工程教育背景下STM32 单片机课程教改与实践

吴德广，陈 源，陈日恒

（邵阳学院 电气工程学院，422000，湖南邵阳）

近年来，高校在工程教育专业认证方面加快了步伐，自2006 年我国开始工程教育专业认证，2011 年11月《工程教育专业证书标准》被制定[1]，2016 年6 月我国正式加入《华盛顿协议》，成为该协定的正式签署国。工程教育专业认证的核心是资格评估，面向的是培训目标和最终出口要求，华盛顿协议的认证协会认证的是工程师专业。工科专业想要通过专业认证，首先要符合工程教育专业认证的要求，然后通过工程教育协会来认证。工科专业一旦被协会认证，那么在国际范围内，该专业毕业生的学位是被公认的[2]。因此，在高校，工科专业实施工程教育专业认证已成为必然趋势，是学校办学水平的重要标志。为了学科和专业的发展，邵阳学院电气工程自动化专业在2019 年开始启动专业认证工作，单片机课程教学从2020 年开始进行教学改革，根据工程教育专业认证的理念、电气专业的特点和STM32 单片机课程特点，对传统单片机课程的教学方法进行改革。本文讨论了STM32 单片机课程教学的现存问题，提出了教学改革的方法，并通过实践证明了改革后教学方法的有效。

1 STM32 单片机课程教学现状和存在问题

随着工业4.0 和智能制造时代的到来，国民经济建设和日常生活中的各个领域已经开始从自动化向智能化转变[3]，智能化的核心器件是智能控制芯片，传统单片机的性能已经跟不上时代的变化。根据单片机课程的上课经历、国内同行教学培训会议的交流及相关资料的查阅，STM32 单片机课程在日常教学中存在如下问题。

1.1 课程体系缺乏系统性和相关性

目前电气专业课程体系的系统性和相关性不强。一般电类专业都会有电子技术实习、单片机、电子技术课程设计等相关课程，在电子技术实习环节，一般通过焊接收音机套件来认识电子元器件和学习焊接技术，虽然与电子相关，但与后续课程内容相关性不强，也没有太多的实用性；在单片机课程环节，更多的内容是介绍原理和程序，实际操作过少，由于经费的原因，学生缺少设计和开发的硬件环境；在最后的电子技术课程设计环节，学生更愿意选择模拟电路和数字电路的课题，不用编程相对简单，造成了很多学生没有单片机的设计和开发经历。而STM32 单片机课程在后续专业课学习、毕业设计、学科竞赛、将来从事的工作等中都有很大的用处，是学好后续课程的基础和立足点，对于地方二本院校学生，学好单片机课程就能把专业学活了。

1.2 课堂教学内容陈旧

传统课堂教学内容老旧，并缺少以学生为中心的教学过程。目前，大多数高校单片机课程的教学内容还是以51 单片机作为硬件对象[4]，而经典的MCS-51 单片机是INTEL 公司于1980 年推出的产品，几十年前的电子技术，很难适应时代发展的需要[5]。在课堂教学实践中，2020 年开始选择STM32 单片机作为教学内容。对于STM32 单片机，普遍反映入门较难，难以理解内部结构，需要更多的实际操作过程，并且传统教学方式是以教师为中心，教师在讲台上讲，学生认真听和记笔记，期末的时候背一背基本知识点就可通过考试，学完后学生可能连单片机的一些基本操作都不会，甚至一些基本元器件都不认识，更谈不上单片机程序的设计和开发了[6]。

1.3 课程考核方式落后

在考核与评价制度上，缺少可持续改进的考核机制。闭卷考试是单片机课程采用的主要考核方式，考查内容依然是课本上的知识点，教师往往强调理解和记忆知识点，通过一次考试来评定学生的学习成绩，学生对课程的掌握情况得不到充分反映，学生的思维能力、分析问题能力、知识的实践应用能力体现不足。这会导致学生只是靠记忆来应对考试，其创造性思维能力没有得到发展，更谈不上动手能力的提高，这样很不符合工程教育专业认证的理念。

2 STM32 单片机课程教学改革

2.1 建立培养工程应用能力的课程体系

单片机原理与应用课程理论性强，实践性也强，并有一定的综合性，学习深度和难度比一般课程大，加之课程的内容多和学时少，使得学生对学习产生畏难情绪。如何在课时有限的情况下，既使学生掌握单片机的基础原理，又能进行简单的设计开发应用，这是课程改革的关键。

在专业认证过程中，需要对课程体系进行深思考，从整个专业课程的设置来看，“单片机原理与应用”是一门专业基础课程，后续专业课中的硬件控制过程需要用单片机来实现，因此，单片机学习非常关键，在这里建立以STM32 单片机为核心的强相关性基础课程体系，理论和实践相结合培养学生工程应用能力。首先，在STM32 单片机课程教学之前，开展电子技术实习，让学生焊接一个小型STM32 的开发板，让学生对常用电子元件和STM32的模块有实质性的认识，在有限的经费条件下获得了单片机的硬件开发环境；其次，在单片机课程教学时，引入Proteus 硬件电路仿真软件，让学生有条件来验证C 语言的开发和设计[7]；最后，在开展电子技术课程设计中，使用前面实习环节的开发板来完成简单的电子系统开发和设计，从而形成一个以STM32 单片机为核心的基础课程体系，课程体系如图1 所示。通过电子技术实习能让学生对单片机形成感性认识，通过单片机课程进行理论学习和仿真开发，最后通过课程设计锻炼实践创新能力。这种高度相关的课程体系的设置，能让学生充分熟悉单片机开发和设计的各个环节，为后续专业课程的学习打下坚实的基础，也很好地培养学生的工程应用能力。

图1 单片机的课程体系

2.2 践行工程教育专业认证理念的课堂教学

单片机原理与应用课程对学生的硬件和软件开发能力有一定的要求。灌输式教学是以教师中心的传统教学方法，课程教学以教师讲授为主，学生边听边抄笔记，学习很被动，目标不明确，也没有闭环的可持续改进的模式，这样教学效果非常不好。随着科技的进步和学校在网络教学方面的投入，通过学校提供的超星学习通，搭建网络交互式教学平台与线下教学相结合，建立以学生为中心的教学模式；引入Proteus 软件进行硬件电路仿真，单片机的每个模块都以项目的方式来驱动学生的学习，实施“成果导向”教学法。实践工程教育专业认证理念，激发学生的学习兴趣，开拓学生的思路，培养学生单片机的编程和开发能力。

（1）采用以学生为中心的教学方式。在学校官方提供的学习通网站上，建立网络交互式教学平台，可以对传统课堂进行很好的补充，不仅能开展签到考勤、播放课件视频、主题讨论、习题作业、扩展资料等教学活动，打破师生间地域和时间的限制，增强师生的互动性，还能记录学生的学习痕迹，根据后台数据可以客观评判学生的学习表现。图2 为学习通网络交互式教学平台。教学实施过程中，提前布置教学任务，让学生通过网络平台进行学习，线下课堂根据后台数据通过互动进行重点和难点的讲解，并对学生提出的共性问题实施有针对性的教学。通过搭建网络交互式教学平台，建立以学生为中心的教学方式。

图2 学习通网络交互式教学平台

（2）应用“成果导向”教学法。Proteus 软件是英国Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具软件，能进行单片机及外围器件的软件仿真，提供了非常丰富的元器件库和虚拟仪器仪表，在Proteus 8.6 版本之后，才能够仿真STM32 系列单片机。在教学实施过程中，将单片机每个章节内容都设计成相应的项目任务。前两章是基础理论介绍，内容为单片机的发展应用和单片机的工作原理，采用传统教学方法，以及要求学生以写综述论文的方式提交小论文，提高学生资料文献搜索能力和论文写作能力；后面的章节都可布置一个个具体的小项目，包括单片机软件开发环境的搭建、GPIO 模块、中断模块、定时器模块、串口通信模块及单片机系统设计模块，并且每个模块通过Proteus 仿真来实现，每个模块的项目设置不同的难易程度。图3 为单片机控制数码管电路显示的仿真设计。实践证明，引入Proteus软件仿真实现这些小项目，应用“成果导向”教学法，有利于培养学生的电路设计和软件编程能力，还能极大地提高学生的学习兴趣和开发设计的效率。

图3 数码管电路显示仿真设计

2.3 实施多环节课程考核建立“持续改进”教学机制

传统的单片机原理与应用课程的考核方式环节比较少，最终以考试分数作为评价标准，在某种程度上直接影响学生的学习态度和积极性，存在不少弊端。为了实现工程教育专业认证考核，在考核环节方面，设置了平时表现、章节作业、项目实现和期末考试四个环节，占比分别为20%、10%、10%和60%，具体关系如图4所示。章节知识点即为课本主要的知识点，平时表现分为课堂考勤和网络平台知识点的学习情况，作业能及时反馈学生对知识点的掌握情况，每个项目能及时反馈学生对知识点的掌握应用情况，最后还有期末考试，对整个课程重点知识的考核，体现学生对知识的综合应用水平。

图4 四个环节考核体系

以多环节的过程考核，建立“可持续改进”教学机制。前两个环节是在网络交互平台上完成，并留下学习痕迹，第三个环节做的小项目需线下课堂检查打分并进行讨论，第四个环节是期末考试，需登记每个小题的分数，通过统计细化到学生对知识点掌握情况。这种多环节的考核制度，一方面能促使学生持续改进自己对章节知识点的认知和应用；另一方面，教师根据后台数据、项目完成情况和试卷分析做出工程教育专业认证的课程达成度分析报告，量化分析整个教学实施过程和各个教学环节对教学目标的达成作用，综合分析学生的学习情况，作为课程教学持续改进的可靠依据。

3 教学改革效果

本次教学改革以邵阳学院2019 级和2020 级电气工程及其自动化专业的单片机课程为实验对象，阐述工程教育专业认证背景下课程教学改革和实践。2019级班级采用的是传统教学方式，作为对照组；2020 级班级采用改革后的教学方法，作为实验组。将对照组和实验组的期末综合成绩进行比较，结果如图5 所示，实验组的不及格率明显下降，中等和良好率明显提高，获得优秀的人数也更多；并在2022 年湖南省大学生电子设计竞赛中，学生取得了2 个一等奖、3 个二等奖和3个三等奖的可喜成绩，这说明学生使用单片机开发和设计的动手能力更强了。在工程教育专业认证方面，邵阳学院电气专业也顺利通过工程教育专业认证。实践结果表明，教学方法改革后，学生对知识点掌握更好，学习兴趣更大，编程开发设计能力也增强了，可以说取得了较好的教学效果。

图5 两组成绩对比图

4 结语

本文从STM32 单片机课程的教学现状出发，提出了以工程教育为背景的STM32 单片机的课程教学改革思路，探讨了以学生为中心培养学生的创新能力，以项目式教学为基本点激发学生的学习兴趣、提高学生动手能力，以多环节的考核机制教学方式进行持续改进等教学改革措施。实践结果表明，改革后教学效果明显，在学生的学习成绩、学科竞赛和学校工程教育认证方面都取得比较好的效果，为工程教育教学实践发展作出了应有贡献。