單片機原理及應(yīng)用課程的項目化教學(xué)改革與探索

[摘 要] 對傳統(tǒng)單片機課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問題進行了研究，提出了以項目化教學(xué)為主導(dǎo)的改革方案并進行實踐。設(shè)計了一個水箱水位的單片機控制系統(tǒng)并設(shè)置不同的項目任務(wù)，從單片機的最小系統(tǒng)開始，通過逐步擴展的方式，將單片機的相關(guān)知識點貫穿于各個項目中。由傳統(tǒng)教學(xué)模式中的“教材”為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴绊椖俊⑷蝿?wù)”為中心、以教師“教”為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生實踐操作為中心，建立以學(xué)生為主體、項目任務(wù)為主導(dǎo)的教學(xué)模式，強調(diào)理論知識與實踐操作技能相結(jié)合。以項目化為主導(dǎo)的教學(xué)模式將“教、學(xué)、做”融為一體，突出培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在教學(xué)過程中，該方法取得了較好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的單片機應(yīng)用能力，具有較好的可行性和實用性。

[關(guān)鍵詞] 單片機；教學(xué)改革；項目化；教學(xué)設(shè)計

[中圖分類號] TP368；G642.0 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2015）01-0070-04

0 引言

《單片機原理及應(yīng)用》是測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程模塊中的核心課程之一，在測控技術(shù)與儀器專業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位，為后續(xù)相關(guān)課程如《智能儀器設(shè)計》、《計量測試技術(shù)》等課程夯實理論基礎(chǔ)，是一門技術(shù)性、工程性和實踐性都很強的課程[1，2]。然而，傳統(tǒng)的單片機教學(xué)一般都是以單片機的結(jié)構(gòu)為主線，先介紹單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能，然后講述指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計，接下來介紹單片機系統(tǒng)的系統(tǒng)擴展和各種外圍接口器件的應(yīng)用，最后再講通過實例來介紹單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程。在“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)模式下，使得學(xué)生難以理解相關(guān)的知識點，從而產(chǎn)生單片機非常難學(xué)的感覺。同時，老師教的也很辛苦，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。為了適應(yīng)新形勢下獨立院校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標，作為一名專業(yè)教師，本人一直致力于對該課程的改革進行探索。

1 單片機課程教學(xué)改革的必要性

單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，雖然在講課過程中會通過框圖的方式給學(xué)生介紹單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但學(xué)生對于單片機內(nèi)部的各部件沒有感性的認識，更看不到各部件彼此之間的聯(lián)系，只能通過教師的語言描述來實現(xiàn)，因此學(xué)生理解起來非常“澀”[3]。而傳統(tǒng)的教學(xué)方式采用的是教師在教室內(nèi)按照教材傳授理論知識，按照先后順序講述內(nèi)部結(jié)構(gòu)、匯編語言指令、程序設(shè)計方法、接口部件和設(shè)計實例等內(nèi)容，教學(xué)形式較單一，雖然利用多媒體可以給學(xué)生展示一些圖片或相關(guān)視頻，但學(xué)生在學(xué)校過程中難以抓住學(xué)習(xí)重點，導(dǎo)致部分學(xué)生對單片機的學(xué)習(xí)產(chǎn)生“畏懼”心里，甚至喪失對單片機學(xué)習(xí)的興趣和熱情，造成教學(xué)效果越來越差[4]。

同時，目前的實驗教學(xué)方式基本上是“集成實驗箱+實驗指導(dǎo)書”。學(xué)生實驗時，按照指導(dǎo)書的示意圖將電路連接好，再將指導(dǎo)書上的實驗程序敲進去，編譯運行，觀察實驗運行的結(jié)果。如果編譯運行過程中沒有錯誤，執(zhí)行結(jié)束就代表實驗做完了。而對于實驗過程中涉及到的電路原理、程序結(jié)構(gòu)等基本不清楚，造成學(xué)生實驗結(jié)束后仍然對所學(xué)內(nèi)容不甚了解，不能掌握單片機的基本使用方法，更無法應(yīng)用到實際工程中進行相關(guān)的設(shè)計[5]。

再者，目前各院校對于單片機的考核方式仍以閉卷筆試考核為主，考核內(nèi)容基本是要求學(xué)生記住單片機的相關(guān)知識點，而對于如何實現(xiàn)單片機的應(yīng)用卻很少考核。通過這樣的方式去對學(xué)生進行考核，并不能真正反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平以及學(xué)生的實際動手能力和對單片機的應(yīng)用能力，與該課程應(yīng)與實踐相結(jié)合的要求相差甚遠[6]。

鑒于以上原因，對單片機應(yīng)用技術(shù)課程進行教學(xué)改革是非常必要的。

2 項目化教學(xué)改革的實施

2.1 項目化教學(xué)改革的思路

《單片機原理及應(yīng)用》課程的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)具有單片機硬件設(shè)計、單片機程序設(shè)計、單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)計的應(yīng)用型人才[1]。由于傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和方法不能達到培養(yǎng)目標的要求，更無法考核學(xué)生的實際的操作技能，因此需要探索出一種新的教學(xué)方法來滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的發(fā)展趨勢。教學(xué)過程中采取以應(yīng)用為主線，把《單片機原理及應(yīng)用》課程內(nèi)容分解成各種典型的項目與任務(wù)，將教學(xué)內(nèi)容進行整合，建立“做中學(xué)、做中教”的教學(xué)模式；以自編《80C51單片機項目化教程》為參考教材，利用項目來進行教學(xué)設(shè)計，采用項目化結(jié)構(gòu)模式，每個項目包含一個或幾個任務(wù)；應(yīng)用Proteus仿真軟件、Keil C軟件對相關(guān)項目進行課堂分析講解，給學(xué)生配置單片機開發(fā)板實物進行項目任務(wù)的設(shè)計練習(xí)。在課堂教學(xué)過程中，教師先對項目、任務(wù)進行分析，然后對該任務(wù)所涉及的單片機知識點進行講解，最后通過子任務(wù)讓學(xué)生自己動手進行相關(guān)的設(shè)計與制作。

2.2 項目化教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

項目化教學(xué)以項目為載體，以任務(wù)為驅(qū)動，將理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生在完成任務(wù)的過程中掌握知識和技能，從而提高學(xué)習(xí)效果和實踐能力[7]。因此在教學(xué)改革設(shè)計過程中，需要選擇合適的項目來保證教學(xué)改革的效果。選擇的項目既能覆蓋單片機的相關(guān)知識點，又不至于過大增加學(xué)生負擔(dān)，給學(xué)生造成心理壓力，使其產(chǎn)生畏懼心理導(dǎo)致效果不理想。通過與教研室以及實驗室教師的溝通討論，針對我校電力特色和測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生的特點，最終確定以一個水箱水位（模擬電廠鍋爐汽包）控制系統(tǒng)為項目載體[2]。通過控制水泵的運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對水箱水位的控制，可以實現(xiàn)水位的顯示、超限控制、水位的精確控制、水溫測量等操作，利用通信接口實現(xiàn)與上位機通訊進行數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸?shù)葍?nèi)容，并在每個項目中設(shè)置一個或多個任務(wù)來涵蓋單片機學(xué)習(xí)的主要知識點。部分項目及所涉及知識點如表1所示。

如在項目2中，筆者設(shè)計了開關(guān)輸入、LED發(fā)光二極管點亮、七段數(shù)碼管的靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示等子任務(wù)，最后將子任務(wù)結(jié)合起來實現(xiàn)一個水箱水位的液位顯示；項目7中通過設(shè)計單片機間串行通信、單片機與上位機串行通信、LED接收上位機數(shù)據(jù)顯示、鍵盤輸入送至上位機、A/D數(shù)據(jù)送至上位機顯示等子任務(wù)來講解單片機的串行通信技術(shù)知識點；項目8中設(shè)計了D/A轉(zhuǎn)換、PID控制等子任務(wù)供學(xué)有余力的同學(xué)將在自動控制原理等課程中學(xué)過的控制策略和方法應(yīng)用到水位控制中來，真正做到理論與實踐相結(jié)合[2]。

在項目化教學(xué)內(nèi)容中，學(xué)生通過項目化和任務(wù)化的鍛煉，能夠真正了解分析問題、解決問題的思路與過程，從而達到單片機課程培養(yǎng)目標和要求[8]。

單片機項目化教學(xué)過程的各個任務(wù)主要包括六個方面的內(nèi)容：任務(wù)要求、任務(wù)分析、解決方案、任務(wù)實施、任務(wù)總結(jié)、任務(wù)拓展等[9]。在項目化教學(xué)實施過程中，需要學(xué)生明確任務(wù)的目標要求，帶著需要解決的問題去思考、學(xué)習(xí)；通過對任務(wù)的要求進行分析，確定解決方案，并將所確定的解決方案直接進行應(yīng)用，從而可以直接看到任務(wù)實現(xiàn)的結(jié)果，加強了對所學(xué)內(nèi)容的理解；任務(wù)實施結(jié)束后，對整個過程進行總結(jié)，并將學(xué)生在任務(wù)實施過程中出現(xiàn)的問題進行剖析；最后在前邊任務(wù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，進行相關(guān)的任務(wù)功能拓展，加強學(xué)生獨立思考、動手的能力。

項目化教學(xué)的課堂實施主要采用Keil C和Proteus軟件相結(jié)合的方式進行調(diào)試演示。Proteus仿真軟件可以直接進行電路原理圖布圖、仿真處理器及其外圍電路等優(yōu)點，Keil C可以進行斷點運行、單步運行、跟蹤光標處等調(diào)試方法，因此通過利用Keil C和Proteus軟件來進行程序調(diào)試，可以使學(xué)生切身體會到程序運行的過程以及程序運行過程中寄存器、存儲器、程序狀態(tài)的變化情況，可直接對比程序分析結(jié)果與運行結(jié)果，若程序運行結(jié)果異常，可分析找出問題所在并對程序進行修改。

3 教學(xué)過程的實施

這里以項目2中的一個子任務(wù)為例來簡要介紹項目化教學(xué)過程的實施，其余項目任務(wù)與其基本相同。

項目名稱：水箱水位顯示

子任務(wù)1：利用發(fā)光二極管顯示水箱水位

【任務(wù)要求】

1、采集水箱水位開關(guān)的通斷信號；

2、利用發(fā)光二極管亮滅對水箱水位開關(guān)的通斷進行顯示。

【任務(wù)分析】

當(dāng)水箱內(nèi)無水時，所有水位開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，發(fā)光二極管全滅。隨著水位的上升，當(dāng)水位升高到相應(yīng)水位開關(guān)位置時，水位開關(guān)接通，發(fā)光二極管點亮。

【所涉及到的單片機知識】

單片機電平信號的輸入；發(fā)光二極管與單片機的接口方式；驅(qū)動發(fā)光二極管點亮；

需強調(diào)指出：單片機在進行電平信號輸入時，需要先給相應(yīng)并行接口輸出高電平。

【解決方案】

硬件方案：水位開關(guān)接通時信號為“0”，斷開時信號為“1”；發(fā)光二極管陰極與單片機的P1口相接；

軟件方案：循環(huán)讀入水位開關(guān)信號，并將該信號送至發(fā)光二極管進行顯示。

【任務(wù)實施】

1、硬件電路圖通過PPT演示，并給出P1口的結(jié)構(gòu)圖及引腳功能；

2、軟件演示：通過多媒體PPT給出軟件流程圖，如圖1所示；

3、軟件與硬件聯(lián)調(diào)：利用Protues給出電路連接原理圖，如圖2所示，并通過Kei C對源程序進行編譯、鏈接后聯(lián)機調(diào)試，讓學(xué)生理解程序的執(zhí)行過程。

4、 仿真環(huán)境調(diào)試正確后，利用ISP下載線將編譯后的二進制文件下載到單片機，將單片機放到開發(fā)板上，連接水箱實物、水位開關(guān)、發(fā)光二極管進行實際操作。

水箱水位開關(guān)及單片機開發(fā)板硬件連接調(diào)試實驗裝置如圖3所示。

【任務(wù)總結(jié)】

對本次任務(wù)進行總結(jié)，再次對單片機的引腳使用、匯編語言指令、流程圖及源程序進行簡要總結(jié)，并強調(diào)本次任務(wù)中相關(guān)的重點、難點內(nèi)容。

【任務(wù)拓展】

要求學(xué)生在本次任務(wù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)控制水泵的啟停控制、水位上升到最高時自動關(guān)斷水泵。

4 項目化教學(xué)效果

4.1 教學(xué)方法及手段更加靈活

在項目化教學(xué)實施過程中，可以很好的將理論與實踐進行結(jié)合，使得教學(xué)方法更加靈活多樣。教師將每個項目任務(wù)的完成都包括在任務(wù)要求、任務(wù)分析、解決方案、任務(wù)實施、任務(wù)總結(jié)、任務(wù)拓展等過程中。因此，在單片機的學(xué)習(xí)過程中，不再是單純的老師教、學(xué)生聽，而是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進行問題分析和問題解決的過程中學(xué)。通過親自動手將項目任務(wù)完成，在學(xué)習(xí)過程中將理論和實踐有機相結(jié)合，從而培養(yǎng)了他們相應(yīng)的能力。

4.2 教學(xué)中的任務(wù)導(dǎo)向作用

在教學(xué)過程中，對于每個任務(wù)的實施都從“任務(wù)要求”開始。因此，要求每個學(xué)生都需要思考任務(wù)應(yīng)如何解決、采用什么樣的方法等，把學(xué)生變?yōu)榻虒W(xué)活動中的主角。項目化教學(xué)具有較好的實時性和可觀察性，在任務(wù)實施過程中，學(xué)生對自己任務(wù)的完成情況有著清楚的認識，同時在任務(wù)實施的過程中如果遇到問題，學(xué)生之間可以互相討論、交流，也可以提高溝通和協(xié)作能力。同時，項目化教學(xué)可以極大的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生會主動的進行資料的收集以及提出相關(guān)問題并展開討論，培養(yǎng)了學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和獨立思考的能力。

4.3 教學(xué)考核方式體現(xiàn)對能力的考核

項目化教學(xué)模式的考核應(yīng)該是學(xué)生對單片機綜合應(yīng)用能力的考核[10]，側(cè)重于對單片機的軟件編程、各硬件模塊使用的考核。因此在每一個任務(wù)完成后考核學(xué)生的對相關(guān)知識點的掌握程度、設(shè)計能力、創(chuàng)新意識并作為平時成績。在期末考試中而采用多種形式，如采用開卷考試、設(shè)計一個綜合應(yīng)用等形式，學(xué)生可以隨時查閱各種相關(guān)資料，主要考察學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，改變過去純粹考核學(xué)生對單片機知識點掌握程度的考試方式。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)單片機課程教學(xué)中存在的不足，結(jié)合本人多年的教學(xué)實踐，將項目化教學(xué)方法應(yīng)用到單片機的教學(xué)改革中并實施，通過項目化、任務(wù)化的方式將單片機的知識點學(xué)習(xí)融合到了解決問題的過程中，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力，增強了學(xué)生的對單片機的綜合應(yīng)用和動手實踐操作能力。與進行教學(xué)改革之前相比，教學(xué)質(zhì)量有了明顯好轉(zhuǎn)，學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力也有了較大提高。

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