工程教育背景下STM32 單片機課程教改與實踐

吳德廣，陳 源，陳日恒

（邵陽學院 電氣工程學院，422000，湖南邵陽）

近年來，高校在工程教育專業認證方面加快了步伐，自2006 年我國開始工程教育專業認證，2011 年11月《工程教育專業證書標準》被制定[1]，2016 年6 月我國正式加入《華盛頓協議》，成為該協定的正式簽署國。工程教育專業認證的核心是資格評估，面向的是培訓目標和最終出口要求，華盛頓協議的認證協會認證的是工程師專業。工科專業想要通過專業認證，首先要符合工程教育專業認證的要求，然后通過工程教育協會來認證。工科專業一旦被協會認證，那么在國際范圍內，該專業畢業生的學位是被公認的[2]。因此，在高校，工科專業實施工程教育專業認證已成為必然趨勢，是學校辦學水平的重要標志。為了學科和專業的發展，邵陽學院電氣工程自動化專業在2019 年開始啟動專業認證工作，單片機課程教學從2020 年開始進行教學改革，根據工程教育專業認證的理念、電氣專業的特點和STM32 單片機課程特點，對傳統單片機課程的教學方法進行改革。本文討論了STM32 單片機課程教學的現存問題，提出了教學改革的方法，并通過實踐證明了改革后教學方法的有效。

1 STM32 單片機課程教學現狀和存在問題

隨著工業4.0 和智能制造時代的到來，國民經濟建設和日常生活中的各個領域已經開始從自動化向智能化轉變[3]，智能化的核心器件是智能控制芯片，傳統單片機的性能已經跟不上時代的變化。根據單片機課程的上課經歷、國內同行教學培訓會議的交流及相關資料的查閱，STM32 單片機課程在日常教學中存在如下問題。

1.1 課程體系缺乏系統性和相關性

目前電氣專業課程體系的系統性和相關性不強。一般電類專業都會有電子技術實習、單片機、電子技術課程設計等相關課程，在電子技術實習環節，一般通過焊接收音機套件來認識電子元器件和學習焊接技術，雖然與電子相關，但與后續課程內容相關性不強，也沒有太多的實用性；在單片機課程環節，更多的內容是介紹原理和程序，實際操作過少，由于經費的原因，學生缺少設計和開發的硬件環境；在最后的電子技術課程設計環節，學生更愿意選擇模擬電路和數字電路的課題，不用編程相對簡單，造成了很多學生沒有單片機的設計和開發經歷。而STM32 單片機課程在后續專業課學習、畢業設計、學科競賽、將來從事的工作等中都有很大的用處，是學好后續課程的基礎和立足點，對于地方二本院校學生，學好單片機課程就能把專業學活了。

1.2 課堂教學內容陳舊

傳統課堂教學內容老舊，并缺少以學生為中心的教學過程。目前，大多數高校單片機課程的教學內容還是以51 單片機作為硬件對象[4]，而經典的MCS-51 單片機是INTEL 公司于1980 年推出的產品，幾十年前的電子技術，很難適應時代發展的需要[5]。在課堂教學實踐中，2020 年開始選擇STM32 單片機作為教學內容。對于STM32 單片機，普遍反映入門較難，難以理解內部結構，需要更多的實際操作過程，并且傳統教學方式是以教師為中心，教師在講臺上講，學生認真聽和記筆記，期末的時候背一背基本知識點就可通過考試，學完后學生可能連單片機的一些基本操作都不會，甚至一些基本元器件都不認識，更談不上單片機程序的設計和開發了[6]。

1.3 課程考核方式落后

在考核與評價制度上，缺少可持續改進的考核機制。閉卷考試是單片機課程采用的主要考核方式，考查內容依然是課本上的知識點，教師往往強調理解和記憶知識點，通過一次考試來評定學生的學習成績，學生對課程的掌握情況得不到充分反映，學生的思維能力、分析問題能力、知識的實踐應用能力體現不足。這會導致學生只是靠記憶來應對考試，其創造性思維能力沒有得到發展，更談不上動手能力的提高，這樣很不符合工程教育專業認證的理念。

2 STM32 單片機課程教學改革

2.1 建立培養工程應用能力的課程體系

單片機原理與應用課程理論性強，實踐性也強，并有一定的綜合性，學習深度和難度比一般課程大，加之課程的內容多和學時少，使得學生對學習產生畏難情緒。如何在課時有限的情況下，既使學生掌握單片機的基礎原理，又能進行簡單的設計開發應用，這是課程改革的關鍵。

在專業認證過程中，需要對課程體系進行深思考，從整個專業課程的設置來看，“單片機原理與應用”是一門專業基礎課程，后續專業課中的硬件控制過程需要用單片機來實現，因此，單片機學習非常關鍵，在這里建立以STM32 單片機為核心的強相關性基礎課程體系，理論和實踐相結合培養學生工程應用能力。首先，在STM32 單片機課程教學之前，開展電子技術實習，讓學生焊接一個小型STM32 的開發板，讓學生對常用電子元件和STM32的模塊有實質性的認識，在有限的經費條件下獲得了單片機的硬件開發環境；其次，在單片機課程教學時，引入Proteus 硬件電路仿真軟件，讓學生有條件來驗證C 語言的開發和設計[7]；最后，在開展電子技術課程設計中，使用前面實習環節的開發板來完成簡單的電子系統開發和設計，從而形成一個以STM32 單片機為核心的基礎課程體系，課程體系如圖1 所示。通過電子技術實習能讓學生對單片機形成感性認識，通過單片機課程進行理論學習和仿真開發，最后通過課程設計鍛煉實踐創新能力。這種高度相關的課程體系的設置，能讓學生充分熟悉單片機開發和設計的各個環節，為后續專業課程的學習打下堅實的基礎，也很好地培養學生的工程應用能力。

圖1 單片機的課程體系

2.2 踐行工程教育專業認證理念的課堂教學

單片機原理與應用課程對學生的硬件和軟件開發能力有一定的要求。灌輸式教學是以教師中心的傳統教學方法，課程教學以教師講授為主，學生邊聽邊抄筆記，學習很被動，目標不明確，也沒有閉環的可持續改進的模式，這樣教學效果非常不好。隨著科技的進步和學校在網絡教學方面的投入，通過學校提供的超星學習通，搭建網絡交互式教學平臺與線下教學相結合，建立以學生為中心的教學模式；引入Proteus 軟件進行硬件電路仿真，單片機的每個模塊都以項目的方式來驅動學生的學習，實施“成果導向”教學法。實踐工程教育專業認證理念，激發學生的學習興趣，開拓學生的思路，培養學生單片機的編程和開發能力。

（1）采用以學生為中心的教學方式。在學校官方提供的學習通網站上，建立網絡交互式教學平臺，可以對傳統課堂進行很好的補充，不僅能開展簽到考勤、播放課件視頻、主題討論、習題作業、擴展資料等教學活動，打破師生間地域和時間的限制，增強師生的互動性，還能記錄學生的學習痕跡，根據后臺數據可以客觀評判學生的學習表現。圖2 為學習通網絡交互式教學平臺。教學實施過程中，提前布置教學任務，讓學生通過網絡平臺進行學習，線下課堂根據后臺數據通過互動進行重點和難點的講解，并對學生提出的共性問題實施有針對性的教學。通過搭建網絡交互式教學平臺，建立以學生為中心的教學方式。

圖2 學習通網絡交互式教學平臺

（2）應用“成果導向”教學法。Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具軟件，能進行單片機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。在教學實施過程中，將單片機每個章節內容都設計成相應的項目任務。前兩章是基礎理論介紹，內容為單片機的發展應用和單片機的工作原理，采用傳統教學方法，以及要求學生以寫綜述論文的方式提交小論文，提高學生資料文獻搜索能力和論文寫作能力；后面的章節都可布置一個個具體的小項目，包括單片機軟件開發環境的搭建、GPIO 模塊、中斷模塊、定時器模塊、串口通信模塊及單片機系統設計模塊，并且每個模塊通過Proteus 仿真來實現，每個模塊的項目設置不同的難易程度。圖3 為單片機控制數碼管電路顯示的仿真設計。實踐證明，引入Proteus軟件仿真實現這些小項目，應用“成果導向”教學法，有利于培養學生的電路設計和軟件編程能力，還能極大地提高學生的學習興趣和開發設計的效率。

圖3 數碼管電路顯示仿真設計

2.3 實施多環節課程考核建立“持續改進”教學機制

傳統的單片機原理與應用課程的考核方式環節比較少，最終以考試分數作為評價標準，在某種程度上直接影響學生的學習態度和積極性，存在不少弊端。為了實現工程教育專業認證考核，在考核環節方面，設置了平時表現、章節作業、項目實現和期末考試四個環節，占比分別為20%、10%、10%和60%，具體關系如圖4所示。章節知識點即為課本主要的知識點，平時表現分為課堂考勤和網絡平臺知識點的學習情況，作業能及時反饋學生對知識點的掌握情況，每個項目能及時反饋學生對知識點的掌握應用情況，最后還有期末考試，對整個課程重點知識的考核，體現學生對知識的綜合應用水平。

圖4 四個環節考核體系

以多環節的過程考核，建立“可持續改進”教學機制。前兩個環節是在網絡交互平臺上完成，并留下學習痕跡，第三個環節做的小項目需線下課堂檢查打分并進行討論，第四個環節是期末考試，需登記每個小題的分數，通過統計細化到學生對知識點掌握情況。這種多環節的考核制度，一方面能促使學生持續改進自己對章節知識點的認知和應用；另一方面，教師根據后臺數據、項目完成情況和試卷分析做出工程教育專業認證的課程達成度分析報告，量化分析整個教學實施過程和各個教學環節對教學目標的達成作用，綜合分析學生的學習情況，作為課程教學持續改進的可靠依據。

3 教學改革效果

本次教學改革以邵陽學院2019 級和2020 級電氣工程及其自動化專業的單片機課程為實驗對象，闡述工程教育專業認證背景下課程教學改革和實踐。2019級班級采用的是傳統教學方式，作為對照組；2020 級班級采用改革后的教學方法，作為實驗組。將對照組和實驗組的期末綜合成績進行比較，結果如圖5 所示，實驗組的不及格率明顯下降，中等和良好率明顯提高，獲得優秀的人數也更多；并在2022 年湖南省大學生電子設計競賽中，學生取得了2 個一等獎、3 個二等獎和3個三等獎的可喜成績，這說明學生使用單片機開發和設計的動手能力更強了。在工程教育專業認證方面，邵陽學院電氣專業也順利通過工程教育專業認證。實踐結果表明，教學方法改革后，學生對知識點掌握更好，學習興趣更大，編程開發設計能力也增強了，可以說取得了較好的教學效果。

圖5 兩組成績對比圖

4 結語

本文從STM32 單片機課程的教學現狀出發，提出了以工程教育為背景的STM32 單片機的課程教學改革思路，探討了以學生為中心培養學生的創新能力，以項目式教學為基本點激發學生的學習興趣、提高學生動手能力，以多環節的考核機制教學方式進行持續改進等教學改革措施。實踐結果表明，改革后教學效果明顯，在學生的學習成績、學科競賽和學校工程教育認證方面都取得比較好的效果，為工程教育教學實踐發展作出了應有貢獻。