基于项目任务驱动的单片机课程教学改革探索

付根平 朱立学 张世昂 黄伟锋

摘要 针对当前单片机课程实验学时少、课堂教学方法单调、学生单片机应用能力差等问题，探索一种以项目任务驱动的单片机课程教学改革方法，指导学生以小组形式开展基于单片机的项目任务研究，将单片机课程的关键知识点融入项目任务中，并督促学生完成项目任务进而达到单片机课程理论知识与实践应用相结合的教学改革目标。实践表明，改进教学方法后，单片机课程的教学效果有了明显改善。

关键词 单片机课程；项目任务驱动；教学改革；实践应用能力

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.031

单片机课程是自动化类、电气类、电子信息类等工科专业开设的一门重要专业课[1]，其内容包含单片机的硬件结构及工作原理、单片机的程序设计及其外围接口电路应用设计[2]，与相关的专业课程、课程设计和毕业设计联系紧密，是培养学生实践能力和创新思维的基础[3-4]，同时为学生从事自动控制系统的软硬件设计、设备维护等工作提供技术支撑[5-6]。单片机课程的教学效果，影响学生对专业知识的综合应用，是自动化等专业学习中的关键环节[7]。因此，探索行之有效的单片机课程教学改革方式，激发学生的积极性和学习兴趣，使之满足新工科发展要求的课程教学体系，是其主讲教师亟待解决的难题[8]。

根据单片机课程兼具理论性和应用性的特点[9]，结合仲恺农业工程学院（以下简称“我校”）自动化学院的专业特色，为达到培养新工科背景下工程创新型应用人才的目标，以农业电气化工程应用创新能力培养为主线，注重工程思维、强化实践应用能力、培养创新精神为原则[10]，探索一种以项目任务驱动的单片机课程教学改革方法。以教师为引领、学生为主体、项目任务为驱动，指导学生以小组形式参加各种学科竞赛、大学生创新创业项目，参与教师科研项目或者自拟题目，确保所有学生都加入项目组。在教师指导下，学生以项目任务为驱动，将单片机课程的关键知识点融入项目任务，并运用相关知识完成项目任务，开展理论与实践相结合的课程学习，以此增加单片机的实践应用机会，强化对单片机知识的理解和掌握，从而达到较好的单片机课程教学效果。

1单片机课程教学中存在的问题

当前，我校自动化学院的自动化、电气工程及其自动化等专业开设的单片机课程，在教学过程中主要存在以下几方面的问题：

1.1课程实验学时太少

单片机课程的实验学时安排太少。由于单片机课程的实践性和应用性较强，其目标是培养学生应用单片机的能力，基于单片机设计各类控制系统，这就要求学生掌握并能自主设计单片机控制系统的硬件电路，编写和调试单片机控制程序。而该课程实验学时安排过少，教学过程中学生做实验次数不足，难以满足对“实践”和“应用”的要求，导致学生不能熟练应用单片机知识开发控制系统。

1.2课堂教学方法单调

由于单片机知识点较多，但理论授课学时被缩减，且课堂教学方法仍以传统“灌输式”讲授为主，授课内容为单片机的内部结构和工作原理、汇编语言和指令系统等理论知识，对于初次接触单片机的学生而言，课程内容专业性太强、太枯燥，理解和掌握难度较大，只能被动接受知识，因而容易造成课堂气氛沉闷，学生学习积极性不高，故难以取得理想的教学效果。

1.3学生单片机应用能力较差

单片机实验课主要围绕实验箱开展，安排的实验课次数较少并且都属于验证性实验，缺乏设计性和创新性的单片机应用实验。此外，大部分学生课余时间也不会主动去做基于单片机的控制系统硬件设计和软件程序开发，参与单片机实践应用的机会很少，因此，很难真正学好单片机课程，导致相关的实践经验不足、动手能力较差，所以很多学生的专业学习兴趣不强，最终难以达到预期的专业人才培养目标。

2项目任务驱动的单片机课程教学改革

由于各种学科竞赛和科研项目中自动控制系统大部分要用到MCS-51、DSP、STM32等单片机作为控制器，因此，指导学生参加诸如大学生电子设计竞赛、“挑战杯”等学科竞赛和大学生创新创业等项目为驱动，以设计和开发基于单片机的控制系统为目标，引导学生将学科竞赛主题和项目任务与单片机课程知识相结合，根据单片机控制系统的功能需求去学习和应用单片机，做到学以致用、以用促学，激发学生学习单片机的兴趣，提高其应用单片机的能力，培养学生的团队合作精神，实现新工科背景下工程创新型应用人才的培养目标。

2.1项目任务驱动的单片机课程教学改革设计

项目任务驱动的单片机课程教学改革以学生小组分担的项目任务为导向，将单片机课程的关键知识点融入项目任务中。学生在任课教师的指导下，运用单片机的相关知识去完成项目任务，达到理论与实践相结合的课程学习目标。

为了取得理想的教学改革效果，任课教师应精心梳理、提炼出单片机课程的重要内容和关键知识点，并拆解成若干学习单元，如表1所示。将学生按3―5人进行分组，指导他们通过参加大学生电子设计竞赛、“挑战杯”等学科竞赛，大学生创新创业训练项目、导师的科研项目、给定課题或者根据兴趣自主选题，将单片机课程若干学习单元的关键知识点融入项目任务中，单片机的部分应用项目如表2所示。

而学生小组成员围绕着项目任务进行分工合作，应用单片机知识，共同完成项目任务。任课教师通过线上、线下方式对学生小组的项目实施各环节进行全程监督和指导，并在学期末组织各项目小组统一答辩考核，对各组项目的任务完成情况和单片机知识应用程度进行点评和总结，该过程实施流程如图1所示。

为了使学生更好、更高效地完成学科竞赛等项目任务，任课教师需要开设专题，辅导学生查找和分析文献资料的方法与技巧，指导学生设计基于单片机的控制系统，并引入Protel、Keil、Proteus等单片机电路设计、程序编写和虚拟仿真软件，便于学生仿真验证项目任务中基于单片机控制方案的可行性，及时发现存在的问题和不足，并加以改进和完善，确保项目任务能够顺利完成。在教师指导下，学生小组完成单片机项目任务的执行过程如图2所示。

以项目任务驱动的单片机课程教学方法，改变了传统课堂以“灌输式”为主的理论授课模式，能激发学生自主学习的积极性，增强学生的专业兴趣，也能培养学生综合运用单片机知识分析、设计自动控制系统的能力，加深对单片机知识的理解和掌握，同时可以锻炼学生的创新思维，培养团队精神和工程素养，提高学生的实践能力，积累项目开发经验。

2.2单片机课程教学改革内容

根据单片机课程注重实践应用的特点，加大实践教学环节的改革力度，提高实践教学的比重，从教学内容、教学方法、考核机制三方面改革单片机课程的教学举措。

①优化课程教学内容：结合我校农业自动化与电气化应用的特点，调整优化单片机课程的教学内容，更新和补充单片机在农业控制系统中的应用案例，如农情信息监测系统、大棚灌溉控制系统；增加可供学生选择的单片机应用项目；从单片机知识点中找出契合的切入点，融入课程思政元素，满足新时代“三全育人”的需求。

②改革课程教学方法：相比以教师讲授为主+课程实验为辅的传统教学方式，改革后采用课堂讲授、课程实验与项目任务驱动，线上线下相结合的教学方式，引导学生充分利用课余时间，发挥自主学习的主观能动性。对于单片机课程中重点、难点内容仍需在课堂上详细讲授，并结合应用实例做课堂演示，增强学生的感性认识，加深对关键知识点的理解和掌握。

项目驱动的单片机课程教改方法，以学生为中心，任课教师对学生开展基于单片机的项目研究进行多维度、全过程指导，如图3所示。指导学生确定合适的项目任务，引导学生将单片机课程的重要知识点融入项目任务，协助学生设计项目实施方案，引导学生查找学习资料和参考文献，督促学生按预期进度执行项目任务。此外，通过微信、腾讯会议等方式与学生建立实时沟通、讨论的线上渠道，及时了解单片机项目的执行进度，帮助学生解决遇到的问题，确保各组学生都按时顺利完成单片机应用的项目任务，达到预期的教学效果。

2.3单片机教学改革效果分析

以项目任务驱动的单片机课程教学改革方法已在近2年应用于我校电气工程及其自动化（简称“电气”）专业。采用单片机课程考试成绩和学生对单片机课程评教相结合的方式，对近4年电气专业单片机课程的教学效果进行综合评价。电气17级～20级学生的单片机课程考试成绩统计如表2所示，对比可知，教改后课程的不及格率下降了约4%，而优良率提高了8%左右，平均分提高了大概5分，显然，教改后“电气”专业单片机课程的教学效果有了较明显的改善。

學生对单片机课程的教学内容、教学方式、教学效果等方面进行综合评教的平均分在90分以上，由此可知，大部分学生对以项目任务驱动的教学方法较为满意。此外，一些学生在学习单片机的过程中参加了相关学科竞赛并获奖，例如广东省大学生电子设计竞赛一等奖、广东省“合泰杯”单片机应用设计大赛一等奖、广东省“挑战杯”大赛二等奖。

通过改革实践，学生普遍反应收获较大，对单片机应用设计有了更深入的理解，激发了学习单片机的兴趣，提高了实践动手能力，并且促进学生更好地将专业理论与实际应用相结合，培养了创新意识和严谨科学的工程素养。

3结论

以项目任务驱动的单片机课程教学改革方法，丰富和完善了单片机课程的教学手段与教学内容，解决了传统单片机课程教学中实验学时不足和学生实践能力较差的问题，为学生提供了实践与创新的机会。学生通过对单片机项目的任务分析、方案设计、实物制作和调试，既加深了对单片机知识点的理解和掌握，提高了实践动手能力，又锻炼了创新思维，培养了团队合作精神，同时可以激发专业兴趣。此外，单片机课程的教学改革方法可以复制和推广到其他专业课程，为新工科背景下培养合格的毕业生做出应有的贡献。

基金项目：广东省高等教育教学改革项目（粤教高函〔2021〕29号）；广东省重点领域科技研发计划项目（2019B020223003）；农业工程学院高等教育教学改革项目（KA210314515）。

参考文献

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[2]夏益民，谢云，蔡述庭，等.“电子技术”课程设计教学改革与实践探索[J].电气电子教学学报，2017，39（6）：148-150.

[3]谷爱昱，张建新，夏益民，等.电类基础课程教学改革的实践探索[J].电气电子教学学报，2017，39（1）：36-37，142.

[4]崔阳，何召兰，张凯利，等.一流课程背景下“电子技术”教学改革的实践与探索[J].电气电子教学学报，2021，43（4）：19-22.

[5]张丽，王立国，刘景艳，等.课程思政视角下数字电子技术教学改革实践与探索[J].教育教学论坛，2020（26）：93-95.

[6]陆旭明，缪建华.项目化课程教学改革探索——“单片机技术”课程的开发及实践[J].江苏技术师范学院学报，2010，16（3）：79-84.

[7]于跃，徐今强，杨燕霞.应用型高校自动化专业电力电子技术教学改革探索[J].科技资讯，2020，18（10）：74，76.

[8]王晶心，冯雪松.基于慕课的混合式教学：模式、效果与趋势——基于SSCI和ERIC数据库的分析[J].中国大学教学，2019（10）：49-55.

[9]付根平，朱立学，张世昂.基于ROS和激光雷达SLAM的实训机器人[J].信息技术与信息化，2021（11）： 32-35，42.

[10]冯晓英，王瑞雪.“互联网+”时代核心目标导向的混合式学习设计模式[J].中国远程教育（综合版），2019，（7）：19-26，92-93.