吳德廣，陳 源，陳日恒

（邵陽學(xué)院 電氣工程學(xué)院，422000，湖南邵陽）

近年來，高校在工程教育專業(yè)認(rèn)證方面加快了步伐，自2006 年我國開始工程教育專業(yè)認(rèn)證，2011 年11月《工程教育專業(yè)證書標(biāo)準(zhǔn)》被制定[1]，2016 年6 月我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，成為該協(xié)定的正式簽署國。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心是資格評估，面向的是培訓(xùn)目標(biāo)和最終出口要求，華盛頓協(xié)議的認(rèn)證協(xié)會(huì)認(rèn)證的是工程師專業(yè)。工科專業(yè)想要通過專業(yè)認(rèn)證，首先要符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，然后通過工程教育協(xié)會(huì)來認(rèn)證。工科專業(yè)一旦被協(xié)會(huì)認(rèn)證，那么在國際范圍內(nèi)，該專業(yè)畢業(yè)生的學(xué)位是被公認(rèn)的[2]。因此，在高校，工科專業(yè)實(shí)施工程教育專業(yè)認(rèn)證已成為必然趨勢，是學(xué)校辦學(xué)水平的重要標(biāo)志。為了學(xué)科和專業(yè)的發(fā)展，邵陽學(xué)院電氣工程自動(dòng)化專業(yè)在2019 年開始啟動(dòng)專業(yè)認(rèn)證工作，單片機(jī)課程教學(xué)從2020 年開始進(jìn)行教學(xué)改革，根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念、電氣專業(yè)的特點(diǎn)和STM32 單片機(jī)課程特點(diǎn)，對傳統(tǒng)單片機(jī)課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革。本文討論了STM32 單片機(jī)課程教學(xué)的現(xiàn)存問題，提出了教學(xué)改革的方法，并通過實(shí)踐證明了改革后教學(xué)方法的有效。

1 STM32 單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在問題

隨著工業(yè)4.0 和智能制造時(shí)代的到來，國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)開始從自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)變[3]，智能化的核心器件是智能控制芯片，傳統(tǒng)單片機(jī)的性能已經(jīng)跟不上時(shí)代的變化。根據(jù)單片機(jī)課程的上課經(jīng)歷、國內(nèi)同行教學(xué)培訓(xùn)會(huì)議的交流及相關(guān)資料的查閱，STM32 單片機(jī)課程在日常教學(xué)中存在如下問題。

1.1 課程體系缺乏系統(tǒng)性和相關(guān)性

目前電氣專業(yè)課程體系的系統(tǒng)性和相關(guān)性不強(qiáng)。一般電類專業(yè)都會(huì)有電子技術(shù)實(shí)習(xí)、單片機(jī)、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)等相關(guān)課程，在電子技術(shù)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，一般通過焊接收音機(jī)套件來認(rèn)識電子元器件和學(xué)習(xí)焊接技術(shù)，雖然與電子相關(guān)，但與后續(xù)課程內(nèi)容相關(guān)性不強(qiáng)，也沒有太多的實(shí)用性；在單片機(jī)課程環(huán)節(jié)，更多的內(nèi)容是介紹原理和程序，實(shí)際操作過少，由于經(jīng)費(fèi)的原因，學(xué)生缺少設(shè)計(jì)和開發(fā)的硬件環(huán)境；在最后的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生更愿意選擇模擬電路和數(shù)字電路的課題，不用編程相對簡單，造成了很多學(xué)生沒有單片機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)歷。而STM32 單片機(jī)課程在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽、將來從事的工作等中都有很大的用處，是學(xué)好后續(xù)課程的基礎(chǔ)和立足點(diǎn)，對于地方二本院校學(xué)生，學(xué)好單片機(jī)課程就能把專業(yè)學(xué)活了。

1.2 課堂教學(xué)內(nèi)容陳舊

傳統(tǒng)課堂教學(xué)內(nèi)容老舊，并缺少以學(xué)生為中心的教學(xué)過程。目前，大多數(shù)高校單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容還是以51 單片機(jī)作為硬件對象[4]，而經(jīng)典的MCS-51 單片機(jī)是INTEL 公司于1980 年推出的產(chǎn)品，幾十年前的電子技術(shù)，很難適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要[5]。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，2020 年開始選擇STM32 單片機(jī)作為教學(xué)內(nèi)容。對于STM32 單片機(jī)，普遍反映入門較難，難以理解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要更多的實(shí)際操作過程，并且傳統(tǒng)教學(xué)方式是以教師為中心，教師在講臺(tái)上講，學(xué)生認(rèn)真聽和記筆記，期末的時(shí)候背一背基本知識點(diǎn)就可通過考試，學(xué)完后學(xué)生可能連單片機(jī)的一些基本操作都不會(huì)，甚至一些基本元器件都不認(rèn)識，更談不上單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)了[6]。

1.3 課程考核方式落后

在考核與評價(jià)制度上，缺少可持續(xù)改進(jìn)的考核機(jī)制。閉卷考試是單片機(jī)課程采用的主要考核方式，考查內(nèi)容依然是課本上的知識點(diǎn)，教師往往強(qiáng)調(diào)理解和記憶知識點(diǎn)，通過一次考試來評定學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，學(xué)生對課程的掌握情況得不到充分反映，學(xué)生的思維能力、分析問題能力、知識的實(shí)踐應(yīng)用能力體現(xiàn)不足。這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生只是靠記憶來應(yīng)對考試，其創(chuàng)造性思維能力沒有得到發(fā)展，更談不上動(dòng)手能力的提高，這樣很不符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念。

2 STM32 單片機(jī)課程教學(xué)改革

2.1 建立培養(yǎng)工程應(yīng)用能力的課程體系

單片機(jī)原理與應(yīng)用課程理論性強(qiáng)，實(shí)踐性也強(qiáng)，并有一定的綜合性，學(xué)習(xí)深度和難度比一般課程大，加之課程的內(nèi)容多和學(xué)時(shí)少，使得學(xué)生對學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒。如何在課時(shí)有限的情況下，既使學(xué)生掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)原理，又能進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用，這是課程改革的關(guān)鍵。

在專業(yè)認(rèn)證過程中，需要對課程體系進(jìn)行深思考，從整個(gè)專業(yè)課程的設(shè)置來看，“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，后續(xù)專業(yè)課中的硬件控制過程需要用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因此，單片機(jī)學(xué)習(xí)非常關(guān)鍵，在這里建立以STM32 單片機(jī)為核心的強(qiáng)相關(guān)性基礎(chǔ)課程體系，理論和實(shí)踐相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力。首先，在STM32 單片機(jī)課程教學(xué)之前，開展電子技術(shù)實(shí)習(xí)，讓學(xué)生焊接一個(gè)小型STM32 的開發(fā)板，讓學(xué)生對常用電子元件和STM32的模塊有實(shí)質(zhì)性的認(rèn)識，在有限的經(jīng)費(fèi)條件下獲得了單片機(jī)的硬件開發(fā)環(huán)境；其次，在單片機(jī)課程教學(xué)時(shí)，引入Proteus 硬件電路仿真軟件，讓學(xué)生有條件來驗(yàn)證C 語言的開發(fā)和設(shè)計(jì)[7]；最后，在開展電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，使用前面實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的開發(fā)板來完成簡單的電子系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)，從而形成一個(gè)以STM32 單片機(jī)為核心的基礎(chǔ)課程體系，課程體系如圖1 所示。通過電子技術(shù)實(shí)習(xí)能讓學(xué)生對單片機(jī)形成感性認(rèn)識，通過單片機(jī)課程進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和仿真開發(fā)，最后通過課程設(shè)計(jì)鍛煉實(shí)踐創(chuàng)新能力。這種高度相關(guān)的課程體系的設(shè)置，能讓學(xué)生充分熟悉單片機(jī)開發(fā)和設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也很好地培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

圖1 單片機(jī)的課程體系

2.2 踐行工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的課堂教學(xué)

單片機(jī)原理與應(yīng)用課程對學(xué)生的硬件和軟件開發(fā)能力有一定的要求。灌輸式教學(xué)是以教師中心的傳統(tǒng)教學(xué)方法，課程教學(xué)以教師講授為主，學(xué)生邊聽邊抄筆記，學(xué)習(xí)很被動(dòng)，目標(biāo)不明確，也沒有閉環(huán)的可持續(xù)改進(jìn)的模式，這樣教學(xué)效果非常不好。隨著科技的進(jìn)步和學(xué)校在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方面的投入，通過學(xué)校提供的超星學(xué)習(xí)通，搭建網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺(tái)與線下教學(xué)相結(jié)合，建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式；引入Proteus 軟件進(jìn)行硬件電路仿真，單片機(jī)的每個(gè)模塊都以項(xiàng)目的方式來驅(qū)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)，實(shí)施“成果導(dǎo)向”教學(xué)法。實(shí)踐工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)的編程和開發(fā)能力。

（1）采用以學(xué)生為中心的教學(xué)方式。在學(xué)校官方提供的學(xué)習(xí)通網(wǎng)站上，建立網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺(tái)，可以對傳統(tǒng)課堂進(jìn)行很好的補(bǔ)充，不僅能開展簽到考勤、播放課件視頻、主題討論、習(xí)題作業(yè)、擴(kuò)展資料等教學(xué)活動(dòng)，打破師生間地域和時(shí)間的限制，增強(qiáng)師生的互動(dòng)性，還能記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)痕跡，根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)可以客觀評判學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。圖2 為學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺(tái)。教學(xué)實(shí)施過程中，提前布置教學(xué)任務(wù)，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，線下課堂根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)通過互動(dòng)進(jìn)行重點(diǎn)和難點(diǎn)的講解，并對學(xué)生提出的共性問題實(shí)施有針對性的教學(xué)。通過搭建網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺(tái)，建立以學(xué)生為中心的教學(xué)方式。

圖2 學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)交互式教學(xué)平臺(tái)

（2）應(yīng)用“成果導(dǎo)向”教學(xué)法。Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具軟件，能進(jìn)行單片機(jī)及外圍器件的軟件仿真，提供了非常豐富的元器件庫和虛擬儀器儀表，在Proteus 8.6 版本之后，才能夠仿真STM32 系列單片機(jī)。在教學(xué)實(shí)施過程中，將單片機(jī)每個(gè)章節(jié)內(nèi)容都設(shè)計(jì)成相應(yīng)的項(xiàng)目任務(wù)。前兩章是基礎(chǔ)理論介紹，內(nèi)容為單片機(jī)的發(fā)展應(yīng)用和單片機(jī)的工作原理，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，以及要求學(xué)生以寫綜述論文的方式提交小論文，提高學(xué)生資料文獻(xiàn)搜索能力和論文寫作能力；后面的章節(jié)都可布置一個(gè)個(gè)具體的小項(xiàng)目，包括單片機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境的搭建、GPIO 模塊、中斷模塊、定時(shí)器模塊、串口通信模塊及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊，并且每個(gè)模塊通過Proteus 仿真來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)模塊的項(xiàng)目設(shè)置不同的難易程度。圖3 為單片機(jī)控制數(shù)碼管電路顯示的仿真設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，引入Proteus軟件仿真實(shí)現(xiàn)這些小項(xiàng)目，應(yīng)用“成果導(dǎo)向”教學(xué)法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)和軟件編程能力，還能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開發(fā)設(shè)計(jì)的效率。

圖3 數(shù)碼管電路顯示仿真設(shè)計(jì)

2.3 實(shí)施多環(huán)節(jié)課程考核建立“持續(xù)改進(jìn)”教學(xué)機(jī)制

傳統(tǒng)的單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的考核方式環(huán)節(jié)比較少，最終以考試分?jǐn)?shù)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在某種程度上直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和積極性，存在不少弊端。為了實(shí)現(xiàn)工程教育專業(yè)認(rèn)證考核，在考核環(huán)節(jié)方面，設(shè)置了平時(shí)表現(xiàn)、章節(jié)作業(yè)、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)和期末考試四個(gè)環(huán)節(jié)，占比分別為20%、10%、10%和60%，具體關(guān)系如圖4所示。章節(jié)知識點(diǎn)即為課本主要的知識點(diǎn)，平時(shí)表現(xiàn)分為課堂考勤和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況，作業(yè)能及時(shí)反饋學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，每個(gè)項(xiàng)目能及時(shí)反饋學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握應(yīng)用情況，最后還有期末考試，對整個(gè)課程重點(diǎn)知識的考核，體現(xiàn)學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用水平。

圖4 四個(gè)環(huán)節(jié)考核體系

以多環(huán)節(jié)的過程考核，建立“可持續(xù)改進(jìn)”教學(xué)機(jī)制。前兩個(gè)環(huán)節(jié)是在網(wǎng)絡(luò)交互平臺(tái)上完成，并留下學(xué)習(xí)痕跡，第三個(gè)環(huán)節(jié)做的小項(xiàng)目需線下課堂檢查打分并進(jìn)行討論，第四個(gè)環(huán)節(jié)是期末考試，需登記每個(gè)小題的分?jǐn)?shù)，通過統(tǒng)計(jì)細(xì)化到學(xué)生對知識點(diǎn)掌握情況。這種多環(huán)節(jié)的考核制度，一方面能促使學(xué)生持續(xù)改進(jìn)自己對章節(jié)知識點(diǎn)的認(rèn)知和應(yīng)用；另一方面，教師根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)、項(xiàng)目完成情況和試卷分析做出工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程達(dá)成度分析報(bào)告，量化分析整個(gè)教學(xué)實(shí)施過程和各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)對教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成作用，綜合分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，作為課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的可靠依據(jù)。

3 教學(xué)改革效果

本次教學(xué)改革以邵陽學(xué)院2019 級和2020 級電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的單片機(jī)課程為實(shí)驗(yàn)對象，闡述工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下課程教學(xué)改革和實(shí)踐。2019級班級采用的是傳統(tǒng)教學(xué)方式，作為對照組；2020 級班級采用改革后的教學(xué)方法，作為實(shí)驗(yàn)組。將對照組和實(shí)驗(yàn)組的期末綜合成績進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5 所示，實(shí)驗(yàn)組的不及格率明顯下降，中等和良好率明顯提高，獲得優(yōu)秀的人數(shù)也更多；并在2022 年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，學(xué)生取得了2 個(gè)一等獎(jiǎng)、3 個(gè)二等獎(jiǎng)和3個(gè)三等獎(jiǎng)的可喜成績，這說明學(xué)生使用單片機(jī)開發(fā)和設(shè)計(jì)的動(dòng)手能力更強(qiáng)了。在工程教育專業(yè)認(rèn)證方面，邵陽學(xué)院電氣專業(yè)也順利通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。實(shí)踐結(jié)果表明，教學(xué)方法改革后，學(xué)生對知識點(diǎn)掌握更好，學(xué)習(xí)興趣更大，編程開發(fā)設(shè)計(jì)能力也增強(qiáng)了，可以說取得了較好的教學(xué)效果。

圖5 兩組成績對比圖

4 結(jié)語

本文從STM32 單片機(jī)課程的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，提出了以工程教育為背景的STM32 單片機(jī)的課程教學(xué)改革思路，探討了以學(xué)生為中心培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，以項(xiàng)目式教學(xué)為基本點(diǎn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生動(dòng)手能力，以多環(huán)節(jié)的考核機(jī)制教學(xué)方式進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)等教學(xué)改革措施。實(shí)踐結(jié)果表明，改革后教學(xué)效果明顯，在學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、學(xué)科競賽和學(xué)校工程教育認(rèn)證方面都取得比較好的效果，為工程教育教學(xué)實(shí)踐發(fā)展作出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。