摘要：在新一代人工智能產(chǎn)業(yè)革命背景下，應(yīng)用型高校的人工智能課程中，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程面臨諸多挑戰(zhàn)，如理論內(nèi)容枯燥乏味、實(shí)踐內(nèi)容與理論脫節(jié)、工程應(yīng)用實(shí)踐性課時(shí)不足等。為解決這些問(wèn)題，文章提出了一種項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的理實(shí)一體化教學(xué)模式，并將其應(yīng)用于理論與實(shí)踐教學(xué)中。結(jié)果表明，該教學(xué)模式能夠有效引導(dǎo)學(xué)生探索相關(guān)新知識(shí)，激發(fā)他們對(duì)單片機(jī)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣，并顯著提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞： 人工智能；單片機(jī)課程；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；理實(shí)一體化；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）27-0168-03

0 引言

信息和自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中非常關(guān)鍵且重要的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)智能儀表、光機(jī)電設(shè)備、自動(dòng)測(cè)量、信息處理、家用電器和軍事技術(shù)等領(lǐng)域[1]。結(jié)合本校作為應(yīng)用型本科院校的特點(diǎn)，《單片機(jī)原理及應(yīng)用》的教學(xué)方法必須與普通本科院校有所不同，更需要注重課程的應(yīng)用性和實(shí)用性[2-3]。近年來(lái)，大部分本科和?？圃盒Ｖ械碾婎悓W(xué)生都參加了全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽，在比賽中，單片機(jī)的使用幾乎成為學(xué)生選題的主流。單片機(jī)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用涉及電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、傳感器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和程序設(shè)計(jì)等方面。因此，在學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)回頭再學(xué)習(xí)、研究這些課程所學(xué)過(guò)的知識(shí)，學(xué)會(huì)使用其中的原理和方法。這樣的過(guò)程讓學(xué)生經(jīng)歷了從理論到實(shí)踐再到理論的反復(fù)學(xué)習(xí)，從而為應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)具有強(qiáng)實(shí)踐能力的優(yōu)秀學(xué)生[4-5]。然而，傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)方法存在一些問(wèn)題，如理論教學(xué)方法單一、內(nèi)容枯燥乏味，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課程設(shè)計(jì)嚴(yán)重脫節(jié)等，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳，無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1 單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 單片機(jī)課程理論教學(xué)內(nèi)容枯燥

單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程的授課方式仍主要以教師講授理論知識(shí)為主，并按照教材章節(jié)的順序進(jìn)行。然而，單片機(jī)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，僅憑理論教學(xué)已難以滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。盡管教師在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)多媒體教學(xué)引入了案例介紹和項(xiàng)目工程實(shí)例，但仍不能滿足學(xué)生的實(shí)踐需求。傳統(tǒng)的教學(xué)普遍以學(xué)生理論知識(shí)的掌握為主要切入點(diǎn)和考核點(diǎn)，如指令系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掌握及尋址方式的理解等。這些理論內(nèi)容晦澀難懂，缺乏實(shí)踐性的操作與演練，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索知識(shí)的動(dòng)力。久而久之，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用能力下降，使課程內(nèi)容陷入“枯燥無(wú)味、毫無(wú)用處”的怪圈。

1.2 理論教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合不足

單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論教學(xué)的結(jié)合是學(xué)好該課程的重要因素，對(duì)提高學(xué)生理論知識(shí)的理解和解決問(wèn)題的能力有重要影響。為了增加實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的比重，一些高校壓縮了理論課時(shí)，加大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)和課程設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)。雖然實(shí)踐環(huán)節(jié)在課程總課時(shí)中的占比增加，學(xué)生也獲得了動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，但這些環(huán)節(jié)通常在理論課程中間穿插或之后完成，導(dǎo)致學(xué)生之前學(xué)的理論知識(shí)被淡忘，實(shí)踐目標(biāo)不明確。而且，后期的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍主要圍繞流水燈設(shè)計(jì)、中斷、定時(shí)、顯示等四大模塊展開，這些功能的實(shí)現(xiàn)僅限于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，缺乏探索創(chuàng)新的研究與討論。理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，使學(xué)生難以將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工作中，缺乏與社會(huì)發(fā)展需求密切相關(guān)的新技術(shù)學(xué)習(xí)。

1.3 教學(xué)評(píng)價(jià)單一，課堂參與度低

目前，許多高校的課程考核主要分為平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)。平時(shí)成績(jī)由考勤、平時(shí)作業(yè)和課堂表現(xiàn)組成，這些過(guò)程性考核側(cè)重理論知識(shí)的考核，無(wú)法全面提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。在過(guò)程性考核中，對(duì)課堂表現(xiàn)環(huán)節(jié)，一般設(shè)置2到3次考核，教師通常根據(jù)學(xué)生的回答情況和討論表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)判，以激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真聽講。在課程測(cè)試環(huán)節(jié)中，考核也以理論知識(shí)為主，對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力的考核及激發(fā)學(xué)生探索新知識(shí)的考核尚未涉及。這種考核方式對(duì)應(yīng)用型學(xué)生的培養(yǎng)具有局限性，無(wú)法有效提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

2 單片機(jī)課程理實(shí)一體化教學(xué)新方法

為提高單片機(jī)課程的教學(xué)效果，作者采用了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式下的理實(shí)一體化教學(xué)方法。在講授《單片機(jī)原理及其應(yīng)用》課程的過(guò)程中，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式下的理實(shí)一體化教學(xué)方法，即在教學(xué)過(guò)程中，將單片機(jī)課程涉及的知識(shí)綜合為三大項(xiàng)目、七個(gè)模塊和八個(gè)子任務(wù)。學(xué)期初期發(fā)布三大項(xiàng)目，學(xué)生分組查閱資料，熟悉項(xiàng)目要求并了解項(xiàng)目任務(wù)。七個(gè)知識(shí)模塊分別包含八個(gè)子任務(wù)需要完成，每次授課前，發(fā)布需要完成的子任務(wù)，學(xué)生可以先查閱相關(guān)資料。

在課堂中，教師分析子任務(wù)的特點(diǎn)，指出完成該子任務(wù)需要掌握的知識(shí)點(diǎn)和具備的能力，以激發(fā)學(xué)生的好奇心，從而提高課堂專注力。子任務(wù)實(shí)踐的完成可以再回歸到項(xiàng)目工程案例中，從而延伸出子任務(wù)的拓展，分析舉一反三的子任務(wù)拓展，再次總結(jié)本節(jié)所應(yīng)用的理論知識(shí)，加強(qiáng)理解，同時(shí)發(fā)布拓展訓(xùn)練任務(wù)。

在理實(shí)一體化考核中，包含過(guò)程性考核和總結(jié)性考核兩部分，從而加強(qiáng)師生互動(dòng)聯(lián)系，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。教學(xué)方式如圖1所示。

2.1 單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

理實(shí)一體化教學(xué)的主要構(gòu)成要素包括教學(xué)目標(biāo)、操作程序和實(shí)現(xiàn)條件[6]。該教學(xué)模式的高效運(yùn)轉(zhuǎn)需要各組成要素具有可操作性，其中硬件設(shè)計(jì)是理實(shí)一體化教學(xué)的基礎(chǔ)。在實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)教室里，配置有實(shí)踐教學(xué)操作所需的臺(tái)式電腦，學(xué)生可根據(jù)需求自帶筆記本電腦，以便于課下進(jìn)一步實(shí)踐學(xué)習(xí)。同時(shí)，每臺(tái)電腦安裝有該課程所需的Keil編程軟件和Proteus電路仿真軟件，便于學(xué)生將單片機(jī)理論知識(shí)隨堂演練，加深理解。此外，還配備有數(shù)十套YL-51單片機(jī)學(xué)習(xí)板，便于學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐操作。

2.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下實(shí)踐環(huán)節(jié)的多樣性

在學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了促進(jìn)學(xué)生回頭再學(xué)習(xí)、研究專業(yè)基礎(chǔ)課程所學(xué)過(guò)的知識(shí)，經(jīng)歷從理論到實(shí)踐再到理論的反復(fù)學(xué)習(xí)過(guò)程。本課程分為三大項(xiàng)目、七個(gè)知識(shí)模塊和八個(gè)子任務(wù)，其具體設(shè)計(jì)如表1所示。

為了兼顧沒(méi)有編程經(jīng)歷的學(xué)生，每個(gè)子任務(wù)都配有相應(yīng)的教程與提示，并在前期課中實(shí)踐操作環(huán)節(jié)分配較多的實(shí)踐過(guò)程。同時(shí)，在學(xué)生分組前進(jìn)行一定的學(xué)情分析，以便強(qiáng)弱搭配，輔助學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。以交通燈設(shè)計(jì)項(xiàng)目為主線，學(xué)生先完成難度較小的子任務(wù)，逐步學(xué)習(xí)單片機(jī)的理論知識(shí)，如單片機(jī)最小系統(tǒng)、單片機(jī)4個(gè)I/O口控制、匯編/C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、中斷控制、定時(shí)器、數(shù)碼管等理論知識(shí)。

以項(xiàng)目一中的LED閃爍控制為例。首先，課前發(fā)布子任務(wù)：點(diǎn)亮一個(gè)LED燈。要求學(xué)生課前查閱資料，鞏固LED燈的結(jié)構(gòu)及其工作原理，了解控制LED 燈點(diǎn)亮的原理。同時(shí)，自行安裝該課程所需的軟件，如Proteus電路仿真軟件和KEIL編程軟件。其次，課中再次提出該任務(wù)，學(xué)生分組分享對(duì)該子任務(wù)的理解和掌握情況，然后教師根據(jù)學(xué)生反饋的信息，總結(jié)學(xué)生掌握知識(shí)的亮點(diǎn)與不足，從而展開本節(jié)課的知識(shí)。點(diǎn)亮一個(gè)LED燈需要1.8～2.4V的電壓及5～25mA的驅(qū)動(dòng)電流，而單片機(jī)輸出的信號(hào)為工作電壓5V，此時(shí)需要加上分壓限流電阻，學(xué)生自行計(jì)算，大約需要680Ω 的電阻?？刂泣c(diǎn)亮LED燈的原理清楚后，學(xué)習(xí)單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

理論知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)后，進(jìn)行子任務(wù)的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)。通過(guò)學(xué)生課前對(duì)軟件的摸索學(xué)習(xí)，教師在課中演練操作一遍Proteus軟件工程文件的建立與元件的搭建，幫助薄弱學(xué)生更快上手操作。通過(guò)單個(gè)LED燈的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，討論LED與單片機(jī)連接時(shí)的注意事項(xiàng)，同時(shí)引出軟件編程的重要性。例如，LED陽(yáng)極端與單片機(jī)相連，陰極端與接地端相連時(shí)，單片機(jī)在沒(méi)有下載任何程序時(shí)，也可點(diǎn)亮。提出為什么，學(xué)生根據(jù)課前查閱的資料進(jìn)行討論分析后，教師對(duì)回答正確的組進(jìn)行肯定與鼓勵(lì)，對(duì)沒(méi)有準(zhǔn)備充分的組別進(jìn)行督促與激勵(lì)。緊接著，在Proteus電路設(shè)計(jì)中，改變LED的連接情況，即陽(yáng)極端外接電源5V，陰極端與單片機(jī)P1.0相連，觀察現(xiàn)象后，提出問(wèn)題：LED燈不亮的原因？給出什么樣的控制信號(hào)，即可點(diǎn)亮。學(xué)生再次討論，教師加以點(diǎn)評(píng)。根據(jù)總結(jié)編程給出一個(gè)簡(jiǎn)單低電平指令，并下載到單片機(jī)，再次觀察結(jié)果，會(huì)發(fā)現(xiàn)LED燈再次點(diǎn)亮。通過(guò)不同硬件連接和軟件程序的對(duì)比，讓學(xué)生理解硬件設(shè)計(jì)和軟件編寫的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

最后，給出子任務(wù)拓展訓(xùn)練，如何將不同接法的兩個(gè)LED燈交替點(diǎn)亮？需要給出不同的I/O控制信號(hào)，除了需要本節(jié)所講的最小系統(tǒng)之外，還需要什么控制信號(hào)？學(xué)生課下查閱資料，思考總結(jié)，將拓展訓(xùn)練結(jié)果上傳至線上討論區(qū)。在為期一周的課后拓展訓(xùn)練中，學(xué)生可與教師在線上進(jìn)行討論，教師根據(jù)學(xué)生線上反饋的作業(yè)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)分析，實(shí)時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并獲得學(xué)生對(duì)上一節(jié)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況及欠缺的地方。若是個(gè)別同學(xué)的問(wèn)題，可線上交流，答疑解惑；若是存在整體問(wèn)題，教師在下節(jié)課前便于整理總結(jié)整體問(wèn)題，在課上集中講授。這種以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的理實(shí)一體化教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生探索新知識(shí)的欲望，同時(shí)也大大解決了少課時(shí)教學(xué)帶來(lái)的上課倉(cāng)促問(wèn)題，并加強(qiáng)了師生互動(dòng)交流環(huán)節(jié)，雙向提升課程教學(xué)效果。

2.3 線上線下理實(shí)一體化教學(xué)與考核

課程采用理實(shí)一體化教學(xué)方式，每節(jié)課都包括理論講解和實(shí)踐操作兩個(gè)環(huán)節(jié)。在具體教學(xué)工作中，為了驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考、積極動(dòng)手、自主分析解決問(wèn)題，學(xué)生成績(jī)由期末考試和平時(shí)成績(jī)相結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)定?？傇u(píng)成績(jī)由兩大部分內(nèi)容組成：

1） 過(guò)程性考核成績(jī)?cè)u(píng)定。即平時(shí)成績(jī)，占比30%，主要考核學(xué)生在課前、課中、課后完成理論與實(shí)踐作業(yè)及練習(xí)情況，以及作品分享表現(xiàn)附加分構(gòu)成。

2） 期末終結(jié)性考試。占比70%，主要對(duì)整個(gè)學(xué)期所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一次綜合評(píng)價(jià)，包含單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、中斷控制、定時(shí)顯示等理論知識(shí)的掌握和軟硬件綜合模塊應(yīng)用設(shè)計(jì)的考核。

3 教學(xué)效果與評(píng)價(jià)

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式下的理實(shí)一體化單片機(jī)課程教學(xué)已在能源工程學(xué)院2020級(jí)、2021級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)和新能源科學(xué)技術(shù)專業(yè)4個(gè)班共160名學(xué)生中開展。在2020級(jí)學(xué)生首次開展的過(guò)程中，建立了三大項(xiàng)目、七個(gè)知識(shí)模塊的結(jié)構(gòu)體系，并采用理實(shí)一體化教學(xué)，學(xué)生在團(tuán)隊(duì)合作過(guò)程中，慢慢加深領(lǐng)悟，逐漸進(jìn)入探索相關(guān)課題的狀態(tài)。

在2021級(jí)學(xué)生實(shí)施的過(guò)程中，將項(xiàng)目進(jìn)一步分為八個(gè)子任務(wù)，學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)更加清晰，教學(xué)過(guò)程整體更加順暢，學(xué)生能夠做到課前搜集資料，帶著問(wèn)題在課中討論學(xué)習(xí)，并課后總結(jié)實(shí)戰(zhàn)演練。從實(shí)踐結(jié)果可以看出，該級(jí)學(xué)生相關(guān)專業(yè)知識(shí)掌握情況良好，對(duì)單片機(jī)控制相關(guān)領(lǐng)域明顯有了探索欲望，以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)的動(dòng)力。部分學(xué)生參加了2023年陜西省大學(xué)生TI 杯競(jìng)賽，在以單片機(jī)為主要控制器的設(shè)計(jì)作品中，榮獲二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

4 總結(jié)

單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的智能課程之一，傳統(tǒng)的理論教學(xué)已不能滿足新時(shí)代大學(xué)生的需求。本文通過(guò)在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式下進(jìn)行理實(shí)一體化的教學(xué)設(shè)計(jì)，將單片機(jī)原理課程從工程案例出發(fā)，分解成三大項(xiàng)目七個(gè)模塊及八個(gè)子任務(wù)進(jìn)行展開。每節(jié)課都帶著任務(wù)進(jìn)行展開討論學(xué)習(xí)，學(xué)生有了明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，更有探索新知識(shí)的動(dòng)力，同時(shí)資料的搜集與研究，讓學(xué)生了解更多相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)及其應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生求知的熱情。該課程的改革，讓學(xué)生走出單一理論和單一實(shí)踐的脫節(jié)境況，帶著任務(wù)與清晰的目標(biāo)去進(jìn)行理論和實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)，結(jié)果表明，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下單片機(jī)課程的理實(shí)一體化教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)效果更明顯，主動(dòng)性明顯增強(qiáng)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項(xiàng)目：榆林學(xué)院課程建設(shè)項(xiàng)目（KC2318）；榆林學(xué)院本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG2463）