基于Proteus的單片機課程項目化教學研究與實踐

周強+蔣慧敏+李媛+劉楓

摘 要 單片機課程是電類專業的主干課程。本文介紹了在單片機課程中利用Proteus軟件開展項目化教學的經驗，著重從項目的確定、實施及最后評價三方面入手展開研究。實踐表明：電子類學生對單片機課程學習滿意度提高，提高了學生的工程實踐能力。

關鍵詞 Proteus 單片機 項目化教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

0引言

2005年11月，《國務院關于大力發展職業教育的決定》要求高水平的培養高素質技能型人才，拉開我國新時期高校教育人才培養模式改革的序幕。2014年6月，《國務院關于加快發展現代職業教育的決定》明確要求引導一批普通本科高等學校向應用技術類型高等學校轉型，以就業為目標，整合教育資源，改進教學方式。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家教育事業發展第十二個五年規劃》也明確指出地方高校教育改革的重點方向是“加快培養重點領域緊缺人才，優化學科，辦出特色，服務地方”，高等教育轉型對于部分地方高校來說已是辦學的大勢所趨。近年來，隨著科技的不斷發展和進步，諸如“物聯網技術”“工業4.0”等名稱不斷涌現，企業對高素質的電子類專業人才越加渴望。他們往往希望畢業生在很短的時間內能夠勝任工作崗位的要求甚至是直接參與企業的項目開發，因此高校的人才培養模式也應該適應時代的發展趨勢。

1“單片機課程”開展項目化教學的意義

項目化教學法是“行為導向”教學法的一種，往往由“內容”“活動”“情景”“結果”四大要素組成。項目化教學在國內外的教育中被廣泛采用，教師根據課程特點認知規律制定任務以項目的形式交給學生，學生可以工作小組的方式，分工合作，共同完成整個項目。其實質是與企業需求相結合的，是針對具體崗位的。在不斷的教學實踐中“基于工作過程”和“行動導向”的教學思想在職業教育的理論和應用中逐漸清晰，用一種指向工作世界的“能力”來代替傳統的能力理念。在項目化的教學中，教師扮演著引導和把控全局的角色，學生在項目實踐的過程中，逐步會養成團隊合作精神、培養分析問題和解決問題的能力，同時也會激發學生的潛能和創造力。

“單片機原理與應用”作為工科院校電類專業的重要專業必修課，是一門硬件電路和軟件編譯有機結合，具有很強應用性的課程，可以較全面、較系統地錘煉學生的專業素質。但該課程對于初學者來說相對抽象，傳統的教學方式只是為了加深單片機基本原理及接口電路等，驗證性的實驗課讓學生在學習的過程中不夠深入，這與企業的要求相差甚大。近年來，單片機技術飛速向前發展，集成度越來越高，種類十分紛雜，學校在教學的過程中儀器、設備等方面總體偏落后，迫切需要在教學的過程中引入仿真軟件等現代教育技術。目前單片機仿真技術的軟件主要采用Proteus，它是英國Lab Center Electronics公司出版著名的EDA工具，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺結合的較為出色，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。對于單片機初學者，仿真軟件是一個可以加快認知周期、提高學習效率的工具。

2項目化教學的實踐

2.1項目的確定

確定項目是“項目化教學”的基石。單片機課程主要包括單片機硬件結構、指令系統、編程調試方法及其接口應用等，項目選取要以單片機課程必須要掌握的知識點為主線，站在初學者的角度上分層次逐漸遞進，精心設計和安排項目內容，選擇的教學項目如圖1所示。項目構架可以包括基本部分、發揮部分和強化訓練部分等三個層次。項目的基本部分要容易實現，那樣可以增強學生學習的積極性和信心；而項目的發揮部分要以鍛煉學生的創新思維、創造力和成就感為目的，從而激發學生深入學習的動力。

與此同時，強化訓練需要教師要積極調研相關企業，邀請企業專家進行研討，分析崗位需求，制定學習目標并開展拓展技能的強化訓練，可以深入理解理論知識，學會單片機開發的實踐知識。項目教學輔助資源的構建是實施教學的重要平臺，項目化教學需要提供給學生大量的相關文獻，需要學生在自學的過程中發現問題，然后解決問題。傳統教學模式下的教學資源較為單一落后，僅僅是教材或者是參考書等，這遠遠不能滿足開展項目化教學的要求。因此，需要整合文字教學資源（教材、學習指導書及參考書等），參考各知名單片機開發網站資源（尤其是國內外知名院校的視頻課），利用軟件教學資源（Keil、Proteus以及Protel 軟件）和硬件教學資源（實驗箱、仿真器、單片機開發板等），構建豐富的課程資源庫。充分運用現代教育技術和手段，使學生能夠按照自己的需要，方便地實現不同教學資源的切換，為開展項目化教學提供資源保證。教師先明確本次項目的目標和要求，并先學生一步實施并完成項目。那樣既能保證教師能全面了解本項目，最終的成果展示又能給學生直觀的感知，讓學生明確項目最終的目標。

2.2項目的實施

下面以“PWM調光”為例說明項目教學的實施過程。要求學生利用Proteus仿真軟件，搭建規范的系統原理圖；編寫程序使電路正常運行；完成PCB的設計；撰寫設計報告。

2.2.1項目的要求

PWM脈寬調制是利用微處理器AT89C51的數字輸出，來對模擬電路進行控制的一種有效手段。通過調整單片機I/O口輸出波形的占空比，來模擬不同電壓下，LED燈的發光情況。

a.基本部分：系統上電時，單片機某一I/O口輸出低電平，同時數碼管顯示“00”。endprint

PWM信號在示波器上顯示的頻率為2KHz。

b.提高部分：按鍵S1可控制該I/O口輸出的矩形波占空比，每按下一次，輸出波形占空比增加5%，由數碼管顯示占空比數值（省略百分號），當占空比增加到100%時，蜂鳴器報警，若此時再按下S1， 該I/O口持續輸出高電平。按鍵S2每按下一次時，輸出波形占空比減少5%。數碼管顯示當前占空比數值，當輸出波形占空比減小到0時，若再按下S2鍵，該I/O口持續輸出低電平。

c.創新發揮部分：長按按鍵實現連續加或者減等功能。

2.2.2項目實施的步驟

a.設計系統硬件框圖和電路原理圖。所謂硬件框體，是指實現該項目的所有功能所需的硬件電路模塊，它是電路原理圖的單元電路。學生根據已有知識，通過查閱文獻等相關方式完成電路原理圖的繪制，完成單元電路的設計和關鍵參數的計算，列出元器件清單，由教師最后確認。這一步驟是項目化教學的第一步，也是重要的一個環節。通過原理圖的設計，既能夠檢驗學生對模電、數電、單片機技術及常用電子元器件的熟悉程度，又可以讓學生更加懂得注重對基礎知識學習，為他們將來走向工作崗位打下堅實的基礎。

b.繪制程序流程圖及軟件編寫。程序流程圖是程序的骨架，是程序分析中最基本、最重要的分析技術，它是進行程序流程分析過程中最基本的工具。因此在軟件編寫之前，要求學生運用Word、Visio等軟件繪制程序流程，向教師闡述自己的編程思路，得到認可后才可以進入軟件編寫的環節。在軟件設計，教師引導學生學會模塊化設計的概念，即根據項目中軟件承擔的任務，結合硬件資源，掌握硬件中各I/O通道與外界的聯系、定時器、中斷等工作狀態。可將任務分解成諸如鍵盤掃描、數碼管顯示、延時函數、A/D、D/A、外部中斷、定時器及串口通信等幾個相對較為獨立的子任務，然后分配給項目組成員完成。

c.系統調試。把各成員的完成的子任務組合起來聯調，在調試的過程中，一來學生對示波器、信號源、邏輯分析儀等常用的電子儀器更加熟悉，二來學會通過觀察、比對、分析、討論增強他們的團隊合作意識。當某小組出現大偏差或者久久不能解決問題的時候，教師不直接給出答案，而是引導學生朝某一方向繼續研究，自始自終讓學生處在主體地位。那樣反復的訓練，一定會增加學生的耐心、自信心和創造力。

2.2.3完善評價體系

評價體系是評估總結是“項目化教學”的最后一環，也是重要的環節。學生要先進行自我評估，以小組為單位，每個學生分別介紹項目實施過程中的具體任務、方法、遇到的問題及解決方案，使大家可以看到別人的解決方案中汲取營養。教師要總結學生遇到的各種各樣問題，講解自己遇到類似問題時的解決方法。最后，教師要總結比較各個小組的特點，引導他們是否可以繼續深入研究，鼓勵學生永無止境的科研精神。

在整個評估過程中，每一個項目都要有完善的評分標準。按百分制，評價分為四個方面：功能實現（基本副本20分，提高部分25分，創新10分）、現場匯報及問答（15分）、撰寫項目報告（20分）及綜合表現（10分）。

3結束語

在單片機課程中開展基于仿真軟件的項目化教學，有效地提高電子類專業學生工程實踐能力，有效地推動了高校教學改革和向應用型高校轉型的發展。近年來，該門課程的學生滿意度都較高，提高了學生的自信心。同時，在國家級、省級各項學科競賽諸如全國大學電子設計競賽、全國“恩智浦”杯智能汽車競賽中成績逐年提升，學生在項目研究中能夠獨當一面，獲得省、市級項目的項目數也節節攀升。

參考文獻

[1] 教育部.國家教育事業發展第十二個五年規劃[Z].2012-06-14.

[2] 貢雪梅.項目化教學法在單片機原理課程設計中的應用[J].實驗技術與管理，2009，7（26）：115-116.

[3] 單丹.淺談項目化教學在“單片機原理及應用”課程中的應用[J].中國電力教育.2010，25（176）：91-92.

[4] 袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的單片機課程教學與實驗改革[J].實驗室研究與探索，2007，26（12）：75-78.

[5] 李芳，李家慶.基于Proteus+Keil的單片機實驗仿真平臺[J].中國技術教備，2009，157（04）：67-69.endprint