基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)及Proteus仿真的單片機(jī)教學(xué)改革探索

摘要：結(jié)合近年單片機(jī)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法為主、以Proteus仿真為輔助教學(xué)平臺(tái)、以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為教學(xué)主線，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的“單片機(jī)”課程教學(xué)新思路，并改進(jìn)了教學(xué)內(nèi)容，將各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)融入典型的項(xiàng)目實(shí)例中。實(shí)踐證明，該方法教學(xué)效果好，能引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并能極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和實(shí)際項(xiàng)目動(dòng)手開(kāi)發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；Proteus；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：王京港（1983-），男，江蘇徐州人，南京理工大學(xué)紫金學(xué)院機(jī)械工程系，助教；張翠平（1982-），女，江蘇宿遷人，南京理工大學(xué)紫金學(xué)院機(jī)械工程系，講師。（江蘇 南京 210046）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）22-0138-02

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)位專業(yè)課，在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的課程體系建設(shè)中起著非常重要的作用。單片機(jī)是將自動(dòng)化系統(tǒng)上的信號(hào)進(jìn)行采集、處理、顯示或發(fā)出控制信號(hào)的主體，通過(guò)單片機(jī)的學(xué)習(xí)可以把傳感器原理、測(cè)控電路、智能儀器等相關(guān)課程連接起來(lái)，從而建立起測(cè)控電子—智能儀器課程體系群。因此，學(xué)好單片機(jī)對(duì)于測(cè)控專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)具有重要的意義。

單片機(jī)課程不是一門純理論性的課程，更多的是需要學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。結(jié)合這兩年的“單片機(jī)”課程教學(xué)及科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行總結(jié)、摸索，提出了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)及Proteus仿真的單片機(jī)課程教學(xué)改革新思路。實(shí)踐表明，該方法教學(xué)效果好，能引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并能極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和實(shí)際項(xiàng)目動(dòng)手開(kāi)發(fā)能力。

一、單片機(jī)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)理念及Proteus仿真平臺(tái)

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)是以實(shí)踐應(yīng)用為根本目標(biāo)，學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，圍繞具體的項(xiàng)目構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容體系，通過(guò)師生共同參與完成一個(gè)具體的項(xiàng)目而展開(kāi)的教學(xué)活動(dòng)。[1]在項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生按需學(xué)習(xí)，親身實(shí)踐，學(xué)習(xí)成為一個(gè)參與的創(chuàng)造實(shí)踐活動(dòng)，注重的不是最終的結(jié)果，而是項(xiàng)目完成的過(guò)程。學(xué)生在項(xiàng)目的實(shí)踐過(guò)程中，理解知識(shí)和掌握技能，培養(yǎng)分析和解決問(wèn)題的能力。[2]

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)模式是以“知識(shí)為本位”，強(qiáng)調(diào)以教材為中心、以教師為中心、以課堂教學(xué)為中心，學(xué)生學(xué)習(xí)為被動(dòng)接受，往往學(xué)習(xí)興趣不高，缺乏動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，教學(xué)效果一般不夠理想。單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)打破原有教學(xué)組織安排，將課程教材原有章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)重新排列整合，將課程的內(nèi)容分解為一個(gè)個(gè)小項(xiàng)目，以項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)步驟作為教學(xué)順序，將單片機(jī)的知識(shí)點(diǎn)穿插到具體項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生邊做實(shí)驗(yàn)邊學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在完成項(xiàng)目過(guò)程中使學(xué)生逐步掌握課程的內(nèi)容。顯然，項(xiàng)目引入→項(xiàng)目解析→任務(wù)分解→知識(shí)點(diǎn)講解→知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用→軟、硬平臺(tái)搭建→項(xiàng)目展開(kāi)→項(xiàng)目完成的一系列教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

在單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)改革中引入仿真開(kāi)發(fā)工具Proteus。Proteus是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真等功能。[3]在單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)和實(shí)踐中，學(xué)生可借助Proteus與Keil C軟件進(jìn)行仿真，掌握每個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練，可以直接從工程的角度直接看電路運(yùn)行和電路工作過(guò)程和結(jié)果。

二、單片機(jī)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革

1.項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是單片機(jī)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)開(kāi)展中的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，項(xiàng)目?jī)?nèi)容構(gòu)建是“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法”教學(xué)實(shí)施的基礎(chǔ)。首先，應(yīng)該選擇合適的項(xiàng)目，將單片機(jī)課程教材的原有章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)重新排列整合，組成一個(gè)個(gè)的項(xiàng)目。要求每個(gè)項(xiàng)目既要體現(xiàn)測(cè)控專業(yè)對(duì)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)能力的具體要求，還要能基本覆蓋當(dāng)前階段教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)還要注意測(cè)控專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的前后課程之間的關(guān)聯(lián)，科學(xué)合理進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃。確定了項(xiàng)目，就要制定明確的設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)目標(biāo)和所要體現(xiàn)的單片機(jī)軟硬件知識(shí)點(diǎn)。表1為測(cè)控專業(yè)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的項(xiàng)目?jī)?nèi)容、任務(wù)分解及教學(xué)目標(biāo)。

2.軟硬件教學(xué)、實(shí)踐平臺(tái)的構(gòu)建

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)課件和教案資源相對(duì)單一，教學(xué)平臺(tái)大多是借助多媒體課件展示，講解課程內(nèi)容。[4]教學(xué)內(nèi)容往往比較枯燥，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)不能有效結(jié)合，學(xué)生只能了解些基本的單片機(jī)理論知識(shí)，不適合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)的展開(kāi)。為此，構(gòu)建了軟硬兩類教學(xué)平臺(tái)。軟件平臺(tái)包括：Proteus仿真平臺(tái)，可以用于課堂教學(xué)過(guò)程中的項(xiàng)目演示及學(xué)生課后進(jìn)行項(xiàng)目重現(xiàn)；Keil C 軟件平臺(tái)，主要用于程序代碼的編寫(xiě)與調(diào)試，并且可以把Keil C和Proteus仿真軟件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目的系統(tǒng)連調(diào)，從而更好、更直觀地把項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的過(guò)程，以及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題的解決辦法形象展現(xiàn)在學(xué)生的面前。為了更好地開(kāi)展教學(xué)，還制作了具有仿真功能的多媒體課件，用Proteus軟件開(kāi)發(fā)了基于一個(gè)個(gè)小項(xiàng)目的例程，并設(shè)計(jì)一個(gè)小型的適用于測(cè)控專業(yè)的單片機(jī)仿真開(kāi)發(fā)板。硬件平臺(tái)：不再采用傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)的開(kāi)展，而是根據(jù)選取的項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)了基于STC89S51的單片機(jī)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。如：最小系統(tǒng)模塊，流水燈模塊，6位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊，矩陣鍵盤模塊，串口通信模塊等利于項(xiàng)目開(kāi)展及單片機(jī)教學(xué)的模塊。這樣每個(gè)項(xiàng)目的展開(kāi)時(shí)都有成型的硬件實(shí)體做支撐，各個(gè)模塊間可以和單片機(jī)最小系統(tǒng)間相互配合，從而可以組成項(xiàng)目式教學(xué)的各個(gè)子項(xiàng)目。

3.課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，“單片機(jī)”課程內(nèi)容安排一般是：?jiǎn)纹瑱C(jī)概述、硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、中斷與定時(shí)系統(tǒng)、串行通訊等。這種教學(xué)模式中，教學(xué)內(nèi)容略顯枯燥、理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)不能相互緊密結(jié)合。學(xué)生往往對(duì)單片機(jī)沒(méi)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法不甚了解，只是了解些單片機(jī)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，在具體實(shí)戰(zhàn)中學(xué)生不知道怎么應(yīng)用單片機(jī)去解決工程實(shí)際問(wèn)題。

以單片機(jī)應(yīng)用為核心的單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)法，把講授的內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)融入到單片機(jī)具體的一個(gè)個(gè)項(xiàng)目實(shí)例中，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生去分析項(xiàng)目完成具體的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)他們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、獲取知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的能力。[5]在具體教學(xué)時(shí)，讓學(xué)生首先學(xué)會(huì)認(rèn)識(shí)芯片、選擇芯片，調(diào)動(dòng)學(xué)生在學(xué)習(xí)上的主動(dòng)性和積極性。不再是先講解理論知識(shí)，而是先直觀借助多媒體和Proteus仿真及Keil C連調(diào)，使學(xué)生看到每一個(gè)項(xiàng)目所要完成的功能。每一個(gè)項(xiàng)目實(shí)際上都是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，項(xiàng)目的講解一般分為兩個(gè)部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)借助Proteus仿真軟件。在講解硬件的同時(shí)，介紹相關(guān)的單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)；軟件講解借助于Keil C軟件的調(diào)試功能，一邊單步調(diào)試程序一邊講解，在編程的同時(shí)講解相關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)、指令及C語(yǔ)言語(yǔ)法。

4.實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)

單片機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)是單片機(jī)學(xué)習(xí)的一個(gè)非常重要環(huán)節(jié)，因此在實(shí)踐學(xué)習(xí)的過(guò)程中要注重學(xué)生是實(shí)踐的主體，要引導(dǎo)學(xué)生化被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。教師則利用以往的教學(xué)及項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)幫助學(xué)生解決一些項(xiàng)目開(kāi)展及實(shí)踐過(guò)程中的軟件、硬件調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題。

在基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)及Proteus仿真的教學(xué)改革過(guò)程中，很大一部分的重點(diǎn)應(yīng)該放在學(xué)生實(shí)踐上。實(shí)踐環(huán)節(jié)分為四個(gè)部分：一是理論教學(xué)時(shí)借助Proteus仿真平臺(tái)及多媒體進(jìn)行各個(gè)項(xiàng)目的講解，使學(xué)生直觀感受單片機(jī)編程的魅力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；二是課后學(xué)生利用個(gè)人電腦中的Proteus仿真軟件及Keil C 軟件進(jìn)行課堂教學(xué)的內(nèi)容實(shí)踐練習(xí)；三是在平時(shí)布置一些開(kāi)放性自選作業(yè)，讓學(xué)生選擇自己感興趣的內(nèi)容進(jìn)行深入學(xué)習(xí)；四是進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行具體項(xiàng)目的硬件電路的搭建及調(diào)試運(yùn)行。

另外，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，還制作了專門的基于Proteus的單片機(jī)仿真開(kāi)發(fā)板，這樣學(xué)生除了可以自己搭建實(shí)驗(yàn)硬件外，還可以在仿真開(kāi)發(fā)板平臺(tái)上進(jìn)行各種項(xiàng)目的實(shí)踐。通過(guò)軟件、硬件平臺(tái)的相互配合，使學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐開(kāi)展的過(guò)程中既掌握了單片機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)，又提高了動(dòng)手實(shí)戰(zhàn)能力，使學(xué)生的綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)得以提高，真正實(shí)現(xiàn)知識(shí)性、實(shí)用性的有效統(tǒng)一。

三、教學(xué)改革效果分析

單片機(jī)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)改革，打破了傳統(tǒng)理論與實(shí)踐教學(xué)的界限，單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)的兩種軟、硬件教學(xué)平臺(tái)相互配合，不僅有利于教師教學(xué)的展開(kāi)，也有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)及課后項(xiàng)目實(shí)踐的展開(kāi)。再配合實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)大的軟硬件資源、方便地實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目式教學(xué)及學(xué)生項(xiàng)目實(shí)踐的展開(kāi)，使學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握更為深入和扎實(shí)，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，學(xué)習(xí)效果佳。

l.學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性明顯提高

借助軟、硬件平臺(tái)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)使學(xué)生能直觀地了解單片機(jī)以及單片機(jī)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被激發(fā)出來(lái)，學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力得到提高。

2.畢業(yè)設(shè)計(jì)選題選擇單片機(jī)類的題目明顯增多

學(xué)生對(duì)這類課題的開(kāi)展能力明顯得到提高，有很多學(xué)生在答辯中取得了較好的成績(jī)，并且有不少學(xué)生按照項(xiàng)目式開(kāi)發(fā)方法搭建了硬件，較好地實(shí)現(xiàn)了課題要求。比如09測(cè)控的一個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)的履帶式紅外避障機(jī)器人。

3.學(xué)生參加相關(guān)競(jìng)賽熱情高

學(xué)生積極主動(dòng)報(bào)名參加基于單片機(jī)的智能機(jī)器人比賽、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃，學(xué)生創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力得以體現(xiàn)和施展。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前“單片機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合三本院校培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的定位，以培養(yǎng)測(cè)控專業(yè)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，提出了以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法為主，以Proteus仿真為輔助教學(xué)平臺(tái)，以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為教學(xué)主線，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的“單片機(jī)”教學(xué)改革新思路。通過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，把單片機(jī)的教學(xué)分成一個(gè)個(gè)的小項(xiàng)目的形式展開(kāi)，并借助Proteus仿真軟件和Keil C軟件以及學(xué)生搭建相關(guān)硬件平臺(tái)來(lái)進(jìn)行基于項(xiàng)目式的教學(xué)，使學(xué)生一步一個(gè)臺(tái)階，在學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的具體項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，使學(xué)生達(dá)到掌握單片機(jī)開(kāi)發(fā)的目的。實(shí)踐證明，該教學(xué)方法效果好，能引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并能極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和實(shí)際項(xiàng)目動(dòng)手開(kāi)發(fā)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮冬菊，王丹虹，等.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的機(jī)械制圖教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15（3）：25-27.

[2]趙永熹，黃云峰.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的單片機(jī)課程體系建設(shè)[J].中國(guó)電力教育，2013，（4）：55-56.

[3]林立，等.單片機(jī)原理及應(yīng)用：基于Proteus和Keil C[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]杜志強(qiáng).機(jī)械類專業(yè)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)探索與實(shí)踐[J].理工高教研究，2010，29（3）：121-124.

[5]謝宏霖.基于“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法”的單片機(jī)類課程教學(xué)探索[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（30）：7290-7292.

（責(zé)任編輯：劉輝）