基于项目学习和实践的教学探索

基于项目学习和实践的教学探索——“微机系统设计与应用”课程

王晓萍　王立强　梁宜勇　刘玉玲
光电信息工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—光学工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:通过本课程的学习，使学生掌握和运用C51进行微控制器系统的程序设计及调试方法，能够运用嵌入式微控制器和相关接口技术设计开发与专业相关的微机应用系统，掌握构建光电类测控系统的基本设计方法。通过课程的实验环节和“基于项目学习和实践”的课程设计和训练，使学生能够根据实际的工程应用要求，设计实用的微机测控系统。

（2）教学内容:本课程着重介绍基于微控制器的系统设计方法与工程应用技术，具体包括:微机系统的高级语言程序设计——C51及其应用，嵌入式单片机C8051F020的功能与应用，串行扩展与串行通信技术与应用（1-wire、I²C、SPI、RS232、RS485），人机接口技术及应用（键盘/显示管理芯片7279、液晶显示器LCD），测量与控制接口技术（串行A/D、串行D/A），数字接口技术与应用（步进电机、直流电机的驱动与设计），微机系统的可靠性设计和工程应用举例。

4.教学对象

光电信息工程专业三年级本科学生，每年开设2个教学班，每个教学班70人以内。

5.课程学时和教学场景

（1）课程学时:课堂教学32学时，实验教学32学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室，实验教学在光电系教学实验中心，课程设计在光电系大学生实践创新基地。

二、课程教学重点解决的问题

“微机系统设计与应用”是一门实践性、应用性很强的专业课程，为实现课程教学目标，学生不仅需要学习课程新知识，更重要的是要通过实践教学，学用结合、学以致用，切实提高理论联系实际的知识运用能力、实践动手能力以及分析和解决问题能力。

但是，大学教育基本仍未脱离教师“重知识传授、轻能力培养”，学生“被动、应试学习”的传统教学模式，因此学生学习热情和主观能动性不能得到激发，理论学习不能很好地指导科研实践，课程考核方式单一等现象普遍存在。本课程通过一系列教学改革，尝试解决以下主要问题:

（1）被动学习，主动探索积极性不高。传统的一言堂“灌输式”教学方式以及“轻过程、重结果”的考核方式，使得大学生的学习仍处于被动听课、完成作业、自我掌握知识、功利性应试的“被动学习”状态；也常常发出所学知识有何用、为什么要学等疑问，更缺乏自主学习、主动探索的热情。

（2）学用脱节，知识运用能力弱。有些专业课程尽管有实验环节，但在形式上，课程实验往往被认为是从属于理论教学的一种辅助手段，仅仅在于帮助学生验证或加深对课堂知识的理解；在内容上，验证型实验偏多，而设计/综合型和创新/研究型实验少。对于验证型实验也会给出详细的实验步骤和预期结果，学生只要参照既定步骤去复现实验结果，因此流于形式、走过场的现象很普遍，对于提高知识运用能力，促进学用结合帮助很少。

（3）同一教学模式，优秀学生发挥空间小。传统的教学组织模式，没有很好体现学生的主导地位，全部同学采用相同的教学方法、教学内容和考核方式，由于学生对于先修课程知识掌握程度的不一致，导致学生对课程知识点的理解和掌握存在较大差异，部分优秀学生“吃不饱”，使得他们的主观能动性和实践创造能力得不到发挥。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对课程特点、教学目标和教学中重点解决的问题，目前课程采用的教学实施策略和方法主要有:与实际应用相结合的案例教学，引导课后自主学习；多层次递进式的实验教学，注重学用结合；与科研结合的课程设计，发挥优秀学生潜能；过程化、多模式考核方式，体现综合能力。

（1）课上介绍实际应用案例，课后引导自主学习。“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。课堂上，在介绍相关知识点的同时，介绍当前业界的发展以及实际应用案例，如列举微机系统在手机、汽车中的广泛应用来激发学生的兴趣和对科技的热情；课程网站上，展示往届学生的优秀项目与成果，激发学生创作欲和好奇心。

根据高年级专业课程应用性强、学生已有一定基础的特点，讲课不再面面俱到，而是提纲式介绍主要内容，部分内容留作自我学习、理解和掌握，引导课后自主学习；在教学过程中，对于自学内容和课程设计，尽可能多地开展同学之间、老师或助教与学生之间的讨论和交流，培养主动探索精神。

（2）多层次递进式的实验教学，注重学用结合。设计递进式的基础型实验和综合设计型实验内容，基础型实验为每题必做，通过该类实验理解和巩固理论知识，掌握基本知识点、实验方法和技能；综合设计型实验由学生选做2题，也可以自主发挥，在实验系统上开展更为综合的实验，这类实验需要学生综合运用课程知识、设计微机系统、解决实际问题。所有实验均要求独立完成，并要经历实验过程的质询、撰写实验报告、实验操作考试以及综合实验设计总结等环节，切实提高课程实验效果，实现学以致用。

（3）与科研结合的课程设计，发挥优秀学生潜能。如何实施差异性教学，为优秀学生创造扩展思维、独立探索和发挥才能的机会，是课程教学改革的一个重要内容。根据学生前期课程基础、兴趣爱好和特长，本课程采用两种实践和考核模式，一种是“平时学习＋课程实验＋期末考试”，另一种是“平时学习＋课程设计＋答辩验收”。对于后一种开展的“基于项目学习和实践”教学方法，为学有余力的优秀学生提供了发挥聪明才智的平台，他们可以通过完成一个实际微机系统的课程设计来替代常规的课程实验和期末考试。这种方式既体现了“以人为本”、“因材施教”的差异化培养理念，又促进了课程教学中的“教学和科研互动，学习与研究互动”。

（4）过程化、多模式考核方式，体现综合能力。结合课程采用的两种实践和考核模式，制定两套不同的过程化、多方位的成绩评定方式，从理论学习、工程实践以及文档总结等方面对学生的课程学习进行综合评价。

2.具体实施方法举例

（1）课上介绍实际应用案例，课后引导自主学习。

例如，在讲解串行扩展1-wire总线时，将课程组承担的实际研发项目“基于手机无线数据传输的温度采集系统”作为例子，指出在目前信息化社会中，如何利用手机对远程设备的性能状态进行实时监测，以及如何实现监测数据的远程便捷传输，这些实际问题需要应用微机系统及所学习到的相关知识去解决，使学生意识到所学的知识与实际应用是紧密相关的，激发他们的学习兴趣。提出这个案例后，本次课堂先不进行讲解，而是让学生课后思考，如果让他们实现这样功能的一个应用系统，应采用什么方法？需要哪些元件？在下次课程讨论时，学生的方法多姿多彩，但基本都从两部分实现案例要求:第一部分是微机实现温度采集，主要是89C51控制温度传感器DS18B20实现，第二部分是89C51外扩无线通讯模块，有采用GSM短信通讯方法的，有基于GPRS无线网络通讯方法的，还有采用蓝牙或wifi通讯方法的。通过此案例，学生不仅掌握了基本的1-wire总线应用知识，而且对现在手机通讯系统，甚至最新的物联网系统有了更深入的了解。

又如在讲解“智能LED照明系统”案例时，除了介绍LED照明的优点及控制原理等基本知识外，同时引入最新的汽车自适应智能前照系统，介绍福特、大众、丰田等公司为保障夜间及恶劣天气行车安全所研发的自适应前照明系统，并在高档汽车中实际应用的案例。这些内容大大激发了学生的学习兴趣，纷纷查资料、做设计，有提出弯道转弯时LED灯随动转向照明方法的，有提出上下坡时车灯随车身俯仰调整照明方法的，有根据车速和红外传感器自动调整照明距离的，有根据光敏传感器判断外界环境光照自动调节LED光量的，等等。在课题讨论中，让学生思考不同的照明系统中，为实现最佳效果，应采用:什么样的测量传感器？什么样的控制方法与策略？什么样功能的执行机构？等等。部分好的设计案例学生选作课程设计项目，在实践中实施。

另外，为及时解答学生在课后自主学习以及课程实验、课程设计实施过程中遇到的问题，每周安排一个下午或晚上由教师或助教为学生进行面对面答疑；课程网站提供多种软硬件设计和芯片资料，以及往届学生优秀作品介绍；网站的“在线交流”栏目开展实时的在线答疑和在线交流，构成了多形式的教与学互动，有效推进了学生的课后自主学习。

（2）层次化递进式的实验教学，注重学用结合。

实验教学要符合学生的认知规律，从帮助理解课程知识、促进学以致用到培养工程和创新能力应顺序渐进，从基础型到综合设计型实验的内容，从单一的I/O应用、显示器应用、A/D、D/A和电机控制到运用多个基础型实验内容的数据采集系统、信号发生器和转速测控与温度测控系统等，提高学生的知识综合运用能力；为激发学生兴趣，注入了实用性、趣味性内容，模拟交通灯实验、变色滚动显示的LED点阵、字符和图形显示的LCD实验等，能充分调动学生的实验积极性；为发挥学生的创造力，应具有自我发挥的空间，除提供的实验内容外，学生可以自主设计更多实验，把自己的设想付诸实践。教师提供的实验项目如表1所示，课程实验要求提交的资料如表2所示。在课程网站上有相应模板供学生下载使用。学生的所有文档均通过课程网站上传，实现了学习信息的电子化和统一管理，并且对学生的完成情况可以做到一目了然。

表1　“微机系统设计与应用”实验项目

表2　课程实验要求提交的资料

（3）与科研结合的课程设计，发挥优秀学生潜能。

本课程对优秀学生开展“基于项目学习和实践”的教学方法，学生自由组队，1～2人一组，进行课程实践活动，并以贯穿于整个学习过程的项目设计与结题验收来替代期末2小时的考试。课程设计的项目可从教师提供的16个项目中选择，更鼓励学生主动设计项目。对学生自主设计的项目，教师从知识容量、实践难度、与课程的关联程度以及专业的科研特性等方面进行审定。

项目的实施过程包括:自主选择或设计项目→提交申请→项目实施→项目总结→答辩、演示。整个过程要求小组成员合理分工，共同讨论确定方案，在具体实施时则各有侧重，互相配合协调，共同完成项目预期目标，因此也锻炼了学生的团队合作能力。该方法已实施4届，有效激发和调动了学生的积极性，取得了很好的教学效果。2008、2009级部分优秀项目列于表3，课程设计要求提交的资料列于表4。

表3　学生自主设计的部分课程设计项目

表4　课程设计要求提交的资料

（4）过程化、多模式考核方式，体现综合能力。

对选择“平时＋实验＋考试”的同学，更注重考核的多元化和过程化。其中“平时”包括到课情况、作业情况和课程参与度，“实验”包括实验过程、实验报告和实验操作考，“考试”包括平时随堂考和期末考，并减少期末考试的比重。杜绝部分学生“临时抱佛脚”的应试心态，促使学生认真对待每个教学环节，脚踏实地地学习和掌握知识。

对参加“平时＋课程设计＋答辩验收”的同学，不再进行传统的期末考试，主要考察项目完成情况与质量。期末，由任课教师、实验教师和助教组成项目验收组，听取每个小组的设计总结汇报，并经过提问、答辩、点评和实物演示等互动，进一步分析讨论各个题目完成的情况、存在的问题以及优化改进的措施。最后老师根据各小组题目的难易程度、预期目标的实现情况、答辩情况和提交资料的质量情况，讨论确定各小组的成绩。这种方式相比传统的试卷考试，能够更加全面、准确反映课程知识的掌握情况和应用能力。

3.教学方法特点分析

本课程是一门应用性、实践性强的工程技术课程，应强调理论联系实际，以及与学科其他课程内容的融会贯通和学以致用。采用的教学方法具有下列特点:

（1）激发学习兴趣，引导自主学习、主动探索。通过与实际应用相结合的案例教学，使得一个个知识点与实际应用和实际系统联系起来，变“灌输式教学”为“引导性教学”，变“死记硬背”为联想性学习以及变“被动式学习”为“自主性学习”，既激发学生学习兴趣，又拓展其专业视野；层次化递进式的实验教学，注重学用结合和能力培养，趣味性和可自我发挥的实验设计，使学生变“应付实验”为“主动探索”，通过自我学习和交流讨论，主动研究和设计额外实验，并在不断实践、失败和成功中，收获学以致用的快乐。

（2）实施“因材施教”，践行差异性培养。高等教学与初等、中等教学的根本不同是要实现“从知识传授到能力培养”的转变，以及正确处理“全面培养和因材施教”的问题。通过“基于项目学习和实践”的教学方法，将教学与科研相结合，学生结合各自的兴趣爱好选择或设计感兴趣的课程设计项目，并通过自己的努力完成项目设计。这些学生完整地经历了项目申请、方案确定、软硬件设计与制作、调试、改进完善、总结报告撰写、答辩交流等科研全过程，有效促进了专业知识的融会贯通，提高了他们的项目设计开发和科学研究能力。

对于自主设计项目，学生要大量查阅文献，跟踪相关学科最新发展，因此很好地促进了自主学习，深化和拓展了课程知识和专业视野。项目组成员的分工协作，锻炼和培养了学生的团队合作能力。

以上教学方法使本课程的理论教学和实践教学，实现了从被动接受到自主学习，从依赖辅导到独立设计，从单纯模仿到个人（团队）创造的转变，不仅有利于调动学生的主观能动性，激发求知欲和创造力，而且使学生的知识应用能力和实际科研能力得到了很大锻炼和提高。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

（1）对于选择“项目设计”的学生:

ж　平时表现:10%，包括:上课情况；参与网上互动情况；参与课程建设情况（希望对讲义、网站等尽可能多地提出建议，并以书面形式提供给老师；提出有关课程建设和教学方法方面的建议）

ж　项目申请书和开题答辩:10%

ж　总结报告等资料完成和提交情况:20%

ж　课题完成和答辩、项目演示DV情况（要考虑项目的难度因素）:60%

（2）对于选择“课程实验＋考试”的学生

ж　平时表现:10%，包括:上课情况；参与网上互动情况；参与课程建设情况

ж　作业:5%

ж　实验过程与完成情况:20%

ж　实验操作考试:15%

ж　实验报告等资料完成和质量情况:10%

ж　期末卷面考试（包括实验内容的考核）:40%

2.支撑手段

（1）自主研发的模块化微机开发系统。如图1所示是按模块化、组合式思想设计的多功能“ZDGDTH-1”型微机开发系统，具有开展基础型实验、综合设计型实验的全部功能模块；课程组编写出版了《微机原理与系统设计实验教程》。学生要在熟悉模块原理、功能与应用的基础上，编写相应功能软件，并通过正确的硬件连接开展各种实验。

图1　“ZDGDTH-1”型微机开发系统

（2）自制增强型51MCU多功能开发板。以嵌入式单片机C8051F020为核心的“ZHGD-MCU”开发板如图2所示，具有微机实际应用系统所需的很多模块，体积小巧，功能强大。该开发板除常用的I/O、按键、LED显示、A/D、D/A等功能外，还具有TFT彩屏液晶显示、触摸屏人机交互、SD卡存储以及DDS信号源等功能模块。学生通过了解该开发板的原理，熟悉微机系统的硬件设计和模块程序例程，就可根据实际系统的功能需求，设计编写系统软件，完成课程设计任务；同时掌握和具备一般微机系统设计、调试的能力，了解行业里微机设计的主流技术。此开发板还留有较多的扩展接口，学生可以根据自己设计需求进行功能拓展，实现一些较为复杂的智能系统。

图2　自制增强型51MCU多功能开发板

（3）丰富的课程教学网站:本课程具备丰富的网络资源，已成为课堂学习的必要补充，也为教学从课内向课外延伸、加强自主学习提供了良好条件。网站栏目包括:课程首页，理论教学，实践教学，自主学习，仿真设计，教学资源，成果展示，互动管理，在线交流和教学研究。涉及内容包括:课程资料（如教学大纲和实验指导书等）；技术资料（如芯片手册和各种软件等）；视频学习资料（如实验系统、开发板介绍和实验教学视频等）；还有各种外网学习网站的链接以及历届学生的作品、设计文档和照片等。同时，学生的作业、实验报告、各种设计文档，均通过课程网站提交。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

课程采用的教学方法极大激发了学生对该课程的兴趣，有效提高了学生的学习能力以及发现问题和解决问题的能力，同时教学效果得到明显提升。图3是学生在浙江大学“教学质量评价”网站对本课程的评价，与之对比的是本课程组的另外一门课程“嵌入式系统与应用”（采用传统课堂教学与实验教学），可以看出学生对本课程教学方法在各单项的满意程度均有很大提高（每个单项满分5分）。

图3　学生对课程的教学评价

对于“基于项目学习与实践”的教学方法，深受学生欢迎和赞赏，并因此创作了许多优秀作品。为许多学生在后续各个实践环节（如各类学科竞赛、省新苗计划项目、国家创新研究训练项目等）中的出色表现发挥了积极作用，展示了研究型大学本科生在科研方面的风采。

“通过一个学期的努力，我们最终使AD-GaGa从最初的一个想法变成了现实，这个过程中，我们收获良多。AD-GaGa是我们平生第一次用单片机开发的复杂系统，它的实现证明了我们的实力，为我们带了无与伦比的成就感。而这份自信，是我们这一学期的又一重要收获。一根杜邦线的脱落，一处电路的虚焊，一行程序的笔误，一个端口的误接，都会导致整个系统的错误甚至瘫痪，在研制AD-GaGa的过程中，我们深深体会到了细节的重要性。F020的系统庞大而复杂，光是阅读它的技术手册就是一项艰巨的挑战，通过对它的研究，我们毫无疑问地提高了自己的学习能力和处理复杂逻辑问题的能力，而这些能力将是我们大学时代宝贵的财富。”（08级李崇纲、陶毅阳，设计项目:自动垃圾桶）

“通过此次课程设计，不仅让我们将学习的51单片机知识具体应用于实际系统，也感觉真正认识和学通了微机。设计调试过程中遇到并成功克服的一系列困难，让我们在挫折中成长，虽然最后成果没有别人的完美，但我们可以说:‘我们学到了很多，我们收获了很多！’”（08级付瀚初、胡澄之，设计项目:基于C51的计时计分器和比分播报系统）

“在本次课程设计过程中，从最初上网买元器件，到软件编程、硬件平台的搭建，以及整个系统的软硬件联调直至实现预期功能，我遇到了很多困难与挑战，通过努力一一克服了这些问题，其中的艰难和收获可以说无以言表，这将是我大学生涯中最具收获和意义的经历。”（09级魏婉婷，设计项目:恒温控制系统）

“这个项目是我们自己设想、自己提出的，在整个过程中我们都是充满了激情在研究。在我们从有一个想法到最终的实现，一步一步，步履维艰。相比于学到的知识来说，更为可贵的是我们在实践中学会了很多分析问题、解决问题的方法。当遇到问题，我们先将问题归类，不管是硬件还是软件问题，巧妙设计debug方法将问题不断缩小，最终将问题锁定。各种奇葩的问题大部分都是网上、课本上找不到答案的，都需要自己一步一步地分析和判断。感觉自己一进入debug模式就有一股子劲一定要把问题解决，连续查找问题十几个小时是经常的事情。虽然我们这个小小的项目还算不上什么科研，但是在这个项目研究的过程中，也感受到了做科研的辛苦。”（09级苗文彦、吴昊，设计项目:光电宝石迷阵）

2.推广性分析

对于工程技术类的专业课程，特别是偏应用和实践类课程，本课程的教学方法具有推广意义和示范作用。本课程教师在2009－2011中国光学学会年会教学专题会议上，做教学改革经验介绍，引起了与会代表的热烈讨论和关注；发表相关教改论文3篇；学生以课程设计内容为题材发表论文3篇。

本课程教学方法的实施需要有以下条件支撑:

（1）需要教师花更多时间、投入更多精力，要精心进行教学设计。包括课内介绍、课外自学内容的选择，与重点知识点相关实际案例的挑选，课程设计项目的合理设计等；每周定期与学生的交流沟通和答疑，对教师也是很大的考验，教师要将教学与科研结合起来，不断与时俱进学习新技术和新方法，要做到既能给学生答疑解惑又能进行宏观指导。同时要留意学生网上提问和交流情况，并及时给予回复。

（2）为学生提供微机实验系统或开发板以及实践场所。实验系统可参考“ZDGDTH-1”型微机实验系统，最好有可让学生更多自主发挥的开发板，如“ZHGD-MCU”开发板。

六、课程教材及实验参考书

1.教学讲义

［1］王晓萍，王立强.微机系统设计与应用.浙江大学光电系，2011年第一版，2012年第二版

2.实验教材

［1］王晓萍.微机原理与系统设计实验教程.杭州:浙江大学出版社，2012