采用“微項目”驅(qū)動，項目內(nèi)容階梯化設(shè)置，從簡單到高階。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對課程內(nèi)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(yè)和機械電子工程專業(yè)學(xué)生參加電子競賽、機器人大賽等各類競賽人數(shù)顯著提高。這兩個專業(yè)本科學(xué)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(jié)語

隨著科技進步，行業(yè)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(shù)”課程教學(xué)改革，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，學(xué)生學(xué)習(xí)效果顯著提高，在本科教學(xué)培養(yǎng)人才方面具有重要理論和實踐意義。

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基金項目：重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點項目“創(chuàng)新項目+學(xué)科競賽”雙輪驅(qū)動下的交通裝備類人才實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探索與實踐研究；教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項目“新工科背景下嵌入式技術(shù)改革與實踐”（項目編號：202101008014）；重慶交通大學(xué)2024年度教育教學(xué)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(shù)實驗實踐教學(xué)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。