基于項目導向的單片機實踐教學設計的實踐與思考

江蘇 張紅霞

基于項目導向的單片機實踐教學設計的實踐與思考

江蘇 張紅霞

單片機近年來是使用最簡單、應用最普遍的嵌入式智能芯片，被廣泛用于儀器儀表、自動控制、通信和家用電器等領域。目前各類高職院校都開設了該課程。本文針對目前高職教育中單片機實踐教學的特點及存在的問題，提出了基于項目導向的教學方法，提倡將仿真技術用于單片機課程實訓中，激發學生的學習興趣，培養學生的動手能力，提高教學質量。

項目導向；單片機；實踐教學；Proteus；Keil

引言

隨著計算機及其相關技術的發展，單片機在工業控制中的機電一體化系統、電氣自動化控制系統、嵌入式系統以及智能儀表、家用電器等方面的應用不斷深入，對高職學生單片機技術及應用能力的要求越來越高，單片機技術也成為機電一體化、電子技術應用、電氣自動化等專業的重要課程。該課程涉及數字電路、模擬電路、計算機語言等多方面知識。單片機不像傳統電子線路那樣直觀，它是一門軟硬件相結合的技術。學生既要懂單片機的硬件結構，又要懂軟件編程，必須具備這兩方面的準備知識，才能很好的理解單片機的工作過程。通過學習，不僅使學生掌握單片機技術的基本理論、開發設計的基本方法，而且要全面培養學生分析系統、設計系統的能力，培養學生對單片機、嵌入式系統再學習的能力，為本專業后續有關知識和課程的學習打下良好的基礎。

一、課程的特點及傳統教學存在的問題

該課程是一門理論性與實踐性相結合的課程。通過課程的教學和實踐，既要使學生初步掌握有關單片機、嵌入式的基本概念，理解單片機的硬件結構及接口技術，對單片機系統的組成、原理、應用及開發設計過程從整體上有一個清晰的認識；還要使學生掌握單片機仿真開發系統的應用，掌握單片機應用系統軟、硬件的調試開發方法；了解簡單的單片機C語言程序的結構特點和編譯過程，熟練使用仿真軟件進行系統的設計與仿真。但目前教學中還存在以下幾個問題：

（一）理論性與實踐性結合不夠緊密

傳統的單片機理論教學，均是按照教材的內容以單片機的結構為主線，按單片機的內部結構、指令系統、軟件編程、單片機的中斷系統、各種外圍設備接口電路的順序來講授，最后再對應用系統做簡單介紹。這樣的教學模式，側重了課程本身的理論邏輯體系，但對于理論基礎和理解能力較差的高職學生來講感覺抽象，難以理解，更談不上應用。現有的教材或偏重于理論教學，或僅側重于實踐能力培養而忽略系統的基本知識的掌握，缺乏符合理實一體、學做合一的系統的課程教學資源。

（二）實驗環節不注重能力培養

目前很多院校在做單片機實驗時，往往采用高度集成的實驗箱，不僅學校在資金投入上花費很大，而且學生實驗中的效果也不太理想。因為現有的實驗箱硬件電路固定，實驗內容難改動，學生做實驗時只需連接幾根導線，然后輸入相關程序，最后等待觀看實驗結果。實驗基本以驗證性的實驗為主，設計性、綜合性、啟發性的實驗較少，各個實驗之間幾乎沒有什么聯系，學生只是片面地掌握某一方面知識，不能將整體內容貫穿起來，實驗項目已經越來越無法滿足教學和實際需求。

（三）考核機制無法全面反映能力

傳統的單片機課程考核方法主要采用以卷面理論考試為主，其余結合一定比例的平時成績。由于實驗成績只作為占比例較小的平時成績記入，這種考核辦法不能全面反映學生對該課程的掌握情況，尤其是學生的應用能力、動手能力和創新能力很難從試卷上反映出來。學生的實際應用能力不能得到客觀的反映，違背了高職教育培養應用型、技能型人才的目標。

二、基于項目導向的單片機實踐教學設計

基于以上情況，結合多年的教學經驗，筆者提出了基于項目導向的單片機實踐教學設計，將單片機的理論知識圍繞項目展開分解，融合到不同的實訓項目中，引導學生邊做邊學，在實踐中完成知識的學習。

（一）設計思路

以項目為導向的單片機實踐教學，打破課堂教學按教材章節順序進行的方式，改為按預先設計的實驗項目任務所需來安排教學內容，項目能夠涵蓋所有知識點，充分體現了“理論服務于實踐”的思想。教師首先根據教學大綱要求的知識點，設計出有針對性的實訓項目。然后圍繞項目來確立教學目標，確定出每個項目包含的教學重點，設計與教材各部分內容相適應的實驗內容，并編寫出所配套的講義和實驗指導書。

項目由淺入深，循序漸進，由簡單的基本項目逐步過渡到復雜的綜合項目，通過比較項目之間的聯系與區別，讓學生更好地掌握知識。例如在介紹流水燈程序這一項目時，我們剛開始學習時可以使用簡單的延時程序。在講到定時計數器時，我們可以使用定時器設定流水點亮的延時時間間隔。當講到中斷技術時，我們可以讓學生嘗試使用中斷程序來完成流水點亮的效果。通過這一系列具有連貫性的項目，我們可以將不同的知識點融會貫通，使學生在完成的項目過程中體會到成就感，獲得激勵，產生興趣。在所有基礎項目完成后，以完成一些貼近日常生活且具有實用性綜合應用項目（如交通燈、數字溫度計等）來檢驗學生的學習效果，真正做到學以致用。

（二）主要實訓項目：

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（三）教學平臺

針對課程“實踐難”的特點，我們使用Proteus和Keil仿真軟件搭建的實驗虛擬平臺幾乎不作任何硬件投資，就能獲得一個非常真實的實驗環境。Proteus帶有大量的庫元件和仿真儀器及分析工具，因此可以隨意更改硬件電路圖，克服了用實驗箱硬件固定的問題。通過選擇不同類型的芯片，學生能夠緊跟市場步伐，學習到最先進的技術，彌補了實驗器材不足的問題。學生不用到實驗室，不用花時間和金錢購買元器件，就可以自己設計硬件電路，將程序載入仿真系統后驗證自己設計的電路和程序的正確性。利用軟件仿真，學生不需要任何的硬件連線程序修改，編譯后馬上就可以看到效果。學生通過仿真實驗熟悉了單片機系統的開發方法，對進一步培養學生的綜合分析能力，排除故障能力和開發，創新能力具有重要意義。

Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發的電路設計、分析與仿真軟件。功能極其強大，該軟件的主要特點是：①可以完成從繪制原理圖、仿真分析到生成印刷電路板圖的整個硬件開發過程。②提供幾千種電子元件、分立元件和集成電路、模擬和數字電路的電路符號、仿真模型和外形封裝③支持大多數單片機系統以及各種外圍芯片的仿真④提供各種虛擬儀器，如各種測量儀表、示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。⑤支持第三方的軟件編譯和調試環境，可與Keil C51μVision2等軟件進行聯調。

Keil軟件是目前最流行的開發MCS-51系列單片機軟件，近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil。Keil支持匯編語言和C語言的程序設計，易學易用。

（四）教學過程

基于項目導向的單片機課程教學主要分為基礎知識教學、項目演示、項目實施、項目拓展四個階段。

1.基礎知識教學階段：由教師講授本項目相關的基礎知識，突出重點，提綱挈領。為了達到教學目的，提高教學效果，提倡教師提前給出教學項目的基本要求，引領學生有目的地進行預習。

2.項目演示階段：教師通過局域網廣播教學，演示關鍵知識點的應用實例，增加課堂信息量。對整個實驗過程及難點加以說明，這一階段可在仿真環境中讓學生看到系統最后運行的結果，提升學生參與實踐的欲望。

3.項目實施階段，讓學生自己動手獨立完成硬件電路圖的繪制、軟件程序的編寫、調試和驗證，并嘗試改變某些語句觀察運行結果，實現對相關知識點的應用和創新能力的培養。本環節要求教師有較強的現場指導能力和課堂掌控能力。

4.項目拓展階段，鼓勵學生在完成教師布置的基礎實訓項目后，自主設計題目，并完成調試工作。如：對源程序進行修改，完成自己設計的新功能。這個訓練可以培養學生的勇于實踐、大膽創新的意識，培養學生應用單片機綜合設計與開發系統的能力，為后面的綜合應用技術的項目訓練奠定基礎。

（五）教學案例

下面通過項目實例流水燈（廣告燈）來介紹如何在單片機教學中應用Proteus和keil軟件實現仿真效果。首先，在Proteus軟件中繪制如圖1所示的硬件電路原理圖，然后，在keil軟件中根據項目要求編寫流水點亮LED的軟件程序，編譯成功后生成hex文件。最后，在電路圖中載入程序并運行程序，觀察仿真結果。程序設計是學生學習單片機的難點。在教學中，我們巧妙設計項目的每個階段，從簡單到復雜，讓學生在潛移默化中掌握技能。例如流水燈的項目層次分為3個階段：第一個階段讓學生編寫一個燈點亮的程序；第二個階段編寫一個燈閃爍的程序，利用在閃爍燈項目中學習到的延時子程序；第三個階段才完成8個燈流水點亮的程序；第四個階段完成8個燈分組流水點亮。當達到第三個階段時，學生學習單片機的水平已經可以完成一個簡單的項目。通過循序漸進的修改程序和電路圖，逐步實現功能由簡單到復雜的過渡，使學生更容易理解和掌握知識。

三、教學效果

通過基于項目導向的單片機教學實踐，98%的學生掌握了運用仿真開發環境進行單片機應用系統開發的過程，普遍反映對單片機結構及工作原理有了更深的理解，課程的及格率達到99%。在較好完成本課程學習任務的同時，學生的自學能力、實踐能力、創新能力也得到不斷提高，收到了較好的教學效果。

四、結語

實踐證明，讓學生帶著問題去學習和實驗,能夠提高自身主動思考和創造性思維能力；完善自身的知識體系，程序開發環節可實現看、聽、做、思、練的有機結合,鍛煉學生電路設計、程序調試、分析、解決問題的能力等各個方面的能力。學生通過主動參與和親自實踐，加深對新知識的理解。基于項目導向的在單片機實踐教學設計，有助于學生快速掌握知識，大大提高了教學效率，對單片機教學具有指導意義。

（作者單位：南通市廣播電視大學）

（編輯 李艷華）