工程认证背景下的高校单片机课程实验教学探索与实践

摘 要：针对工程认证背景下高校单片机课程实验教学存在的问题，提出了以项目驱动的单片机课程实验教学课程改革方案。以学生为中心，以实践为基础，以创新为目标，构建了以项目为载体的单片机课程实验教学体系。实验教学内容涵盖单片机基础知识、单片机应用技术、单片机系统设计等方面。实验教学方法采用项目驱动式教学法、任务驱动式教学法、案例教学法、分组讨论法等多种教学方法相结合的方式。实验教学评价采用过程性评价和终结性评价相结合的方式。大量的教学成果和长时间的实践证明，方案可以有效地促进学生实践能力的提高，不断挖掘学生的创新能力，锻炼学生的团队合作能力和精神，为工程认证培养合格的工程技术人才奠定了坚实的基础。

关键词：工程认证；单片机；实验教学；教学改革；项目驱动；任务驱动

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

工程教育认证体系是国际公认的工程教育质量保证机制，同时也是实现工程教育国际互认的重要基础。工程教育专业认证在我国是国家工程教育认证协会组织的、由专门的职业协会会同该领域的教育工作者一起进行的、针对高等教育中工程类专业开展的一种合格评价方式[1]。尤其是正式签署《华盛顿协议》以来，我国工程教育在国际上的地位和认可度得到了进一步提高，对于中国工程教育认证质量和国际竞争能力的提高具有重大作用。

单片机课程是工科类专业的一门重要基础课，也是工程认证的重要考核内容之一。单片机课程实验教学是单片机课程教学的重要组成部分，也是提高学生工程实践能力、创新能力和团队合作能力的关键环节。然而，传统的单片机课程实验教学存在着一些问题[2]，如实验内容陈旧、实验方法单一、实验评价不科学等，这些问题严重制约了学生工程实践能力和创新能力的培养[3-6]。

1 基于项目驱动的单片机课程实验教学改革方案

为解决传统单片机课程实验教学存在的问题，本文提出了基于项目驱动的单片机课程实验教学改革方案。以项目为导向，以任务为驱动，以学生为中心，以实践为基础，以创新为目标，构建了以项目为载体的单片机课程实验教学体系。

1.1 基本原则

（1）教学模型选择

以STM32单片机为教学模型，其优势为：外接口数量多、开发板集成度比较高、功能简单、资源丰富。STM32单片机凭借这些优点，受到了业界的一致好评[7]。通过课程的学习，可以培养学生的程序设计能力、创新实践能力和职业素养等，为学生后续专业课程的学习和工作奠定了坚实的基础。 实验教学设计的基本原则如图1所示。

（2）项目选择

项目是单片机课程实验教学改革的核心。项目的选择遵循以下原则[8]：

①项目应具有工程背景，与工程实践紧密结合；

②项目应具有挑战性，能够激发学生的学习兴趣和创新热情；

③项目应具有开放性，允许学生有多种解决方案；

④项目应具有可行性，能够在有限的时间和资源内完成。

（3）任务分解

项目确定后，需要将项目分解成若干个任务。任务分解遵循以下原则：

①任务应具有独立性，能够单独完成；

②任务应具有关联性，能够相互配合形成完整的项目；

③任务应具有可控性，能够在有限的时间和资源内完成。

（4）教学方法

单片机课程实验教学采用项目驱动式教学法、任务驱动式教学法、案例教学法、分组讨论法等多种教学方法相结合的方式[9]。

项目驱动式教学法：以项目为载体，引导学生主动学习、积极探索、不断创新。

任务驱动式教学法：以任务为目标导向，使学生对学习相关知识充满兴趣和动手创新的热情，同时也增强了学生自主动手的能力和独立解决问题的能力。

案例教学法：通过分析和讨论真实世界的案例，帮助学生理解单片机原理、掌握单片机应用技术，培养学生分析和解决问题的能力。

分组讨论法：通过分组讨论，激发学生的思维碰撞，培养学生的团队合作能力和沟通能力。

（5）实验评价

单片机课程实验教学评价采用过程性评价和终结性评价相结合的方式。

过程评价：对学生在实验过程中的表现进行评价，包括出勤情况、实验完成情况、实验报告质量等。

结业评价：对学生完成的项目进行评价，包括项目的技术难度、项目的功能实现情况、项目的创新性等。

1.2 教学体系设计

第一，基础类实验。基础类实验的教学目的是熟悉STM32的固件库，了解单片机最小系统的构成，掌握各个引脚所对应的功能。在此基础上，学生可以创建新的STM32工程，完成CPU选型、下载器设置、添加库函数等工作，并编写工程代码、生成hex目标文件。以GPIO端口的输入和输出实验为例，在此过程中学生能够掌握并了解GPIO接口的工作原理，还能理解详细的管脚的电路连接原理，可以通过独立或者矩阵按键控制二极管的亮、灭，以及对按键进行消抖处理。

第二，设计类实验。该部分主要是外部中断的应用、定时器的控制、串口的连接和A/D模数转换等实验。以外部中断实验中的现象为例，学生可以从中学习掌握外部中断的运转方式、作业流程和触发源，并按需编写相关程序满足GPIO的初始化和中断要求任务。在定时器应用实验中，要求学生熟悉和了解定时器的触发方式、定时器中断优先级的配置、时钟源的选择，以及定时时间的计算方法。通过A/D模数转换的实验，学习A/D转换的工作流程，自主扩展并查阅资料了解ADC初始化结构体的配置，以及数据采集-传输-储存的程序技术，最后将采集得到的模拟电压值显示在相关硬件上面，或通过串口上传到PC机显示界面。通过使用多个模块也可以让学生对知识做到融会贯通，理解得更加深刻。

第三，创新类实验。具体的实验项目有：温室滴灌控制系统的设计、电子密码锁的设计、直流电机控制器和多人表决器的设计，这4个题目可供学生自行选择；同时学生需要对传感器所需用到的通信协议有所了解，并能熟悉使用Protues进行仿真。这类实验在具体操作中，可以由两个人及以上组成一个小组来完成，比如在温室滴灌控制系统的设计实验中，两人可分别编写主函数程序和传感器数据传输程序，学生在合作中能够相互学习。

1.3 实验平台设计

基于Cortex M3的STM32系列微控制器是意法半导体公司生产的32位微控制器，具有高达72 MHz的主频，可配置最高64 KB SRAM和512 KB FLASH，并集成了丰富的片上外设，主要包括5个USART接口、3个SPI接口、2个I2C接口、3个12位ADC接口以及1个CAN总线接口[10]。在诸多领域中，STM32系列微控制器占据了主导地位，符合“产教结合”的教学理念。因此，最终选择将基于STM32F103ZET6微控制器作为教学实验平台的开发板。实验软件方面，首先采用STM32CubeMX，STM32CubeMX除了能以图形化配置的方式对所需要用到的引脚进行分配外，还可以根据用户需求设置系统的时钟树以及外设接口的功能，最终生成可供Keil使用的初始化程序，大大缩短了编程时间与难度。相比于51单片机的初始化设置，STM32CubeMX的出现使学生对于STM32的学习更容易上手。

编程软件采用Keil Software公司的Keil μVision5。前期学生在学习C51单片机编程与应用课程时也是在此软件中进行编程，使得教学效率更高。

另外，为弥补实验平台硬件方面可能存在的不足，还采用仿真软件进行仿真。EDA工具软件采用了具有丰富仪器库的Proteus。在Keil完成编译后，可将生成的hex文件直接导入Proteus中的STM32F103ZET6模块。同时该软件的使用也会用到电路、模拟电路、数字电路等专业课程的知识，可以让学生将以往理论学习转换为实践，在实践中体会STM32单片机的魅力。

2 教学实验安排

教学实验过程中的详细内容与重难点见表1。

3 结 语

基于项目驱动的单片机课程实验教学改革方案已在我校实施5年。多年的教学实践证明，基于项目驱动的单片机课程实验教学改革方案有效地提高了学生的工程实践能力、创新能力和团队合作能力。学生在项目实践中，不仅掌握了单片机的基础知识和应用技术，还培养了实际动手能力、解决实际工程问题的能力。同时，自主设计项目的实践也调动了学生对单片机的学习积极性，从而提高了学生独立学习的能力，为往后的学业与发展打下了良好而坚实的学科基础。

参考文献

[1] 王春梅，谢印忠，岳耀亮.单片机原理及应用课程教学改革探索与实践[J].大学，2023（29）：109-112.

[2] 陶彬彬，胡徐胜.新工科专业建设中的单片机课程教学改革与实践探索[J].电脑知识与技术，2021，17（35）：243-245.

[3] 唐波，龚雪娇，朱瑞金，等.新工科建设下的单片机原理及应用课程建设与改革研究[J].黑龙江科学，2019，10（7）：20-22.

[4] 龙顺宇，杨伟，吴路光，等.新工科+PBL模式下的单片机课程项目式教学实践[J].物联网技术，2018，8（11）：112-113.

[5] 富雅琼，吴霞，陈锡爱，等.单片机口袋实验室的开发与实践应用[J].现代电子技术，2018，41（12）：40-43.

[6] 叶成彬，郭志雄，孔令棚. 增强型单片机教学与人才培养方式改革探讨[J]. 自动化技术与应用，2016，35（10）：149-152.

[7] 赵展，魏雯，王栋.学习共同体视角下STM32单片机应用技术课程教学策略探究[J].电脑知识与技术，2023，19（21）：178-180.

[8] 张春红，万宏涛，丁勇.基于成果导向的计算机导论课程改革[J].计算机教育，2022（2）：129-133.

[9] 张素红，缪海泓.信息化时代新型师生学习共同体的构建[J].金陵科技学院学报（社会科学版），2018，32（3）：72-75.

[10] 黄辛，田瑞颖.《中国新一代人工智能发展报告2019》发布[N].中国科学报，2019-05-30（007）.