项目驱动下单片机课程理实一体化教学研究

摘要：在新一代人工智能产业革命背景下，应用型高校的人工智能课程中，单片机原理及应用课程面临诸多挑战，如理论内容枯燥乏味、实践内容与理论脱节、工程应用实践性课时不足等。为解决这些问题，文章提出了一种项目任务驱动下的理实一体化教学模式，并将其应用于理论与实践教学中。结果表明，该教学模式能够有效引导学生探索相关新知识，激发他们对单片机领域的学习兴趣，并显著提高学生的应用能力。

关键词： 人工智能；单片机课程；项目驱动；理实一体化；教学改革

中图分类号：TP23 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0168-03

0 引言

信息和自动化技术领域中非常关键且重要的技术，广泛应用于工业智能仪表、光机电设备、自动测量、信息处理、家用电器和军事技术等领域[1]。结合本校作为应用型本科院校的特点，《单片机原理及应用》的教学方法必须与普通本科院校有所不同，更需要注重课程的应用性和实用性[2-3]。近年来，大部分本科和专科院校中的电类学生都参加了全国大学生电子竞赛，在比赛中，单片机的使用几乎成为学生选题的主流。单片机的学习和应用涉及电路分析、模拟电路、数字电路、传感器、计算机控制技术和程序设计等方面。因此，在学习单片机系统设计的过程中，学生会回头再学习、研究这些课程所学过的知识，学会使用其中的原理和方法。这样的过程让学生经历了从理论到实践再到理论的反复学习，从而为应用型本科院校培养具有强实践能力的优秀学生[4-5]。然而，传统的单片机课程教学方法存在一些问题，如理论教学方法单一、内容枯燥乏味，实验教学与课程设计严重脱节等，导致教学效果不佳，无法达到预期目标。

1 单片机课程教学现状

1.1 单片机课程理论教学内容枯燥

单片机原理及其应用课程的授课方式仍主要以教师讲授理论知识为主，并按照教材章节的顺序进行。然而，单片机课程具有很强的实践性，仅凭理论教学已难以满足应用型人才的培养需求。尽管教师在理论教学环节中，通过多媒体教学引入了案例介绍和项目工程实例，但仍不能满足学生的实践需求。传统的教学普遍以学生理论知识的掌握为主要切入点和考核点，如指令系统的学习、单片机内部结构的掌握及寻址方式的理解等。这些理论内容晦涩难懂，缺乏实践性的操作与演练，难以激发学生的学习兴趣和探索知识的动力。久而久之，学生对理论知识的实践应用能力下降，使课程内容陷入“枯燥无味、毫无用处”的怪圈。

1.2 理论教学与实践结合不足

单片机课程的实验教学和课程设计等实践环节与理论教学的结合是学好该课程的重要因素，对提高学生理论知识的理解和解决问题的能力有重要影响。为了增加实践环节教学的比重，一些高校压缩了理论课时，加大了实验教学课时和课程设计时长。虽然实践环节在课程总课时中的占比增加，学生也获得了动手操作的机会，但这些环节通常在理论课程中间穿插或之后完成，导致学生之前学的理论知识被淡忘，实践目标不明确。而且，后期的课程实验教学仍主要围绕流水灯设计、中断、定时、显示等四大模块展开，这些功能的实现仅限于实验结果的验证，缺乏探索创新的研究与讨论。理论教学与实践教学脱节，使学生难以将所学知识应用于实际工作中，缺乏与社会发展需求密切相关的新技术学习。

1.3 教学评价单一，课堂参与度低

目前，许多高校的课程考核主要分为平时成绩和期末成绩。平时成绩由考勤、平时作业和课堂表现组成，这些过程性考核侧重理论知识的考核，无法全面提升学生的综合素养。在过程性考核中，对课堂表现环节，一般设置2到3次考核，教师通常根据学生的回答情况和讨论表现进行评判，以激励学生认真听讲。在课程测试环节中，考核也以理论知识为主，对学生应用能力的考核及激发学生探索新知识的考核尚未涉及。这种考核方式对应用型学生的培养具有局限性，无法有效提升学生的创新思维和能力。

2 单片机课程理实一体化教学新方法

为提高单片机课程的教学效果，作者采用了项目驱动模式下的理实一体化教学方法。在讲授《单片机原理及其应用》课程的过程中，采用项目驱动模式下的理实一体化教学方法，即在教学过程中，将单片机课程涉及的知识综合为三大项目、七个模块和八个子任务。学期初期发布三大项目，学生分组查阅资料，熟悉项目要求并了解项目任务。七个知识模块分别包含八个子任务需要完成，每次授课前，发布需要完成的子任务，学生可以先查阅相关资料。

在课堂中，教师分析子任务的特点，指出完成该子任务需要掌握的知识点和具备的能力，以激发学生的好奇心，从而提高课堂专注力。子任务实践的完成可以再回归到项目工程案例中，从而延伸出子任务的拓展，分析举一反三的子任务拓展，再次总结本节所应用的理论知识，加强理解，同时发布拓展训练任务。

在理实一体化考核中，包含过程性考核和总结性考核两部分，从而加强师生互动联系，掌握学生学习动态。教学方式如图1所示。

2.1 单片机实践教学平台

理实一体化教学的主要构成要素包括教学目标、操作程序和实现条件[6]。该教学模式的高效运转需要各组成要素具有可操作性，其中硬件设计是理实一体化教学的基础。在实践教学平台教室里，配置有实践教学操作所需的台式电脑，学生可根据需求自带笔记本电脑，以便于课下进一步实践学习。同时，每台电脑安装有该课程所需的Keil编程软件和Proteus电路仿真软件，便于学生将单片机理论知识随堂演练，加深理解。此外，还配备有数十套YL-51单片机学习板，便于学生进行动手实践操作。

2.2 项目驱动下实践环节的多样性

在学习单片机系统设计过程中，为了促进学生回头再学习、研究专业基础课程所学过的知识，经历从理论到实践再到理论的反复学习过程。本课程分为三大项目、七个知识模块和八个子任务，其具体设计如表1所示。

为了兼顾没有编程经历的学生，每个子任务都配有相应的教程与提示，并在前期课中实践操作环节分配较多的实践过程。同时，在学生分组前进行一定的学情分析，以便强弱搭配，辅助学习，增强学习效果。以交通灯设计项目为主线，学生先完成难度较小的子任务，逐步学习单片机的理论知识，如单片机最小系统、单片机4个I/O口控制、汇编/C语言程序设计、中断控制、定时器、数码管等理论知识。

以项目一中的LED闪烁控制为例。首先，课前发布子任务：点亮一个LED灯。要求学生课前查阅资料，巩固LED灯的结构及其工作原理，了解控制LED 灯点亮的原理。同时，自行安装该课程所需的软件，如Proteus电路仿真软件和KEIL编程软件。其次，课中再次提出该任务，学生分组分享对该子任务的理解和掌握情况，然后教师根据学生反馈的信息，总结学生掌握知识的亮点与不足，从而展开本节课的知识。点亮一个LED灯需要1.8～2.4V的电压及5～25mA的驱动电流，而单片机输出的信号为工作电压5V，此时需要加上分压限流电阻，学生自行计算，大约需要680Ω 的电阻。控制点亮LED灯的原理清楚后，学习单片机最小系统的基本结构。

理论知识学习过后，进行子任务的实践操作环节。通过学生课前对软件的摸索学习，教师在课中演练操作一遍Proteus软件工程文件的建立与元件的搭建，帮助薄弱学生更快上手操作。通过单个LED灯的驱动点亮，讨论LED与单片机连接时的注意事项，同时引出软件编程的重要性。例如，LED阳极端与单片机相连，阴极端与接地端相连时，单片机在没有下载任何程序时，也可点亮。提出为什么，学生根据课前查阅的资料进行讨论分析后，教师对回答正确的组进行肯定与鼓励，对没有准备充分的组别进行督促与激励。紧接着，在Proteus电路设计中，改变LED的连接情况，即阳极端外接电源5V，阴极端与单片机P1.0相连，观察现象后，提出问题：LED灯不亮的原因？给出什么样的控制信号，即可点亮。学生再次讨论，教师加以点评。根据总结编程给出一个简单低电平指令，并下载到单片机，再次观察结果，会发现LED灯再次点亮。通过不同硬件连接和软件程序的对比，让学生理解硬件设计和软件编写的对应关系。

最后，给出子任务拓展训练，如何将不同接法的两个LED灯交替点亮？需要给出不同的I/O控制信号，除了需要本节所讲的最小系统之外，还需要什么控制信号？学生课下查阅资料，思考总结，将拓展训练结果上传至线上讨论区。在为期一周的课后拓展训练中，学生可与教师在线上进行讨论，教师根据学生线上反馈的作业进行点评分析，实时了解学生的学习状态，并获得学生对上一节知识点的掌握情况及欠缺的地方。若是个别同学的问题，可线上交流，答疑解惑；若是存在整体问题，教师在下节课前便于整理总结整体问题，在课上集中讲授。这种以项目驱动下的理实一体化教学，可以激发学生探索新知识的欲望，同时也大大解决了少课时教学带来的上课仓促问题，并加强了师生互动交流环节，双向提升课程教学效果。

2.3 线上线下理实一体化教学与考核

课程采用理实一体化教学方式，每节课都包括理论讲解和实践操作两个环节。在具体教学工作中，为了驱动学生主动思考、积极动手、自主分析解决问题，学生成绩由期末考试和平时成绩相结合进行综合评定。总评成绩由两大部分内容组成：

1） 过程性考核成绩评定。即平时成绩，占比30%，主要考核学生在课前、课中、课后完成理论与实践作业及练习情况，以及作品分享表现附加分构成。

2） 期末终结性考试。占比70%，主要对整个学期所学内容进行一次综合评价，包含单片机组成结构、存储结构、中断控制、定时显示等理论知识的掌握和软硬件综合模块应用设计的考核。

3 教学效果与评价

项目驱动模式下的理实一体化单片机课程教学已在能源工程学院2020级、2021级测控技术与仪器专业和新能源科学技术专业4个班共160名学生中开展。在2020级学生首次开展的过程中，建立了三大项目、七个知识模块的结构体系，并采用理实一体化教学，学生在团队合作过程中，慢慢加深领悟，逐渐进入探索相关课题的状态。

在2021级学生实施的过程中，将项目进一步分为八个子任务，学生学习目标更加清晰，教学过程整体更加顺畅，学生能够做到课前搜集资料，带着问题在课中讨论学习，并课后总结实战演练。从实践结果可以看出，该级学生相关专业知识掌握情况良好，对单片机控制相关领域明显有了探索欲望，以及进一步学习的动力。部分学生参加了2023年陕西省大学生TI 杯竞赛，在以单片机为主要控制器的设计作品中，荣获二等奖、三等奖的好成绩。

4 总结

单片机原理及其应用课程是一门实践性非常强的智能课程之一，传统的理论教学已不能满足新时代大学生的需求。本文通过在项目驱动模式下进行理实一体化的教学设计，将单片机原理课程从工程案例出发，分解成三大项目七个模块及八个子任务进行展开。每节课都带着任务进行展开讨论学习，学生有了明确的学习目标，更有探索新知识的动力，同时资料的搜集与研究，让学生了解更多相关领域的知识及其应用，激发了学生求知的热情。该课程的改革，让学生走出单一理论和单一实践的脱节境况，带着任务与清晰的目标去进行理论和实践相结合的学习，结果表明，项目驱动下单片机课程的理实一体化教学，让学生学习效果更明显，主动性明显增强。

参考文献：

[1] 王创，林宏伟，贾奇才，等.四位一体单片机教学改革实践探究[J].电脑知识与技术，2024，20（4）：163-166.

[2] 雷立群.信息技术背景下单片机课程教学改革研究[J].科技风，2024（3）：96-98.

[3] 张强，丁建，尚福鲁.单片机原理及应用多维立体化混合式教学模式改革与实践[J].创新创业理论研究与实践，2024，7（2）：125-128.

[4] 李冰冰，季宏宇，张新，等.单片机原理课程的混合式教学模式分析[J].集成电路应用，2024，41（1）：392-393.

[5] 王月.单片机应用技术课程中的案例教学实践[J].电子技术，2023，52（11）：139-141.

[6] 杜娟.基于项目任务的信息系统课程设计与实践研究[J].电脑知识与技术，2024，20（12）：140-142.

【通联编辑：唐一东】

基金项目：榆林学院课程建设项目（KC2318）；榆林学院本科教育教学改革研究项目（JG2463）