四层四融的项目驱动模式下单片机原理与应用课程教学改革与实践.pdf

169造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 科研课题四层四融的项目驱动模式下单片机原理与应用课程教学改革与实践*赵晓艳，成慧翔，李瑞金，韩海豹，王建斌晋中信息学院，山西 晋中 030801摘要：注重实践教育是应用型本科课程教育的特点，需要根据教学目标整合教学内容，将实际工程项目和学科竞赛内容分解成知识点嵌入教学内容中，嵌入的项目按照“阶梯式”循序渐进地增加难度，提高知识与技能递进连贯。基于此，文章分析了当前单片机原理与应用课程存在的教学痛点，提出四个层次的工程项目驱动教学设计和四个融合的项目驱动教学方法，并探讨了阶梯式项目教学法的具体实施路径。通过改革理论及实践教学内容，将工程项目、学科竞赛和创新项目涉及的专业知识及内容融入单片机原理与应用的教学中，使整个教学过程以实际的项目为载体，完整地参与工作过程，以典型的工作任务为驱动，以分立任务项目开发与实物调试制作为策略，实现理论与实践的统一。关键词：单片机；项目教学；任务驱动；创新能力分类号：G642；TP368.1单片机原理与应用既包含硬件电路设计又有软件编程的课程，国内许多大学在单片机课程的课程内容、教学方法、考核方式、实践体系等方面做出了不同程度的探索，其中大部分目标都在于提高学生的实践能力1，而工程项目和学科竞赛在激发学生专业知识的兴趣、调动学生专业学习的热情、增长学生的专业技能、提高学生的创新能力等方面具有积极作用，无论是项目训练还是科技竞赛，其结果都体现学生综合能力培养，那么如何准确将项目和学科竞赛与课程教学结合对于应用型本科高校人才培养具有重要意义。鉴于此，深化单片机原理与应用课程教学改革，对提高应用型本科人才培养质量，展现学校育人特色和成效具有重要意义。1 单片机原理与应用课程的教学痛点（1）内部结构复杂。大部分本科单片机教材都把单片机的内部结构放在前面学习，单片机内部结构较复杂且枯燥，如果直接涉及单片机内部结构，想必没有人能够坚持下去，使学生一开始就会有阴影。（2）先导课程较难。单片机课程既需要模拟电子技术知识，又需要编程语言知识，本来这两门课程就较难，会给学生造成心理压力，从而影响本门课程的学习。（3）软硬结合困难。单片机是软硬件结合的一门课，如何将编程软件与硬件设计结合起来，形成一个整体的单片机控制系统也是比较难解决的问题。（4）理实教学脱节。单片机教学以理论教学为主，实验教学为辅，且基本是简单的实验，学生对单片机的开发完整过程没有体会，甚至不会使用调试和开发工具。（5）教学内容陈旧。教学内容侧重于单片机各功能模块的原理性分析及单个任务的完成，没有凝练成有工程应用的案例或项目，难以调动学生的主观能动性2。（6）创新能力不足。现行教学模式造成实验与实践课时不足，缺少项目化的教学案例、缺乏创新的实训机会3，使解决实际问题和创新能力不够。2 四个层次的工程项目驱动教学设计合理组织规划课程教学内容，使理论与实践教学紧密结合，采用项目驱动式方法4，将课堂理论基础教学内容融入实验项目中，按照分阶层、递进式的教学思路，构建“进阶式”的单片机应用系统设计项目，结合专业特点和学生创新创业发展需要，构建以应用型本科人才职业能力培养为核心的，以实际工程项目为重心，包含基础、综合、工程、创新四层的单片机原理与应用课程教学设计。文章编号：2096-3092（2024）01-0169-03*基金项目：山西省高等学校教学改革创新项目（J20221449）作者简介：赵晓艳，女，硕士，副教授，研究方向为电力系统及其自动化。170 科研课题 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料2.1 基础层将工程项目和学科竞赛分解成任务知识点及内容融入教学中，通过学生简单的最入门式的项目任务点，掌握单片机的基本原理。该层注重认知与操作，解决初学者对单片机结构、基本操作、指令、基础编程等基本技能学习及仿真训练问题。2.2 综合层通过理论和实验环节完成综合性项目，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。该层侧重于项目的综合应用，使学生学习单片机编程高级指令及编程、调试等，使学生提高编程技巧和方法，具备解决实际应用问题的能力。2.3 工程层在整个教学过程中形成了“设计+仿真+装配+调试”的产品全过程通路，实现教学过程工程化，完成团队化项目成果。该层侧重于工程项目的典型应用，这样更加注重培养学生团队协作能力和分析解决实际问题的能力。2.4 创新层通过参与创新项目、创新科技竞赛和产业学院项目，促进相互学习与交流，增强实践能力。该层侧重于学生参加科技创新项目与竞赛等第二课堂的拓展项目，从而锻炼学生的编程能力、仿真能力、设计能力及创新能力。3 四个融合的项目驱动教学方法3.1 线上与线下融合在线上教学平台建设中要注意调动教师和学生两方面的积极性。一方面通过广泛搜集微课、慕课等教学资源，不断充实完善平台内容。另一方面，师生可以将取得的相关成果上传到平台，不断丰富教学项目。3.2 课内与课外融合拓展课外第二课堂，为学生提供实验室及研发中心，以便他们参与科技竞赛，构建课内外协同机制。同时，结合学生课外活动，举办单片机创新大赛，使课内教学与学科竞赛活动有机地结合起来，拓宽学生的视野，实现学中做、做中探、探中创，培养了学生的创新能力。3.3 仿真与实操融合“做”为核心，可以在 Protues 软件上直接进行硬件原理图虚拟仿真，在 keil 软件进行软件编程虚拟仿真，还可以进行软硬件联调仿真，使单片机的基本原理与结构变得非常的简单易懂；同时引入单片机相关的实训课程，让学生自己动手焊接电路与编程调试，实现工程项目。3.4 实践与创新融合“创”为导向，从简单实验箱开发板基于Proteus 软件的虚拟实验室课程设计创新实验室科技竞赛等诸多实践环节，通过实践内容的逐步深入，使学生经历从简单到复杂，从模仿到创新的循序渐进的学习过程，从而在实践和创新能力培养上得到系统规范的训练。在充实调整教学内容和改进教学方法的同时，应着力培养学生的职业基本技能和专业技术应用能力，增强其创新意识，构建“做学创”相结合的新型单片机原理与应用新型教学平台，为学生学习、实践、课外活动、学科竞赛和科技创新提供良好的学习与实践环境，充分发挥素质拓展育人作用。四个融合的新型教研平台如图 1 所示。“做学创”相结合的新型教研平台采用了线上线下融合、课内课外融合、仿真实操融合、实践和创新融合的教学设计。在课前线上线下，教师推送资源，创建讨论、发布任务，学生自主学习、查阅资料、参与讨论，完成课前任务。在课后线上线下，教师答疑解惑，成果展示，指导科技竞赛。在线下课内，完成项目导入，讲解知识难点和重点，然后学生进行虚拟仿真，在仿真的过程当中，教师进行答疑解惑，并记录学生的完成情况，仿真后进行分组实践操作，可以提升学生的团队协作能力。最后进行总结评价，总结由教师总结、小组总结以及自我总结三部分构成，根据评价结果，进行项目的修正。在此过程中，加入有趣的任务点，引导进阶增加任务难度，完善拓展设计，适时引入科技竞赛，选拔表现突出的学生参加省部级或者全国科技竞赛，比如“电子设计竞赛”“蓝桥杯”“挑战杯”等各类科技竞赛。4 阶梯式项目教学法的具体实施课程以电子产品、控制工程项目和科技竞赛题目为主线，将项目分解为进阶的工作任务，通过 Proteus仿真硬件设计和 C51 软件编程，实现在计算机上完成从单片机电路硬件设计、编程软件设计、调试与仿真的整个工作的过程。本课程内容与职业岗位标准密切接轨，从职业岗位技能出发，课程内容分为技能基础、171造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 科研课题技能综合、技能应用和技能创新四个部分。技能基础模块主要注重基本职业技能训练，使学生能完成简单项目设计和调试；技能综合主要注重职业岗位的开发技能训练；技能应用主要注重职业综合项目应用开发与设计，在后续相关课程的课程设计进行，可以根据实际需要选择项目；技能创新主要注重创新能力的培养，在学生的第二课堂进行，例如参加学校的书院活动、学科竞赛、教师的科研项目。将单片机的硬件及软件基础部分融入各个项目中，项目中遇到什么知识点就在项目中进行学习，第一个部分内容是单片机开关检测、键盘输入与显示接口，该部分有三个项目：节日彩灯设计、数码管显示设计、密码锁设计，分解成任务点后，包括输入和输出接口的使用与设计，在第一个任务点中融入单片机的结构、最小系统原理与软件应用等软硬件基础内容。第二个部分内容是单片机的中断系统，在任务点中融入中断原理，明确多中断时如何处理优先级。第三个部分内容是单片机的定时器/计数器，电子门铃设计和电子时钟设计两个项目，分解的任务点中不仅包括定时器计数器的内容还包括输入输出接口相关的知识点。第四个部分内容是单片机的串行口，包括按照通信方式分任务点，可以深入理解串行口的数据传输的原理。第五个部分内容是单片机的 I/O 口扩展，包括并口扩展和串口扩展。将项目分解为几个任务，任务知识点难度循序渐进，使学生掌握单片机指令的功能，单片机程序的编写，以及 keil 软件的使用和 Protues 仿真软件的使用，学生通过自己的所学，对项目进行扩展来实现其他功能。学生分成 2 3 人一组，进行协作，小组成员围绕每个任务点展开，通过任务实现的功能，进行自主探索和互助学习，完成既定的项目目标。教师也可通过演示项目实现其他功能，引导学生独立思考和自主学习，完成功能设计和实现，从而使学生通过自学掌握新知识、新技能，促使学生把所学的知识应用于实践。5 结束语将实际工程项目和学科竞赛内容分解成任务点嵌入教学内容中，以项目为载体，以任务为驱动，将教学的各个环节进行衔接，使其成为具有连贯性和完整性的基础、综合、工程、创新四阶梯的单片机原理与应用特色教学设计。教学实践中，“学”是主体，“做”为核心，“创”为导向，做的过程中能让学生进入职业角色，也能让学生体会到理论学习和实践动手能力一样重要，激发出学习兴趣。边做边学、边学边做，从模仿到创新的循序渐进，构建“做学创”相结合的新型单片机原理与应用创新教学平台，让学生在“做中学习、学中探索、探中创新”，从而解决创新思维、创新精神和创新能力不足问题。参考文献1 魏小燕.线上线下混合教学模式在单片机原理及应用课程中的应用研究:以交通灯的设计和制作为例J.造纸装备及材料,2023,52(11):246-248.2 金行泽,沙琦波.“项目+阶梯+探究式”教学方法在“流体压强与流速的关系”教学中应用J.物理教师,2022,43(9):43-45.3 杨慧,方猛亮,刘永斌.基于SolidWorks的新型机械原理课程设计教学案例设计J.机械设计,2022,39(增刊1):26-29.4 陈军,韩清华,杨安迪,等.项目团队教学法在嵌入式单片机课堂的探索与实践J.实验室研究与探索,2022,41(4):232-235.图 1 四个融合的新型教研平台学生活动：1.自主学习2.查资料参与讨论3.完成课前任务项目导入教师活动：1.推送资源2.创建并引领讨论3.制定并发布任务知识讲解总结评价虚拟仿真实践操作学生活动：1.完成拓展作业2.成果总结3.科技创新活动教师活动：1.解答学生问题2.成果展示3.指导科技创新“做学创”相结合的新型教研平台线下线下线上线下线上课外课内课外教师引导学生主体讲重难点学生互动个人仿真小组评价记录情况答疑解惑团队协作实操考察素养答疑教学效果反馈