单片机课程“5E+项目化”融合教学模式研究

边玉亮 沈龙 余世干 李淑敬

【摘   要】   针对传统单片机课程教学过程中的问题，提出在教学过程中实行“5E”和“项目化”相融合的混合式教学模式，以“5E”教学模式为基础框架，对课程内容进行“项目化”改造，将实际应用项目融入到5E教学模式全过程，构建以学生自主学习为中心，“5E”和“项目化”教学相融合为主体的新型教学模式。通过整合教学资源、重构教学内容，以项目设计开发为抓手，培养学生实践动手能力和项目开发能力；以过程考核为重点，将学习成果检验贯穿整个学习过程，优化学科评价体系；以培养学生创新设计能力为目标，理论联系实际，培养社会有用人才。

【关键词】   项目化；5E；混合教学；教学改革

Research on Integrated Teaching Mode of "5E+Projectization"

of Single Chip Computer Course

Bian Yuliang， Shen Long， Yu Shigan， Li Shujing

（Fuyang Normal University， Fuyang 236041，China）

【Abstract】    In view of the problems in the teaching process of the traditional single-chip computer course， the mixed teaching mode of "5E" and "project" is put forward in the teaching process. With the "5E" teaching model as the basic framework， the course  content  is "project-oriented"  reform， practical application projects are integrated into the  whole process of  "5E" teaching model， and a new teaching model is built with students' independent learning as the center and the integration of "5E" and "project-oriented" teaching as the main body. By integrating teaching resources， reconstructing teaching content， and using project design and development as the starting point， we aim to cultivate students′ practical and project development abilities; by emphasizing the process assessment， we put the check of learning results throughout the entire learning process， optimizing the subject evaluation system， aiming at cultivating students′ innovative design ability， integrating theory with practice， and cultivating social useful talents.

【Key words】      projectization; 5E; mixed teaching; teaching reform

〔中圖分类号〕  G712                 〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2024）01- 0106 - 05

0     引言

未来社会更需要应用型和创新型人才，学生自主学习能力、工程实践能力和科研创新意识的培养，是高等学校正在积极探讨和实践的课题，也是目前影响高等学校人才培养质量的瓶颈［1］。单片机原理及应用课程作为应用型本科院校电子类专业的核心课程，有着非常重要的课程地位，是一门实践应用性较强、理论知识较为复杂的综合课程，特别注重学生实践创新能力的培养。为了将学生所学的专业知识与实际应用结合在一起，达到本专业人才培养目标，促进学生高效学习，提高学生创新意识和创新能力，将“项目化”教学模式和“5E”教学模式进行融合，以“5E”教学模式为基本框架，设计基于吸引、探究、解释、迁移和评价五个过程的基本教学模式，并将“项目化”教学模式融入到以上各个环节之中。重点突出学生在教学过程中的主导地位，以学生为中心开展主要教学活动，构建以“5E”教学模式为框架、以“项目化”教学为主体的融合式教学模式。

1     单片机课程教学现状

传统的单片机课程在教学过程中比较注重理论知识的讲解，普遍采用以教师为中心的教学模式，缺少对学生动手实践能力的培养与评价。理论知识与实践环节无法有效衔接，导致学生难以有效理解进而失去学习兴趣［2］。目前高等学校单片机课程教学出现的问题主要集中在以下4个方面。

（1）教材内容抽象，难以理解

本课程是一门多学科交叉课程，不仅要求学生掌握程序语言编写、电子电路、识图绘图和各种编译仿真软件，而且还要对单片机的内部硬件结构深入了解。由于单片机课程软硬件结合的特点，大多数单片机教材中理论内容较多，难以将所有内容做到有效串联，学生也普遍反映课程枯燥乏味，抽象难学。

（2）实验内容固定，与实际应用联系不够紧密

单片机的学习极其注重在实践中的应用，非常考验学生的动手实践能力。但该课程的实践教学普遍被作为理论教学的验证手段与知识的补充，提高创新设计能力的综合型、设计型实验过少甚至没有，造成学生在实验学习时走过程、重流程，实验学习和课程设计过于依赖插线式的实验箱和实验指导书［3］。这种“走过程”式的实验，实质上没有真正起到锻炼学生实践能力的目的，还滋生了各种不良行为，如拷贝程序、实验抄袭和内容剽窃等。

（3）学习目标不明确，缺乏针对性与启发性

在实际学习时虽然每个章节都涵盖了配套的功能模块开发实例，但这些实例绝大多数是各个模块的使用实例，而不是项目设计开发案例。由于实验平台和实验学时的限制，学生实验学习变成了简单的电路连线和按步骤操作，关键的实践内容变成了验证性实验，学生无法很好地实现本课程的学习目标，无法做到学以致用。不仅如此，软件和硬件的设计及线路搭建大多基于现有实验箱，功能不可扩展，实验案例老套，缺乏针对性和启发性。

（4）考核评价方式单一

根据教学大纲的要求，本课程更加注重培养学生的动手实践能力和实际应用能力，为社会输送单片机应用型人才。但传统的考试方式更加注重学生对本课程知识点的理解，忽视实践评价的重要性，缺乏过程化考核，无法满足新型教学环境下对学生的全方位评价要求，因此传统单一的单片机考核模式已经不能满足当前的人才培养目标。

2      “5E”与“项目化”融合教学模式

2.1   “5E”教学模式及特点

“5E”教学模式是一种基于建构主义教学理论、以学生活动为中心的探究式教学模式，将实际教学活动分为吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）五个过程。充分挖掘学生的主体地位，激发学生的认知兴趣和思維，强调学习的过程，突出知识的创新和应用［4］。此模式强调的是以学生为中心，运用调查和实验的方法解决问题，通过小组合作学习促进学生对科学概念的理解和知识的建构［5］。

实际教学活动包括以下5个阶段：（1）吸引阶段，目标在于激发学生对学习任务产生浓厚的兴趣和渴望，驱动学生主动进行学习和探究，与已有的知识和经验发生联系，并提出所要学习的关键知识，为探究做好准备。（2）探究阶段，主要目的是引导学生开展真实和有效的探究，学习关键知识和概念，习得新的技能并获得研究、探寻和提问的体验，在反馈和检查中掌握知识内在的关系，获得理解性发展［6］。（3）解释阶段，主要目的是进一步帮助学生理解关键知识和概念，检验学生是否真正理解所学内容，巩固新旧知识和概念间的联系，将学习的知识转化为学生个体内化的经验和认知。（4） 迁移阶段，目的是促进学生将学习内容应用在新的或相似场景之中，发展学生对概念的理解和应用技巧，使学生扩充概念的基本内涵，与其他已有概念建立某种联系，并能够交流解释新的情境或解决新的问题。（5） 评价阶段，一方面是采用多种评价方式对学生进行过程性和终结性评价，另一方面是对教学模式进行评价，根据实际教学效果的反馈不断改进和优化教学内容、教学方法。

5E教学模式既注重学科基础理论和方法的教学，也注重学生解决实际问题能力的培养，5个教学环节环环相扣，能够极大地激发学生的学习热情，提高学生在实际教学过程中的参与度，让学生在自主探究中深化理解，培养学生认识问题、分析问题和解决问题的综合能力，力求学生在知识学习中深植正确的科研思维，在渐进的课程中提升专业素养。

2.2   “项目化”教学模式及特点

项目化教学模式是一种主要以项目形式组织教学内容的教学方法，以学生为中心，通过小组合作完成一个相对独立的工作项目，通过让学生参与具体的项目活动，来提高自主学习能力、团队合作能力和综合实践能力，促进知识、技能和情感等多方面的综合发展。在项目化教学中，学生通常需要在教师的引导下，自主设计、实施和评价一个个具有一定挑战性和探究性的项目。在这个过程中，学生需要运用多种学科知识和技能，与同伴合作、交流、分享经验，不断探究和解决实际问题，从而获得知识和技能的深刻理解和实践经验。

项目化教学过程具体实现步骤为：情景导入，明确任务；收集资料，制定方案； 自主协作，具体实施；点拨引导，过程检查；展示成果，修正完善；评估检测，拓展升华。尤其适用于STEM教育和实践性较强的学科。它强调学生的主体地位和自主学习活动，通过实践和反思促进学生的学习和发展，培养学生的创新精神和实践能力，有助于提高学生的学习兴趣和学习成效。

2.3   “5E”和“项目化”融合教学模式设计

单片机课程是一门应用型、实践性很强的课程，传统重理论轻实践的教学方法很难达到预期的教学效果。5E教学模式强调以学生为中心，充分发挥学生主观能动性，注重教学的过程性和系统教学的完整性；项目化教学更加强调将教学内容项目化，以具体的实际项目为导向吸引学生学习兴趣，进而提高学生学习主动性。

基于以上两种教学模式的内在联系与区别，项目化教学为5E教学法的具体实施提供了方法和思路，使得将两种教学模式进行融合变成了可能。具体融合教学模式设计如图1所示。

（1）吸引阶段

两种教学模式都强调以学生为中心，是否能够充分引起学生的学习兴趣对后续教学活动的影响至关重要。吸引阶段的主要目的就是充分引起学生的学习兴趣和进一步探索未知的欲望。

将项目化教学中项目的选择融入到5E教学模式的吸引阶段，通过优化教学项目，引起认知冲突，设计新颖有价值的项目来提高学生的学习兴趣。项目的选择不能脱离实际，生搬硬套，应从以下几个方面筛选出好的项目：一是所选项目要以课程教学目标为基础，充分利用各种教学资源，对教学内容重新组织、整合成具体训练项目，明确学习目标。二是所选的项目要与实际生活相结合，从生活中寻找能和教学内容紧密联系的项目，让学生能够充分做到理论联系实际生活。三是所选的项目要富含新意，具有创新性，结合本课程所学的知识实现实际的创新项目可以更大程度上吸引学生的兴趣。四是要通过对实际教学效果的评价反馈不断对训练项目进行改进，总结经验，注重项目的更新和优化。

（2）探究阶段

探究阶段是教学过程中学生最重要的学习阶段，也是学生根据教学要求和目标掌握新知识获取新技能的关键环节。当今大学生最需要的就是探索精神，只有探索才能不断丰富自己的知识库，提高自身的创新思维和能力。將项目化教学模式中的项目分析与设计融入到探究阶段，可以让学生根据项目任务书的要求对实际项目进行任务分解，充分认识和理解学习的目标和任务，做到有的放矢，带着问题去探索。

为了能够使学生真正做到有效探究，完成最终的设计项目，实际操作时需要给学生提供尽可能丰富的实验材料或仿真工具，最好不要用现成的试验箱，而是分立硬件模块，这样可以引导学生主动思考，防止出现照搬现象，具体模块如表1所示。

（3）解释阶段

5E教学中解释阶段是检验学生自主学习成效的重要阶段，一方面要检验学生对新的知识点的学习效果，另一方面需要检验学生展示自我的能力。将项目化教学中的项目实现环节融合到5E教学模

式的解释阶段，要求学生能够根据以上两个阶段的分析、知识整理和设计等环节的成果，设计实现自己的作品。通过融合，可以提供一个良好的检验学习成效的方法：即根据学生进行项目设计的最终作品对学生的学习成效进行最直观的学习效果评价。为防止抄袭，学生在提交作品的同时尽量采用现场答辩的形式展示自己或团队的项目成果，与此同时，也要注意将学生互评和教师点评活动融入到该阶段之中。

（4）迁移阶段

迁移阶段是检测学生学习是否能够做到融会贯通、学以致用以及创新升华的重要阶段。该阶段的主要目的是使学生能够运用新知识、新技能去解决新的问题，做到举一反三，并应用到新的环境之中。在项目化教学中也同样要求学生不仅能够解决已有的问题，更要通过学习具备一定的创新意识和能力，这与5E教学法迁移阶段的要求不谋而合。在迁移阶段要求学生能够进行自主创新项目的设计与开发，可以充分体现该课程的教学目标即对学生实践动手能力和创新能力进行培养。不仅如此，教师可以根据学生自主创新项目设计与实现的过程和效果，对学生进行差异化、层次化的指导和培养，做到因材施教，引导学生向前沿知识和技术进行学习和发展。

（5）评价阶段

评价阶段是对整个教学过程的总结和评价，是体现教学过程和教学方法是否成功的关键环节。该阶段不能局限于传统的教学评价形式，如考试、课堂提问、提交作业等，应采用多元化评价机制。在评价中应重点关注学生的项目思考路线、项目任务书和现场项目答辩等多个环节，考查教学效果，同时也要让学生意识到教学评价不只是教师的工作，学生也应学会评价自身和他人。不仅要注重对结果的考查还要重视过程评价，学生的全部学习活动都应当尽可能纳入最终考核成绩。同时针对不同层次、能力的学生给予分别关注，了解和评估教学效果，不断反思教学过程，改进教学设计，调整教学策略。最终将教学评价真正融入到实际教学的各个环节之中。

3     5E项目化融合教学实施方案

单片机课程中异步串行口的工作原理及应用是单片机课程中十分重要的知识点也是难点。下面以此部分内容教学为例介绍5E项目化融合教学模式具体实施方案。

3.1   教学背景分析

学生在学习串口知识之前，对单片机寄存器操作、硬件结构、定时器、时序等知识有了较为深刻的认识，具备一些小型项目的开发和设计能力。设计开发一些较为复杂的项目，需要用到单片机与其他模块进行通信的场合，虽然并行通信速度快但占用端口资源多。由于异步串行接口具有软件接口协议和硬件电路简单、能够实现全双工通信、操作方便和易扩展等特点，目前市场上很多模块都包含异步串行接口，如透传蓝牙、各种传感器等。因此理解和掌握异步串行接口的工作原理和应用对学生后续实际的学习和项目开发具有十分重要的价值和意义。

3.2   吸引阶段

实际生活中经常会遇到简短语音提示的应用，如公交车到站提醒、电梯楼层提醒和医院就诊提示等，针对这些生活中经常遇到的语音提示，引导学生思考语音提示单片机控制原理及方法，从而激发学习兴趣和求知欲望。为了解决这一实际问题，同时结合本课程串口知识的教学要求，在该阶段要求学生思考设计的实际项目为语音提示器设计。项目要求使用单片机设计一个具有语音提示功能的提示器，该提示器能够根据不同的指令发出不同的提示声音。要求学生通过本项目的学习与设计制作，掌握单片机串口控制方法及设计技巧，能够使用串口进行实际项目设计与开发。

3.3   探究阶段

教师首先为学生准备学习资源、任务单、实验材料，引导学生将项目分解为多个子项目、子问题。学习资源包括语音播报模块介绍及控制方法、串口基本知识、串口电路结构、串口工作方式及相关的控制寄存器等。任务单主要包括项目设计思路介绍、设计方案、各子任务、硬件电路及应用程序设计等。为了使学生设计后期能够做出具体实物，给学生准备了进行项目设计和验证的多个备选模块，如单片机最小系统、电源、语音播报合成模块、按键和指示灯模块等，学生在实际设计时可以依据具体需要进行选用并对项目进行扩展。该阶段学生通过查阅相关资料，自由组队对项目进行分析，将语音提示器项目进行任务分解和细化，按照项目化设计要求，将项目分解成以下三个子项目：单片机最小系统的设计与使用、语音合成模块的功能和使用、单片机与语音合成模块通信。同时根据自己的项目设计要求在此基础上对项目进行扩展。教师在该阶段的主要任务是时刻关注学生的探究历程，针对不同能力的学生提供不同的指导服务，力争所有学生都能完成项目任务。

3.4   解释阶段

该阶段主要考查学生探究学习的成果，要求学生将自己或小组设计的项目进行展示，主要以现场答辩和提交设计报告相结合的形式进行。学生将自己对知识的理解以设计完成的项目进行阐释，主要要求介绍项目的总体设计思路、遇到的问题及解决方法、实现的结果和项目的特色等内容。不仅如此，学生还要对其他学生展示的作品进行评价，博采众长，进一步完善和优化自己的作品。教师在该阶段主要做3个方面的工作：一是重点观察，针对不同层次学生的实际情况进行针对性辅导，必要时对关键知识点如串口工作方式进行讲解；二是根据项目设计要求对学生作品进行评价，给出评价意见和建议；三是引导学生进行深度思考，对项目进行扩展。

3.5   迁移阶段

在迁移阶段，要求学生对所学内容能够融会贯通，自由组队进行自主创新的设计与开发，生成设计报告。学生根据已学的串口知识，结合生活中的实际应用，设计开发相应的创新项目，提交的作品包括项目背景、项目需求、实现目标、产品报告等内容。在该阶段，老师的主要工作是根据学生提出的自主创新设计项目进行引导、纠正以及提供适当的帮助。通过项目拓展，加深学生对本学科专业的认识和理解，提高专业认同感，加强自主创新能力和项目开发培养，为以后就業打下良好的基础。

3.6   评价阶段

该阶段主要以教师评价和学生互评相结合的形式进行，并将评价活动融入到其他阶段中，对整个教学活动进行全方位、全过程学习效果评价。教师主要针对学生在探究阶段、解释阶段和迁移阶段的具体表现进行评价，根据实际教学效果不断对教学内容、形式及评价进行改进和优化。学生互评主要针对解释和迁移阶段其他学生的设计作品进行评价，互相点评、互相学习、相互促进。具体评价内容及分数如表2所示。

4     结语

针对传统单片机课程教学过程中出现的教学内容、实验内容抽象以及缺乏针对性和启发性等问题，本文提出将项目化和5E教学相融合，设计以学生为中心，5E教学模式为框架，项目化教学设计为主体的混合式教学模式。通过整合教学资源，重构教学内容，努力激发学生的学习兴趣和主动性，引导学生形成主动探究的习惯和意识，积极挖掘课程深度的高阶性，培养学生创新科研素质，有效增强学生的专业认同感和自信心，为培养创新型、研究型工程技术人才奠定扎实的基础。

［参考文献］

［1］ 刘健，陈明，臧延旭.基于成果导向理念的应用型本科专业思政路径探索［J］. 廊坊师范学院学报（自然科学版），2022，22（3）： 111-116.

［2］ 赵宇明.基于对分课堂理念在中职课程教学中开展创新教学实践的研究［J］.新课程，2023（6）：64-66.

［3］ 李红波，张晓娟，陈明淑.单片机实验课程的项目化改革与实践创新［J］.科技与创新，2021（19）：130-132.

［4］ 卢亚楠.基于5E模式的“医学遗传学”教学创新与实践［J］.北京城市学院学报，2023（S1）：17-22.

［5］ 李陈波.5E教学模式在高职院校就业与创业指导课程中的实践研究［J］.卫生职业教育，2022，40（9）：54-55.

［6］ 蒋一.5E教学模式下的高中生物教学应用探究［J］.新课程导学，2020（S1）：34-35.