单片机课程项目式教学实践分析

摘要：为了践行“新工科”背景下应用型高等院校电子信息类专业的人才培养，立足单片机应用行业工程需求，创新了课程模式。注重于工程类专业人才培养过程，结合行业需求融入PBL教学模式，提出单片机应用项目的实际问题，并以项目需求作为导向逐一细化，重现和突出电子类产品设计及研发流程，通过实践教学改革促进电子信息类专业学生对单片机应用类课程的理解和运用，综合提升学生理论联系实际的工程理念和实战水平，并将单片机项目式教学方法串联到相关学科，全面渗透到专业课程教学、课程设计、毕业设计及学科竞赛中。经过持续的质量监控和教学反馈，取得了良好的教学效果。

关键词：新工科；PBL模式；单片机课程；项目式教学

“新工科”的提出从多方面强调了工学学科的工程性、实用性、学科交叉性与知识体系综合性[1-2]。电子信息类专业属于“新工科”的范畴，该类专业课程多数与工程需求联系紧密，要求学生能够学以致用，以工程理念解决实际问题[3-4]。单片机原理类课程属于该类专业中实用性较强的课程之一[5]。单片机课程开设之前一般会开设编程语言及电类基础课，通过前导课程可加深学生对单片机的理解，同时又可联系课程深化工程基础，基于单片机积淀拓展到嵌入式系统领域[6-7]。从单片机课程开设的阶段上不难看出单片机类课程的重要性和与其他相关课程的结合性，但通过传统教学和专业实践能力的相关考核后发现，单片机课程的实践与理论教学有脱节现象，很多学生在完成课程后并不能结合相关知识设计出作品，实践能力的短板在课程设计、毕业设计和学科竞赛中表现得尤为明显，甚至有不少学生从项目需求的提出到项目实现需要经历哪些环节也是模糊的，整体上缺乏项目概念与工程方法[8-9]。基于以上现状，本文将PBL（Problem-BasedLearning，PBL）作为基础学习模式及项目式教学方法引入到传统单片机教学中，以此改善教与学脱节情况，使学生在明确工程需求的前提下思考项目并接受相关知识，深化理论，强化动手实践能力[10]。通过方法改革与质量监控取得了较为显著的改善。

1传统单片机类课程与工程应用脱节的表现和原因

1.1缺乏问题导入，导致学生对工程需求整体模糊。在实际工程项目中首先要明确项目需求，有了需求分析才能明确任务切块、功能设计及单元选型。在高校的单片机课程中很少涉及实际工程项目的分解，也不要求学生培养需求分析能力，更不要求学生合理运用工具和记号描述待开发系统的功能指标、行为特性及条件约束，因此学生在实际参与项目时，没有与“需求方沟通”和形成“需求文档”的概念，最多只有教师下发的“实验任务书”的概念[11]。学生在此环节中只知道按照教师要求的实验步骤和程序尝试实验过程，并没有考虑实物用在哪里，具备什么功能。1.2理论教学内化不足，难以形成支撑和铺垫。不少高校在单片机课程授课过程中理论比实践超前较多，虽然提前了解理论对实践具有一定的指导意义，但从另一方面也存在理论知识来不及内化导致脱节的问题。以MCS-51内核单片机授课为例，最小系统搭建及I/O配置内容较初级，授课占比小，授课一般会“快进”，任课教师一般会把重心放在中断、定时/计数器和串口通信章节，等到讲解外中断引脚触发方式、外部计数及串口收发时发现学生可能又遗忘或忽视了I/O部分内容，再加之实验课比例不足，最终导致学生可能无法合理分配I/O、缺乏对I/O的结构理解、疏于对I/O的模式配置，学到了重点知识又忘记了基础知识，这就是理论内化不足导致的。1.3实践教学形式传统，实验过程缺乏创新。高校单片机类课程实践环节多依靠实验箱完成实验，基于该平台的多数实验都采用变更线路的方法，学生运用原有例程烧录到实验箱中，通过插拔导线更改线路，完成基本的数据读取和效果验证。此类实验箱虽简化了实验复杂度，便于实验室管理与维护，但在很大程度上限制了学生的动手实践能力与创新思维。在一个功能固定、线路固定、模式固定、程序给定的平台上是很难根据项目需求去变更设计、资源选型及多元搭配[12-13]。若学生未完成实验，要么是实验箱问题要么是连线问题；若学生完成实验，只能说明效果验证基本成功，学生在参与实验和完成实验的过程中体验感较差，难以激发兴趣进行拓展训练。1.4课程群缺乏衔接，综合设计“孤掌难鸣”。单片机课程开设之前都有编程语言设计及电学基础作为前导课程，课程与课程之间不应相互独立。若将其他基础课程比作“珍珠”，则单片机课程应该是“连线”，充分结合相关课程后才能形成“项链”。以恒温水浴锅为例，温度的测量与加热器的功率调节应该组成闭环达到恒温动态调节。温度值转换机理体现了《传感器原理及应用》的相关知识，温度传感器电信号处理和放大电路设计及加热器功率调节需要《模拟电子技术》作为支撑，温度采集与量化需要《数字电子技术》作为支撑，参量的闭环与PID控制需要《自动控制原理》深化理论，剩下的单片机主控需要相关编程语言和单片机课程提供理论与实际支撑。1.5软硬非均衡发展，导致“重数轻模，重软轻硬”。现代电子产品逐渐变得小型化、智能化，电子产品本身就是一个硬软件相结合的系统产物。对于工程化单片机教育产出的学生应该可以合理选用软/硬方法解决问题，虽然产品研发工程师有术业专攻，但在知识体系上软硬件必有融合部分，鼓励学生合理积累软硬件知识去解决工程问题是绝对有必要的。单一的实验模式会造成学生注重编程轻视电路搭建，注重数电轻视模电，最终导致学生缺乏系统的全局观，影响方案决策和系统融合。以混合系统信号处理为例，若用ADC采集混有周期性交流信号的直流电压，就会出现滤波方案的选择问题：若只会软件则滤波功能由单片机内部算法实现，无形中增加了CPU的计算负担且影响实时性能；若只会硬件则需要设计滤波电路，增加工作量和成本花费，且单一方法下可能无法达到满意结果。故而在单片机课程培养中应该合理注重软硬件均衡发展，以特长方向展开深入研究并带动短板。

2推行PBL模式下的项目式单片机实践教学方法

2.1从实际工程中提炼需求，明晰关键问题和设计路线。在实践阶段挑选难度适中的项目案例让学生讨论需求，指定讨论角色，教师充当客户，学生充当研发。由教师给出项目需求，反复沟通后由学生产生需求文档，中途故意调整需求，让学生能够带着问题和目的去研究和研发。注意在案例分解时使用PBL模式引导学生思考，在理论教学阶段也可结合行业应用展开知识点讲解。例如，在讲解I/O章节时引入电话按键音频解码需求，看似互相没有联系的内容其实更容易激发学生思考，由对按键音的解码可引出DTMF双音多频解码芯片HT9170，解码后输出的电平组合变化可以让学生尝试解析，从而深化学生对I/O的理解和知识面的扩展。2.2设计开放式多核实践平台，下达项目式任务，把控质量验收。在高校中推荐任课教师组成课程组，结合实验工程技术人员尝试单片机实验平台自制与创新。融入专业课程特色及教师特长，科研积淀为实践教学助力加油。例如，构造STC8系列单片机与STM8/STM32系列单片机多核平台，在传统MCS-51内核单片机教学后让学生尝试在不同单片机平台上移植和编写程序，锻炼学生跨平台的应用能力。在开放式平台基础上下达项目任务，可以单人或分组自拟题目进行发挥，实验课由验证项目与变形实验共同构成，把控学生对知识点的掌握情况。2.3串联相关课程，综合式激发学生创造能力。单纯的单片机课程能够扩展的实验较少，所谓的综合实验也只是单片机片上资源及基础的组合形式，这样的实验距离实际工程还有很大差距，不妨结合相关课程进行大串联。例如，制作水塘溶解氧检测系统，激发学生对传感器、模电数电、单片机、无线传感网络等课程的串联；以太网远程控制水泵装置，激发学生对计算机网络、网络设备、单片机、电机驱动、电力电子、分布式网络控制等课程的思考。2.4模拟项目实施，形成团队，重现开发流程。际工程项目的实施分阶段分团队共同完成。在单片机课程中也可模拟一个项目的具体实施，成立研发团队，规范化形成相关文档，体现软件和硬件的对接和调试。以硬件部分为例，制作PCB文件，配套BOM清单，熟悉工程师物料选型及PCB工艺要求，结合《电子工艺》类课程形成硬件原理图及仿真结果，感受电路从设计到实物的过程。此类项目模拟可放在课程设计阶段具体实施。2.5直击热点，开放式选题，对接行业应用。教师在单片机课程授课阶段应渗透行业应用，指引学生建立研究方向。例如，汽车电子应用中需要用到现场总线，可指引学生基于单片机基础进行CAN总线研究，尝试让学生利用所学基础知识驱动MCP2515或SJA1000T类CAN控制器，然后自行搭建CAN收发器电路实现环回模式或者多点通信，让学生体会到汽车电子中应用CAN总线带来的诸多优势和特点。基于研发热点，教师还可指引学生了解指纹识别、颜色识别、语音识别、电力载波、电机驱动、无线通信、射频识别等方向，基于热点研究相关芯片和方案，培养学生以单片机为基础、以行业应用为导向的研究路线和工程能力。

3结语

单片机类课程必须体现实践环节，良好的教学方法可让学生们易于理解、乐于接受。因此进行单片机课程结合、授课模式创新、理论实践优化、实验平台研发及项目式框架引入是十分必要的。以明确的项目需求为导向，配合PBL模式的问题引入，基于工程化理念和项目式实验可激发学生的求知欲和创造力。模拟项目的拆解和组建团队还可让学生体会项目的具体分解和实施，提升沟通能力，明晰行业热点及需求，激发学生兴趣并以此建立学生的研究方向和特长。基于本文的改革策略，经过长期的实践与质量监控，应用PBL模式的项目式单片机教学已收到部分实效，但这也仅是“新工科”方向的基础性改革，随着项目式实践教学的深入还将进一步提高单片机应用面的深度和广度。

作者:龙顺宇 杨  伟 吴路光 林元乖 单位:海南热带海洋学院