基于項目應(yīng)用的《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程研究與實踐

車守全 江偉 陳俊

摘 要：文章以提升《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程中學(xué)生理論知識點吸收率及創(chuàng)新應(yīng)用能力為目的，探討了面向項目應(yīng)用的教學(xué)方法，引入軟件聯(lián)合仿真和實驗驗證結(jié)合的方式，實踐教學(xué)證明提高了課程教授的效率和質(zhì)量。關(guān)鍵詞：單片機(jī)原理及應(yīng)用；教學(xué)方法；實踐教學(xué)DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.1950 前言

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是機(jī)械電子工程核心專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，基本的教學(xué)目標(biāo)是：通過本課程學(xué)習(xí)使學(xué)生對單片機(jī)的基本知識有認(rèn)識，對MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)、匯編語言及C51語言、單片機(jī)中的中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、串行口應(yīng)用、接口技術(shù)有基本認(rèn)識和應(yīng)用能力，能夠設(shè)計開發(fā)簡單單片機(jī)系統(tǒng)。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品、自動化系統(tǒng)學(xué)習(xí)、開發(fā)的基本知識。該課程具有明顯的理論實踐相結(jié)合特征，理論部分出現(xiàn)了很多單片機(jī)系統(tǒng)概念以及計算機(jī)定義，學(xué)生往往在理論知識的學(xué)習(xí)部分就會失去學(xué)習(xí)的興趣和動力，最終只能以背誦知識點應(yīng)付考試。另一方面，學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力也是課程培養(yǎng)的重要方向[2-3]。文章認(rèn)為，對于《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的學(xué)習(xí)，理論學(xué)習(xí)、動手能力以及創(chuàng)新能力并不是循序漸進(jìn)地完成的，基于面向項目應(yīng)用的觀點，在項目完成過程中，既可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力，也可以反饋增強(qiáng)對理論知識的學(xué)習(xí)。1 項目式教學(xué)主要內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容主要分為：課堂理論教學(xué)、課堂項目演示、課下課程項目、開放性驗證實驗、反饋補(bǔ)充，如圖1所示。主要的設(shè)計思想是以學(xué)生為主，以學(xué)生實踐促進(jìn)理論學(xué)習(xí)為主要手段，恢復(fù)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)活力，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)、創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方法。值得提出的是，面向項目實施的課程教學(xué)不僅可以應(yīng)用在具體章節(jié)的教學(xué)中，還可以應(yīng)用到整門課程中。在本校機(jī)械電子工程課程教學(xué)中，作者在課程開始就引入基于單片機(jī)及Android系統(tǒng)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項目，結(jié)合各個章節(jié)展開教學(xué)任務(wù)。

課堂理論教學(xué)部分以理論知識點的講解為主，要求學(xué)生以抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等方法理清章節(jié)知識點脈絡(luò)。同時，課堂理論教學(xué)完成理論知識點的隨堂作業(yè)，包括課后選擇題、問答題等知識點內(nèi)容論述題目，以完成對學(xué)生對理論知識感性認(rèn)知的考察。理論知識點講解占教學(xué)時間60%。

課堂項目演示主要以教師設(shè)置的項目為主線，演示項目突出重點、難點，包含該章（節(jié)）大部分知識點。項目演示了理論知識點在實際項目中可能的應(yīng)用方向和方式，驗證抽象概念、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等過程。課堂項目演示的主要方式是項目KeilC51和Proteus聯(lián)合仿真以及便攜式實驗平臺演示。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言集成開發(fā)系統(tǒng)（IDE），Keil提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理以及強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的系統(tǒng)設(shè)計輔助軟件工具（EDA），能夠完成原理圖布圖、系統(tǒng)代碼調(diào)試以及單片機(jī)的外圍電路協(xié)同仿真。依靠Keil C51和Proteus可以完成單片機(jī)系統(tǒng)的程序編寫、電路布置以及協(xié)同仿真，實現(xiàn)項目的快速開發(fā)和調(diào)試。便攜式實驗是依據(jù)課程安排定制的STC89C52單片機(jī)及外圍電路開發(fā)實驗板，包含了涵蓋教學(xué)任務(wù)中所有章節(jié)知識點的開發(fā)實驗。該部分占教學(xué)時間的30%。

課下課程項目以學(xué)生為主體，以完成項目作業(yè)為方法進(jìn)行考核，進(jìn)行理論知識點的考察。主要的方式是：學(xué)生完成布置項目或以小組形式完成一個自選項目，項目包含該章（節(jié)）重難點知識點和大部分理論知識，學(xué)生完成的自選項目要求列舉理論應(yīng)用清單。

開放性驗證實驗主要依據(jù)學(xué)校機(jī)電一體化實驗室中的單片機(jī)實踐模塊，進(jìn)行設(shè)計項目的開發(fā)板驗證，該部分考察了學(xué)生的實踐動手能力以及創(chuàng)新能力。同時，將仿真過程移植到實體開發(fā)板中，對學(xué)生掌握的理論知識進(jìn)一步驗證和鞏固。

反饋補(bǔ)充主要是采集之前教學(xué)、項目作業(yè)和實驗驗證部分學(xué)生的缺點、錯誤，以課堂反饋教學(xué)的形式完成對知識點的鞏固和提升。該部分占教學(xué)時間10%。2 項目式教學(xué)實踐

本節(jié)以《單片機(jī)原理及應(yīng)用》中的串行工作方式1及其應(yīng)用一節(jié)為教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。該教學(xué)計劃為1課時，小節(jié)包含的知識結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

大綱要求掌握的知識點有以下方面：（1）通信時間和波特率的理解；（2）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)端口；（3）數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；（4）寄存器配置；（5）邏輯過程的理解。學(xué)生對于知識點的理解以指標(biāo)吸收率s作為評價指數(shù)，s表示學(xué)生能夠清楚解釋并示例應(yīng)用的知識點個數(shù)和大綱本節(jié)要求的知識點總數(shù)的比例，。2.1 課堂理論教學(xué)

按照通信時鐘計算——相關(guān)寄存器功能及配置——中斷功能——發(fā)送/接收邏輯單元——通信邏輯講解本節(jié)知識點，讓學(xué)生有較為全面的感性認(rèn)知。課堂時間為20分鐘。2.2 課堂項目演示

以雙機(jī)通信作為本次項目演示，甲機(jī)向乙機(jī)發(fā)送數(shù)字0-F，在數(shù)碼管上顯示發(fā)送數(shù)據(jù)，乙機(jī)顯示收到數(shù)據(jù)并向甲機(jī)返回收到的數(shù)據(jù)，項目演示使用Proteus創(chuàng)建仿真單片機(jī)及外圍電路，使用Keil編寫C51程序編譯，得到Hex文件與Proteus聯(lián)合仿真。Proteus仿真如圖3所示。

通過該項目進(jìn)一步講解串口通信中串行工作方式1的原理及其應(yīng)用，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R與小項目實施的細(xì)節(jié)對應(yīng)，理解理論應(yīng)用過程。該部分用時20分鐘。2.3 課下課程項目

教師布置課下課程項目為雙機(jī)通信在字符傳輸中的應(yīng)用，甲機(jī)向乙機(jī)發(fā)送英文字符密碼，與乙機(jī)中存儲字符串如果一致，則甲機(jī)數(shù)碼管顯示字符‘P表示驗證正確，端口控制繼電器通路，用于模擬電子鎖中的密碼驗證。該項目涵蓋了本節(jié)學(xué)習(xí)的所有知識點，同時基于的現(xiàn)實意義，有一定的實踐應(yīng)用方向。要求學(xué)生使用Keil+Proteus聯(lián)合仿真，如圖4所示。2.4 開放性驗證實驗

開放實驗室讓學(xué)生能夠在開發(fā)板上搭建電路并編寫程序進(jìn)行驗證，部分學(xué)生在完成本節(jié)學(xué)習(xí)后在開放實驗板上作了單片機(jī)與PC端串口通信實驗，通過PC端輸入控制字符，控制開發(fā)板相應(yīng)端口，開發(fā)板回顯控制指令。達(dá)到了學(xué)生動手和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練2.5 反饋補(bǔ)充

根據(jù)課堂作業(yè)掌握情況以及課下項目作業(yè)的反饋情況，對存在的問題、理解錯誤的概念、模棱兩可的知識點進(jìn)行清理和補(bǔ)充。如表1 所示。2.6 評價指標(biāo)下的教學(xué)成果

以指標(biāo)吸收率s作為成果評價評估各個環(huán)節(jié)的教學(xué)成果，隨機(jī)抽取20名學(xué)生作為樣本進(jìn)行大綱要求知識點考核，分別統(tǒng)計各個環(huán)節(jié)下學(xué)生吸收率達(dá)70%以上的人數(shù)，用以顯示各環(huán)節(jié)教學(xué)后學(xué)生對于理論知識點的掌握程度。結(jié)果如圖5所示，顯示在課程項目后，特別是課下課程項目之后，吸收率良好的學(xué)生人數(shù)增加幅度較大。另外，完成小組自選項目的學(xué)生對于知識點的吸收和應(yīng)用也明顯高于其他學(xué)生。3 結(jié)束語

區(qū)別于傳統(tǒng)的理論講解和實驗課結(jié)合的方式，文章引入面向項目應(yīng)用的教學(xué)方法，在《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程學(xué)習(xí)中引入針對本課程的項目應(yīng)用以及針對課程每個章節(jié)的小應(yīng)用項目，將課程教學(xué)分成5個部分，引導(dǎo)學(xué)生通過聯(lián)合仿真以及實驗驗證的方法，在完成項目實踐中完善對理論知識的學(xué)習(xí)，將主動性回歸學(xué)生，并提升課程的趣味性，在此過程中提高學(xué)生的動手能力以及創(chuàng)新能力。最終的教學(xué)調(diào)研顯示，項目驅(qū)動的教學(xué)方法對學(xué)生吸收理論知識、保持良好的學(xué)習(xí)動力、提高學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力有較好的效果。參考文獻(xiàn)：[1]劉玉叢.單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用課程實踐化教學(xué)改革的探索[J].電子世界，2018（03）：97.[2]李敏，汪鑫等.基于應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)的單片機(jī)課程教學(xué)改革[J].課程教育研究，2018（15）：21-22.[3]丁小一，呂菲等.基于工作過程導(dǎo)向的“單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程開發(fā)與實踐[J].無線互聯(lián)科技，2018（09）：88-89.六盤水師范學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)綜合改革試點項目（LPSSYzyzhggsd201802）作者簡介：車守全（1992-），男，貴州納雍人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)械裝備自動化和信息化。