基于項目驅動的單片機原理及應用課程教學實踐

江蘇大學電氣信息工程學院 王照偉 王 博 陳 前

本文針對《單片機原理及應用》課程實踐性強、知識點多但邏輯關聯性弱、過于抽象等特點，立足于自動化專業創新型、實踐型、知識型復合人才培養目標，基于項目驅動理念，重新構建教學內容，將理論教學與實踐教學有機結合，優化教學過程，增強學生學習的主觀能動性，解決了傳統教學模式重理論輕實踐、理論與實踐結合不夠緊密的問題。教學實踐結果表明，學生應用性和創新性能力得到顯著提高，專業知識體系得到了完善。

《單片機原理及應用》課程是自動化專業的一門專業基礎核心課程，是理論基礎課程走向工程實踐應用的橋梁，在自動化專業課程教學中起著重要的銜接作用。課程內容包括單片機工作原理、硬件結構、外圍接口、匯編/C51語言程序設計、應用系統開發等，涉及數字電路、模擬電路、微機原理、C語言編程等先修課程，呈現出知識點多、分散、關聯性弱等特點。傳統教學過程中，多采用專業理論知識講授先行、課程設計實踐集中教學后之的方式。但因學生缺乏實際的開發經驗和應用背景，對于抽象的單片機硬件結構和工作原理、枯燥的程序語言，往往隨著課程的推進，其學習興趣逐漸喪失。加之課時壓縮、學生課后學習主動性不足、課程前后知識點邏輯性差等，學生學習效果并不好。雖然通過集中復習，學生也可通過課程終結性考核，但在后續課程設計環節的知識點擴展應用時，就會暴漏出對于關鍵知識點掌握嚴重不足的問題。

《單片機原理及應用》的課程目標是使學生在理解單片機基本結構與工作原理的基礎上，掌握單片機應用系統的軟、硬件開發能力，為學生畢業后從事控制工程的計算機檢測與控制、智能儀表、運動控制等相關工作奠定理論與實踐基礎。傳統教學方式側重于以教師為主導的單片機相關基礎理論知識的講授，缺乏學生參與的主觀性引領教學，課程實踐與理論教學銜接關系薄弱，造成學生在課程結束后獲得的能力不能有效達到既定教學目標。針對《單片機原理及應用》課程的特點，我們立足于課程目標達成，結合新時代單片機應用實例，基于項目驅動重構課程教學內容，寓教于學，激發學生的學習興趣，進一步培養學生的創新性思維和解決實際控制問題的能力。

1 項目驅動教學理念分析

傳統側重于理論教學、以教師引導為主的講授過程，立足于選定教材，通過PPT、板書等形式講解理論知識，按照教材章節安排順序講授單片機的基本結構與工作原理、指令系統、程序設計、外圍接口芯片擴展、應用系統開發等知識。但過于抽象的概念、知識體系的邏輯性差、脫離課程實踐的關聯，學生學習難度大、聽課過程枯燥，進一步造成其無法深入理解相關知識點。

項目驅動教學方法通過設計完整的學習情境，將理論與實踐互聯，重新構建教學內容，通過實際的應用范例將知識點嵌入到項目功能實現中。課程知識不再是空中樓閣，而是可看、可觸、可控。教師通過設置問題“What”、“Why”、“How”，引導學生層層推進知識的應用，激發學生的學習興趣，將教師的被動講授變為學生的主動學習。在學習過程中，學生不再是漫無目的學習，而是帶著實踐任務去學習，提高了解決實際工程問題的能力。

2 課程教學目標

江蘇大學自動化專業旨在培養專業知識扎實、富有創新能力、具有國際視野的復合型人才。具體到《單片機原理及應用》課程，則期望通過該課程的深入學習，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，使學生具備精益求精的大國工匠精神和百折不撓的抗挫能力。

此外，要求掌握單片機的基本結構和工作原理，包括I/O口、定時器/計數器、串行接口、中斷系統、存儲系統等工作原理和應用方法；掌握單片機的程序設計方法，涉及存儲器擴展、并行接口的擴展、A/D接口、D/A接口等設計和編程方法；掌握單片機鍵盤接口、LED顯示器接口、LCD接口等工作原理和編程方法，如圖1所示。

圖1 《單片機原理及應用》課程目標及知識結構

在此基礎之上，進一步掌握基本的單片機應用系統軟、硬件設計過程和技巧，以及基本方法和常用接口的使用方法；能夠針對自動控制系統的特定需求，分析關鍵環節和參數的作用，開發、設計硬件系統和軟件程序。達到能夠使用單片機的相關知識對目標系統方案進行分析、判斷和評價的能力。同時具備自主拓展學習、可創造性解決工程實踐問題的能力。

課程目標明確要求教師在教學過程中要注重培養學生的實際工程應用能力，寓用于教、寓教于樂，加強學生對單片機軟、硬件結構分析和設計的掌握和認識，夯實進一步學習ARM嵌入式系統、人工智能、過程控制等相關專業課程的基礎。

3 項目驅動教學實踐

如圖1所示，項目驅動教學方法著力于培養學生軟硬件設計、關鍵環節和參數分析與設計的自動控制系統工程設計開發能力。在實踐教學中，課程團隊從實際案例出發，采用自頂向下的步驟，重新組織教學內容。課程以嵌入式應用系統開發流程為起點，從具體的硬件功能設計到抽象的軟件系統分析，將實踐與理論充分融合，緊扣培養學生實踐能力的目標，具體實施過程如下。

3.1 項目引導，激發學習興趣

課程開始，通過項目案例，分析具體的嵌入式應用系統開發流程，包括明確系統任務需求；設計硬件電路，以及元器件選擇；基于硬件基礎和應用需求編寫軟件控制系統；軟硬件調試，完成功能設計。

以“履帶式機器人循跡控制”為例，向學生講授完整的嵌入式應用系統開發實現所涉及到的單片機相關知識，包括“What（單片機是什么？）”，奠定學生的單片機概念，與微機原理課程做出有效區分，避免學生對二者產生混亂；“Why（為什么學習單片機？）”，從就業、高端電子技術的學習等角度引導學生進一步深入理解課程學習目標；“How(怎么學習單片機？)”，涉及硬件電路設計、軟件系統設計、集成開發環境使用等知識點，為學生學習后續課程知識奠定初步基礎。

3.2 需求牽引，模塊化硬件結構設計

以“循跡控制”為例，其硬件結構組成主要包括單片機控制板、傳感器模塊、電機驅動模塊等，功能實現流程為：由傳感器模塊智能探測路線，并向單片機控制板輸出感知信號；單片機控制版基于收到的感知信息，向電機驅動模塊輸出命令，從而控制履帶的運轉速度和方向，實現機器人智能循跡。在此過程中，引導學生學習掌握單片機的內部結構組成，并熟練使用相關模塊。

單片機內部結構要與芯片內部實際的物理結構和布局區分開，從應用角度展開進行講授，引導學生通過開發者的視角來學習。同時，單片機硬件結構的學習則應從外到內逐步展開，其外圍引腳可分為電源、時鐘、控制和I/O等四大類，其分類可用于學習其他同類型芯片的引腳。通過引腳的學習，近一步延伸到單片機內部結構，包括：用于存儲數據、指令的程序/數據存儲器；與外圍芯片連接的I/O口；串行通信口；定時/計數器；中斷系統等。需要注意，內部結構和外圍引腳互聯互通，二者之間的學習需要緊密聯系起來。

3.3 強化功能，擴展硬件接口

在“履帶機器人循跡控制”項目開發中，單片機開發板需要提供傳感器接口、舵機接口。此外，為了豐富其功能，還提供了藍牙接口、紅外接口、按鍵接口、手柄接口等。以51單片機為例，其提供了32根I/O引腳線，其中P0口和P2口一般多作為地址線和數據線，P3口為控制線，可用于外圍硬件使用的只有P1口。因此，基于單片機構成的最小應用系統往往不能滿足實際的應用需求，在實際應用中，經常需要擴展單片機硬件接口。

布置硬件接口擴展任務，引導學生對比學習單片機硬件接口的擴展，其中需要擴展的硬件包括程序存儲器ROM、數據存儲器RAM、數/模和模/數（D/A和A/D）轉換、并行接口、鍵盤、LED/LCD顯示器等接口芯片。在外圍芯片擴展時，通過三總線結構實現外圍芯片與單片機芯片的互聯，其中P0口和P2口構成地址總線，P0口復用為數據總線，P3口復用控制線和單片機獨立控制線一起構成控制總線。

3.4 軟件支撐，驅動硬件功能

運行于單片機硬件平臺上的軟件系統，是硬件功能的支撐，提供了系統運行的操作系統以及單片機與外部設備通信的功能。軟件與硬件相輔相成，共同構成完整的單片機應用系統。軟件編程流程包括分析問題明確功能需求、確定算法并繪制程序流程圖、編制源程序、程序調試。在“智能循跡”控制中，需要首先明確檢測以及控制邏輯算法，在此基礎上基于Keil開發工具編寫源程序。

在授課過程中需要重點提醒學生，程序的編寫離不開硬件的支持。硬件平臺變化，程序設計也要做出相應調整。而一段完整的程序由一條條指令組成，指令的執行包括取指令、指令譯碼、取數據執行、存結果。其中，如何存儲、查找數據是指令執行的關鍵，因此，需要重點講解指令和數據的存儲，即尋址方式。同時根據功能需求，指導學生設計順序程序、分支程序、循環程序或子程序。而程序的編寫離不開編程語言的支持，常用的編程語言有匯編語言和C51語言。

3.5 啟發教學，培養創新實踐能力

最后，鑒于學生已完成課程理論學習和初步實踐項目開發，利用“履帶機器人”開發平臺提供的單片機最小應用系統及外圍功能擴展模塊，設置多個綜合能力提升課題。將課堂延伸至課下，其目的在于提高學生的主動學習、團隊合作、創新實踐等能力。

首先，通過網絡提供相關的技術資料，讓學生提前自主學習，鍛煉其資料查閱能力。在課堂上，學生3人一組自由組隊，自行討論設計課題方案。教師需關注每組方案設計的進展與正確性，進行啟發式教學。其次，學生根據方案思路，設計硬件和軟件系統，并進行系統功能調試。最后，學生進行小組答辯和功能展示。在教學過程中，教師應引導學生充分發揮創新性思維，方案設計不拘一格，不限于已學習的知識。學生則利用網絡、課堂、MOOC等多種途徑查詢資料，完成方案設計和功能演示。

本課程通過采用項目驅動教學理念，使得《單片機原理及應用》課程教學內容與項目案例有機結合，課程內容各知識模塊的層次和邏輯更加清晰，變抽象的知識學習為具體的實例教學，進一步加深了學生對理論知識的理解。同時，動態交互式教學模式提高了學生的參與度，激發了學生的學習興趣。從課后調研情況看，學生的實踐能力、創新能力得到了顯著提高，對于知識的掌握和理解也有了明顯提升。