基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和教賽相長的教學(xué)改革探索
——以“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程為例

李麗華，王成蓉

（成都錦城學(xué)院電子信息學(xué)，四川 成都 611731）

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程是電子類專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，是硬件類課程的基礎(chǔ)，在整個(gè)課程體系中起著重要的銜接作用。單片機(jī)課程知識(shí)內(nèi)容多，相關(guān)知識(shí)涉及“數(shù)字電子技術(shù)”“模擬電子技術(shù)”“電路基礎(chǔ)”“印刷電路板制圖”等電路類的課程，也涉及“C語言”等程序類的課程；單片機(jī)的后續(xù)課程如“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“傳感器與RFID技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”“嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)”等是專業(yè)課程的基礎(chǔ)，同時(shí)還是“嵌入式綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)”“物聯(lián)網(wǎng)綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)”“人工智能綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)”等綜合實(shí)踐類課程的基礎(chǔ)，可以看出，“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程在整個(gè)人才培養(yǎng)體系中承上啟下的重要地位。

傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)中，存在教師實(shí)踐應(yīng)用面不夠、教學(xué)方法陳舊、考核方式覆蓋面不足，無法做到教考一致等問題。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的背景下,為實(shí)施“一體多翼”人才培養(yǎng)模式和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)、對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)進(jìn)行規(guī)整都勢在必行。

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程是一門應(yīng)用性、實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的課程。近年來，在教育部和工信部舉辦的各項(xiàng)大學(xué)生競賽，如全國電子設(shè)計(jì)大賽、互聯(lián)網(wǎng)+、智能車、機(jī)器人、光電設(shè)計(jì)、飛行器大賽中，基本都會(huì)涉及這門課程內(nèi)容。在校級(jí)主辦的各類科技小制作中，這門課程所學(xué)的內(nèi)容也發(fā)揮了重要作用。熟練掌握單片機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，不僅有助于提升學(xué)生的知識(shí)技能和創(chuàng)新實(shí)踐能力，更有利于提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

分析近年來的比賽題目，以全國電子設(shè)計(jì)大賽為例，比賽題目為“送藥小車”“坡道小車”“風(fēng)力擺”“電磁炮”“無線充電小車”“滾球控制系統(tǒng)”，不難發(fā)現(xiàn)，每年的賽題有難度增加的趨勢，單片機(jī)教學(xué)迎來了新的挑戰(zhàn)、單片機(jī)與相關(guān)技術(shù)的融合成為了一項(xiàng)重要的應(yīng)用技術(shù)。針對(duì)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”機(jī)課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合如今飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)手段，MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂以及高階教學(xué)的一系列措施，本文提出了一種基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和教賽相長相結(jié)合的新教學(xué)模式，經(jīng)過兩年的實(shí)際教學(xué)實(shí)施和總結(jié)，從學(xué)生反饋、學(xué)生成績、學(xué)生作品、比賽成果等多方面，都反映出本門課程的教學(xué)改革是行之有效的[1-2]。

1 教學(xué)與產(chǎn)業(yè)需求的對(duì)標(biāo)

經(jīng)過近3年開展“專業(yè)課程設(shè)置逆向革命”，對(duì)電子信息類專業(yè)的就業(yè)、崗位、薪酬、行業(yè)進(jìn)行分析，從《電子類大學(xué)生就業(yè)崗位調(diào)查報(bào)告》及人才培養(yǎng)方案中不難發(fā)現(xiàn)，“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程是電子信息類及相關(guān)專業(yè)的重要核心課程，在企業(yè)的實(shí)用性很高，如何將教學(xué)與企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用聯(lián)合起來，值得探討。借助校企合作的力量，開展多方面深度合作，教師參與到企業(yè)中，與技術(shù)人員一起完成技術(shù)研發(fā)，同時(shí)將企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目作為教學(xué)案例納入課堂教學(xué)，讓學(xué)生接觸企業(yè)，理解理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。校企共建實(shí)驗(yàn)室，配備與企業(yè)應(yīng)用相同或相似的開發(fā)板，校企共同攥寫實(shí)驗(yàn)手冊，確定具有企業(yè)實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 知識(shí)點(diǎn)的項(xiàng)目化梳理

利用項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)，需要學(xué)生具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，建議在“單片機(jī)基礎(chǔ)”課程開課4周后開始實(shí)施，并且需要重組教學(xué)內(nèi)容。不能全按照教材中的章節(jié)來劃分教學(xué)內(nèi)容，而應(yīng)歸納出項(xiàng)目相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，在相應(yīng)的項(xiàng)目教學(xué)開始前，先將對(duì)應(yīng)的課程知識(shí)點(diǎn)學(xué)好，然后通過項(xiàng)目對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，提升實(shí)踐能力。

3 項(xiàng)目題目選擇實(shí)用化

項(xiàng)目設(shè)計(jì)和選擇以課程培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，以提升學(xué)生的核心競爭力為目標(biāo)，重在培養(yǎng)學(xué)生解決生活實(shí)際問題的能力、分解復(fù)雜問題能力、舉一反三能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和軟硬件動(dòng)手能力。在項(xiàng)目題目的選擇方面，力求從實(shí)用性出發(fā)，選材來源于生活，將實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于生活?；诖?，選擇了以下項(xiàng)目：LED燈的控制、按鍵控制燈的亮滅、流水燈、溫濕度測量、串口顯示、LCD屏幕顯示等。

4 項(xiàng)目難度層次化

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是教師帶著學(xué)生邊講邊練，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)約占80%。這種方式無法滿足學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)的需要，無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，學(xué)生多數(shù)是淺層學(xué)習(xí)，缺乏解決復(fù)雜問題的能力，不具備核心競爭力和核心素養(yǎng)。

為了提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，根據(jù)項(xiàng)目的復(fù)雜度和覆蓋知識(shí)點(diǎn)的情況，采用循序漸進(jìn)的方式，將項(xiàng)目分為3個(gè)層次，對(duì)每個(gè)層次采用不同的教學(xué)方法進(jìn)行線上、線下混合教學(xué)。這3個(gè)層次分別為基礎(chǔ)型項(xiàng)目、進(jìn)階型項(xiàng)目和綜合應(yīng)用型項(xiàng)目。

基礎(chǔ)型項(xiàng)目中典型的項(xiàng)目為程序包的安裝、點(diǎn)亮/熄滅LED燈、串口顯示姓名學(xué)號(hào)等。基礎(chǔ)性項(xiàng)目根據(jù)初學(xué)者的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)，目標(biāo)主要是掌握單片機(jī)的基本知識(shí)點(diǎn)。這一層次項(xiàng)目功能簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生快速入門。由于這一階段學(xué)生的知識(shí)積累較少，可以采用常規(guī)教學(xué)，教師帶領(lǐng)并加強(qiáng)指導(dǎo)。具體實(shí)施流程可以歸納為：教師講解關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)—配套實(shí)驗(yàn)手冊—學(xué)生根據(jù)步驟練習(xí)—教師及時(shí)解決學(xué)生提問—總結(jié)易錯(cuò)點(diǎn)、重難點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)型項(xiàng)目具體實(shí)施流程

進(jìn)階型項(xiàng)目中典型的項(xiàng)目為流水燈的制作、按鍵控制燈泡的亮滅、PWM制作呼吸燈、溫濕度信息采集等。由于上一階段對(duì)知識(shí)進(jìn)行了積累，這一階段可以適當(dāng)放手，讓學(xué)生思考解決問題的流程和方法。實(shí)施流程為：教師講解基本知識(shí)點(diǎn)—給出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求—教師引導(dǎo)分析題目—學(xué)生思考解決思路—師生探討可行性—學(xué)生書寫程序—調(diào)試運(yùn)行—教師總結(jié)。

綜合應(yīng)用型項(xiàng)目如簡易智慧家居項(xiàng)目設(shè)計(jì)，可根據(jù)難度（如表1所示）給出項(xiàng)目要求：要求學(xué)生制作的智慧家居包括單片機(jī)控制燈泡的亮滅、單片機(jī)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)、單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)（模擬窗簾的開關(guān)）。分組討論教學(xué)用在這一階段比較合適，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作共同完成既定任務(wù)。教師講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)—給出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求—學(xué)生分組討論—學(xué)生撰寫項(xiàng)目實(shí)施方案—師生討論確定方案—學(xué)生撰寫程序—調(diào)試運(yùn)行—學(xué)生總結(jié)匯報(bào)—教師點(diǎn)評(píng)。

表1 難度等級(jí)

興趣愛好型項(xiàng)目如自制電動(dòng)小車，可以要求學(xué)生自行組裝小車模型，用單片機(jī)模塊、電機(jī)、紅外等搭建硬件平臺(tái)，控制小車前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、避障等。學(xué)生還可以自行構(gòu)思，根據(jù)自己的要求設(shè)計(jì)小車的功能，搭載不同的硬件平臺(tái)。此項(xiàng)目可作為選做項(xiàng)目或者加分項(xiàng)目，采取一定的獎(jiǎng)勵(lì)措施，安排在課后由學(xué)生討論完成，重點(diǎn)讓學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。這一階段重在培養(yǎng)學(xué)生各方面的能力，比如學(xué)生溝通協(xié)調(diào)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、攥寫方案、動(dòng)手能力、器件認(rèn)識(shí)能力、電路理解能力、書寫程序能力、調(diào)試程序能力、口頭表達(dá)能力等。實(shí)施流程可以為：教師給出項(xiàng)目要求—學(xué)生分組討論—學(xué)生確定方案—購買相應(yīng)硬件器材—自行組裝—自行編寫程序—自行調(diào)試運(yùn)行—展示作品—學(xué)生答辯講解實(shí)施方案。

5 教賽相長，以賽促賽的實(shí)施

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程內(nèi)容多，只靠課堂上學(xué)習(xí)，僅能夠?qū)W習(xí)一些皮毛知識(shí)，比如4學(xué)分的課程，能學(xué)習(xí)到的內(nèi)容最多包括GPIO、串口、PWM、定時(shí)器、ADC、DMA，每個(gè)部分應(yīng)至少做一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固。為了提高學(xué)生動(dòng)手能力，督促學(xué)生們進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)很有必要，因此，在講述知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，重在教思路和教方法，注重培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力。

在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程結(jié)束前，開展一場科技小制作比賽，極大地提升學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合知識(shí)應(yīng)用能力。比賽內(nèi)容可以是生活中的一些小器件，如超市收銀機(jī)的小型模擬、電子體脂稱、音樂氛圍燈、紅外計(jì)數(shù)器、自動(dòng)感應(yīng)門、音樂小鬧鐘、智能小夜燈等。功能不需太復(fù)雜，但是必須做出成果，在做的過程中，讓學(xué)生自行查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)硬件連線方法，書寫學(xué)習(xí)程序，解決常見的軟硬件問題。

為了提高學(xué)生們的興趣，還可以將比賽題目與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)聯(lián)系起來，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)小器件，學(xué)生可以根據(jù)特殊場景設(shè)計(jì)個(gè)性化的電子產(chǎn)品，讓學(xué)生做設(shè)計(jì)的同時(shí)看到商機(jī)。

賽題可以采用“命題作文+自主題目”形式，組織比賽時(shí)學(xué)生可參與進(jìn)來，教師作為評(píng)委。評(píng)選學(xué)生作品，推選出一批優(yōu)秀的學(xué)生，為參加省級(jí)、國家級(jí)比賽做準(zhǔn)備。形成以賽促賽“課程比賽—校賽—省賽—國賽”的人才培養(yǎng)模式，如圖2所示。

圖2 以賽促賽的人才培養(yǎng)模式

6 以賽促教，全員參與

據(jù)統(tǒng)計(jì)，參加學(xué)科相關(guān)比賽的學(xué)生一般占10%～20%，如何增加比賽的受眾群體一直是一個(gè)重要的研究問題。結(jié)合“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程，在課堂設(shè)計(jì)中，追蹤技術(shù)前沿，關(guān)聯(lián)課程相關(guān)的國賽和省賽相關(guān)技術(shù)，更新教學(xué)內(nèi)容。筆者非常注重對(duì)比賽的反饋，按照梳理→分解→反思→分類→加工→聚合步驟進(jìn)行重構(gòu)，將比賽任務(wù)分解到課程，再細(xì)分到知識(shí)點(diǎn)，以縮小版的賽題來設(shè)置高階翻轉(zhuǎn)課題，做到教賽融合，以賽促教；在課程中植入比賽元素，開展全員翻轉(zhuǎn)教學(xué)，提升課程的應(yīng)用性，提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握度，實(shí)現(xiàn)以賽促學(xué)，而比賽的輻射面也從20%提高到100%，全員受益。

7 建立以賽促學(xué)的內(nèi)循環(huán)，建立生生傳幫帶

當(dāng)年的比賽結(jié)束并不代表真正結(jié)束，下一年的備賽工作才剛剛開始。比如電子設(shè)計(jì)大賽因?yàn)橛袝r(shí)間限制，在四天三夜中，有的小組僅僅實(shí)現(xiàn)了賽題中的小部分功能，還有很大的提升空間，趁著學(xué)生的任務(wù)勁頭未減，抓緊做好賽后硬件作品完善、軟件資料的整理和歸檔工作，從完善作品中提升自身的能力。

選派技術(shù)能力優(yōu)秀并且表達(dá)能力強(qiáng)的學(xué)生擔(dān)任培訓(xùn)師，為下一年級(jí)的學(xué)生開展培訓(xùn)，并參與備賽關(guān)鍵技術(shù)MOOC視頻的錄制。選派學(xué)生開展賽事專題講座，發(fā)揮學(xué)生的影響力；鼓勵(lì)參賽小組跨年級(jí)組隊(duì)，建立高年級(jí)帶動(dòng)低年級(jí)共同備賽、參賽的機(jī)制，做好技術(shù)傳承，如圖3所示。

圖3 以賽促學(xué)示意圖

8 建設(shè)以深度學(xué)習(xí)為目標(biāo)的多元化實(shí)踐評(píng)價(jià)模型

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)比例較大，本校設(shè)置的理論與實(shí)踐課程比例接近1∶1，建立健全實(shí)踐課程的評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程管理，打造以學(xué)生深度學(xué)習(xí)為目標(biāo)的、集課程比賽、實(shí)驗(yàn)操作檢查、實(shí)驗(yàn)考勤、實(shí)驗(yàn)任務(wù)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、分組討論情況、高階作品情況等一體的多元化實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)模型。

9 做好反芻，促進(jìn)教學(xué)

線上教學(xué)時(shí)，通過布置任務(wù)點(diǎn)、查看視頻觀看率，對(duì)學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行批改，課前掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，分析和反饋學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)修訂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。使用雨課堂等布置作業(yè)，實(shí)時(shí)生成作業(yè)報(bào)告和優(yōu)秀學(xué)生、低分學(xué)生名單，及時(shí)了解學(xué)生掌握知識(shí)的情況。在課前、期中、期末，以問卷的方式統(tǒng)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況、課堂投入情況、實(shí)踐課程等，及時(shí)對(duì)問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，反饋教學(xué)，提高課程教學(xué)的反芻比。

除了“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”和“以賽促學(xué)”2種教學(xué)方法，日常教學(xué)中，應(yīng)加強(qiáng)線上課堂的建設(shè)，豐富課程相關(guān)的MOOC資源，建立健全試題庫、作業(yè)庫、項(xiàng)目任務(wù)庫，利用網(wǎng)絡(luò)上的精品課程資料開展線上翻轉(zhuǎn)教學(xué)。在日常教學(xué)中，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、CBL案例教學(xué)、PBL問題導(dǎo)向、討論教學(xué)、頭腦風(fēng)暴、以賽促學(xué)、工作過程導(dǎo)向等多種手段，全面調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性與積極性，保證課堂質(zhì)量。同時(shí)采用作業(yè)、考試、提問、匯報(bào)、作品制作等方式將線上線下緊密結(jié)合起來，全面提升學(xué)生的動(dòng)手能力、口頭表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、舉一反三的能力、解決復(fù)雜問題的能力等多項(xiàng)非認(rèn)知能力。課堂中，通過多種方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度，讓學(xué)生從坐在教室聽，變?yōu)閷W(xué)生與教師互動(dòng)，再變?yōu)閷W(xué)生當(dāng)教師、教師作為評(píng)委，將課堂真正歸還給學(xué)生，學(xué)生成為課堂的主體，教師成為課堂的引領(lǐng)者，在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生自主學(xué)習(xí)課程知識(shí)的同時(shí)，鍛煉學(xué)生的接受力、理解力、創(chuàng)造力和邏輯性思維，培養(yǎng)出既能適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)和崗位要求又能適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展變化要求的人才。

通過分階層實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)，并以賽促學(xué)鞏固提升，形成一種混合式教學(xué)體制，這種混合教學(xué)法在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)中達(dá)到了很好的教學(xué)效果。經(jīng)學(xué)情調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，和以往的教學(xué)相比，學(xué)生動(dòng)手能力有較大提高；線上、線下課堂中，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性明顯提高；線下課堂中，學(xué)生主導(dǎo)地位更加明顯；學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯增強(qiáng)。期末考試平均分同比往年增加近5分。在全國性和省級(jí)比賽中，也取得了比往年更優(yōu)秀的成績。綜上，將項(xiàng)目教學(xué)和以賽促學(xué)融合到“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)中，是一種行之有效的教學(xué)方法。