工程教育认证背景下的单片机实验教学改革

谭筠梅，蓝 天，张 晶

(兰州交通大学 国家级计算机实验教学示范中心，甘肃 兰州 730070)

2013年6月国际工程联盟大会经过正式表决，全票同意接纳中国成为《华盛顿协议》的预备成员，标志着我国工程教育(专业)认证进入了实质性的实施阶段[1]，这对我国的高等教育改革将产生巨大的影响与推动作用。为了适应国际工程教育认证的发展形势，满足我国工程教育改革和深入，推进工程认证工作的需要，我国对《工程教育认证标准》不断进行修订，目前最新版本是 《工程教育专业认证标准(2015版)》[2]。全国各类高校都非常重视工程教育认证的工作，因为它不仅是对本科工程类专业教育水平的一种评估，也可不断提高工科专业本科教学质量和工程类专业的国际竞争力[3]。

兰州交通大学计算机科学与技术、通信工程等专业获批参加2016年的工程教育专业认证。在此背景下，学校修订了计算机科学与技术等专业的培养计划。在新的培养计划中对于工程认证本科教育提出了从人文文化、科学文化到工程文化等10个方面的要求。如计算机科学与技术专业在毕业要求的第4点要求，即学生应能运用现代信息技术、有关开发工具和实验平台对计算机应用系统进行研究，并能分析(了解)工具使用的局限性，解决计算机及相关领域的应用系统设计、集成、测试及实施过程中的实际工程问题。毕业要求的第8点，即要求学生具有一定的组织管理能力，能在多学科背景下的团队发挥作用。新的教学要求对现有的实验课程的教学模式提出新的挑战，改革现有实验课程尤其是工程实践类实验课程的教学模式迫在眉睫。

1 课程存在的问题及改革方向

单片机技术是高校计算机类硬件课程体系的重要课程，也是一门较能激发学生主动学习和动手实践的实用性课程。通过调研，我校开设单片机技术课程的专业有计算机科学与技术、物联网工程、电子信息工程、轨道交通与信号控制等多个专业，一般该课程的实验课时都在16或32课时。如表1所示，为16课时下常见的一些单片机实验项目，可看出这些实验项目之间缺乏关联性且绝大多数都是演示性实验或验证性实验。这样的实验教学方式脱离了工程教育的培养要求，导致学生缺乏现代工程设计思想和方法，欠缺综合运用多方面知识解决实际工程的能力。

为了把工程教育认证的毕业要求逐条地落实到每一门课程的培养教学大纲中，针对当前单片机实验课程存在的问题，制定了新的单片机课程的培养目标，使得学生通过该课程的学习能够达到毕业能力指标点的要求。新的培养目标要求通过本课程的学习，使学生掌握单片机的硬件结构特点、工作原理、接口电路、软件编程及应用系统分析设计能力；培养学生熟练运用各种单片机软硬件实验平台开展相关实验的能力；以小组为单位，通过协作完成一个中小型工程应用项目系统开发的能力。

表1 常见的单片机实验项目

课题组对当前的单片机实验课程体系进行了改革，把单片机技术的教学与实际工程项目相结合，提出新的单片机技术实验应该是项目引领和层次化的实验。在这种新的教学方式下，师生可以共同参与，以教师为引导、以学生为主体、以完成一个完整工程项目为教学目标，可充分提高教学效率、调动学生的积极性、激发学生的创造性[4－6]。

2 项目引领式的实验项目设计

2.1 实验设计思想

为了解决现有单片机实验课程存在的问题，在教学中必须要突破传统的教学方法，引入工程教育认证的理念。解决复杂工程问题是国际工程教育发展的大趋势，也是合格工程师必须具备的能力[7－8]。为此，在单片机课程的实验教学中，采用了工程项目引领的教学模式，就是以工程项目为依托，让学生参与项目的设计、制作及调试，使学生在项目实施体验中获得经验和技能，培养出基于系统级的设计意识和理念，从而达到理论联系实际的教学目标，同时也可培养学生交流沟通能力及团队合作精神[9]。

项目的选取和设置应根据不同专业的教学目标和学生来变换。项目的设计要有系统性和实践性，在项目实现的过程中不仅要利用所学知识与理论，同时也要让学生了解并紧跟行业相关需求，注重领域内前沿技术，这样才能真正体现理论教学与实践教学一体化，传授知识与培养能力一体化[10]。

基于以上原则，实验项目的设计必须根据学生的兴趣爱好，掌握知识和技能的不同程度来设计。根据实际情况将实验项目科学地划分为基础和提高两个级别，同时合理分配实验任务，合理设计任务难度，达到既可完成每个教学知识点的要求，又可让不同层次水平的学生根据自己的实际情况完成相应难度的任务，找到完成任务的自豪感[11]。

2.2 实验项目设计

以 “大项目、小任务”为宗旨，设计了多个新的实验项目，并对每一个大的实验项目进行了教学及实验任务分解。针对课时少的专业，设计了难度相对较小的实验项目——农业大棚温度监测系统。按照单片机工程项目设计的思路，将该项目进行任务分解，划分成几个小的功能模块，包括最小系统的搭建、系统显示模块报警模块、系统输入模块、温度监测模块和温度控制模块，实验项目分解及课时分配如图1所示。与表1进行对比，可发现同样是教学内容要求的实验项目，在实验项目设计过程中，改变了以往开设的这些常见的实验项目都是独立无关联这一缺点，以单片机最小系统为基础，通过知识点的不断增加逐步实现每一模块的功能，最终完成该工程项目，使学生初步掌握了独立进行单片机应用系统设计和制作的能力。

图1 农业大棚温度监测系统实验项目组成图

针对一些课时相对较多，在嵌入式、单片机方向具有较高培养目标和要求的专业，设计了一些相对具有一定难度的实验项目。如图2所示，是其中一个实验项目“智能家居系统”的实验任务分解和课时分配图。该项目包含单片机最小系统搭建、系统显示报警模块、系统输入模块、系统通信模块和家居控制模块。通过实际的单片机工程项目可以打开学生的兴趣大门，通过把每一个知识点落实到每一次实验任务中，使学生积极主动并循序渐进地掌握知识及应用，不断提高他们的工程实践能力，达到工程教育认证的培养目标。

图2 智能家居系统实验项目组成图

3 项目引领式的单片机实验教学过程

3.1 实验项目的教学组织和任务分配

在工程认证教育的背景下，针对不同专业，基于工程项目引领的单片机实践教学的教学属性和教学组织形式不同，如在计算机科学与技术专业，该课程为必修课，有两个学分，课程属性为实践类课程，考核方式为考试。此外，面向全校没有开设该课程的学生，也按这种新的教学方式在每学期都开设了开放实验，学生被这种新的教学方式吸引，报名和学习热情高涨。

在教学过程中，以项目为中心，以提高学生工程实践能力为目标，按照项目管理的方式开展教学，教师相当于项目经理，学生是实施项目的主体[10]。把学生按3～4人分成一组，每组设有组长，小组成员既有分工又有合作。指导教师对项目进行讲解，布置任务，给出建议实验计划。按照工程化的方法开展并完成实验项目，要求每组学生给出一份项目计划书，项目计划书中列出合理的项目计划及小组成员职责分工表，把项目分工完成情况作为评价每位学生最终考核成绩的依据之一。

在项目实现的过程中，指导教师需要讲解项目实现所需的基本原理及技术难点，教师讲解时注重单片机项目的设计方法及常见问题的解决方法。教师还要重视学生的动手操作能力，提高学生自主学习的能力。根据实验项目任务，学生在老师的指导下首先对项目进行总体规划设计，分配好硬件资源，设计好软件流程。将项目划分为不同模块，从搭建单片机最小系统开始实现各个模块，最后系统集成实现整个项目。

3.2 实验成绩评价与考核

项目式教学模式不但要求对结果进行评价，同时也强调对学习过程进行评价，对个人的评价和对小组的评价[12]。为了达到工程教育认证的毕业要求，体现工程教育认证下课程目标的达成度，针对如前所述的毕业指标点4和指标点8，对单片机实验课程进行了指标点分解，制定了多条考核标准及评分依据，如表2所示，为部分考核指标及评分依据，对每个学生的每次实验项目都从这些角度进行考核并给出成绩，学生的最终成绩为各次实验成绩的平均分，且这个成绩也能较好地体现出课程目标的达成度。

表2 实验成绩考核和评价标准

4 结束语

国际工程教育专业认证为我国IT类人才培养提供了新的思路。以认证的理念和标准作为指导思想，以满足工程教育认证的新的培养目标和培养方案作为切入点，对单片机课程的实验教学进行了改革和实践，设计了分层次的基于项目引领的单片机实验项目，并应用到实际教学中，取得了良好的教学效果。

[1]光明网.中国加入 《华盛顿协议》工程教育质量得到国际认可[EB/OL]. (2013－08－20) [2013－11－20].http://edu.gmw.cn/2013－08/20/content＿ 8657268.html.

[2]中国工程教育认证协会官网.工程教育认证标准[EB/OL]. (2015－05－16)[2015－06－22].http://meea.cmes.org/article.aspx＃id ＝3.

[3]王观玉.石云辉.工程教育认证下应用技术大学计算机类人才培养研究[J].黔南民族师范学院学报，2015，35(4):97－102.

[4]谢四莲，刘峰，张军.“项目驱动法”在 《单片机原理及应用》教学中的应用研究[J].湖南人文科技学院学报，2010(2):124－125.

[5]邱岚.项目驱动法在 《单片机原理与应用》课程中的应用[J].成功教育，2013，35(10):137－138.

[6]孙宪丽，张欣，张楠.基于工程教育专业认证的计算机专业人才培养模式研究[J].大学教育，2016(4):112－113.

[7]杨广华，牛萍娟，李玉兰，等.基于项目驱动的工程教育本科教学实践研究[J].实验科学与技术，2014，12(1):94－97.

[8]张同庄，胡明，郭健鹏，等.以能力为导向的单片机卓越工程师培养[J].高教学刊，2016(21):92－93.

[9]李妍.项目化教学在嵌入式系统实践课程中的探索[J].实验室科学，2012，15(5):27－29.

[10]崔永利，唐远新，陈德运，等.项目驱动模式下嵌入式方向实践教学探索[J].实验室科学，2016，19(4):119－121.

[11]马志敏.项目式教学在 《工业机器人技术》课程中的技术应用[J].教育现代化，2016，9(26):230－231.

[12]王建英，石飞，冯龛.项目式教学法在电子设计自动化实践教学中的问题与对策[J].实验室科学，2015，4(18):218－220.