單片機課程項目式教學方法研究*

董云橋

（南華大學機械工程學院 湖南衡陽 421001）

引言

單片機課程是機械設計制造及其自動化專業課程體系中一門重要的專業課，主要講授單片機硬件結構及原理、匯編語言及程序設計、中斷與定時、系統擴展、接口技術等知識。通過本門課程的學習，學生應該能夠設計簡單的自動化或智能化系統。以南華大學機械設計制造及其自動化專業為例，本專業學生對單片機課程基礎理論知識掌握程度較高，但是對單片機應用系統設計能力較差，解決復雜機電工程問題的能力不足。通過近幾年單片機課程教學實踐經驗分析，作者認為造成這一現象的主要原因有：首先，機械專業學生對電路知識較為陌生，課程自主學習興趣不高；其次，教師授課過程偏重理論知識教學，對學生實踐能力培養不夠；第三，課時量較少是學生缺乏實踐能力綜合訓練的客觀原因。因此，本文提出了單片機課程項目式教學改革方案，通過對單片機課程教學內容、教學安排、考核評價體系進行改革研究，設計4至6個工程項目案例，全面提高學生的創造能力和綜合實踐能力。

項目式教學不是一種新的教學理念，在很多課程中得到了應用與實踐。邱旋等結合現有機器設備，在工業機器人綜合實訓中實施項目式教學，提高了學生的工程應用能力。來升等在汽車流體傳動與控制課程中加入汽車液壓系統項目案例，提高了學生學習的主動性和實際動手能力[1]。趙桂艷等在傳感器與檢測技術課中提出了基于項目式教學方法的課程教學改革方案，通過優化教學內容、教學模式以及考核方式，激發了學生的學習興趣，提高了學生的創新能力和綜合實踐能力[2]。王振華等在數控機床實訓課程中實施項目式教學，實踐表明學生提高了解決實際工程問題的能力[3]。于穎等在單片機課程中實施項目式教學，并且針對電氣專業的特點，優化了項目式教學內容，提高了學生學習的主動性和實踐能力[4]。

綜上所述，在機械專業單片機課程教學中實施項目式教學在理論上和實踐上是可行的。本文將針對機械專業學生的特點，依據本專業培養方案和培養目標，按照工程教育專業認證的要求，對單片機課程教學方法和教學內容進行改革。通過引入項目教學方法，加強校企合作協同育人，更加注重學生工程能力和創新能力的培養，最終目標是培養出卓越拔尖人才，契合新工科建設需求[5]。

一、課程教學內容體系改革

機械專業單片機課程的主要教學內容包括單片機硬件結構及原理、匯編語言及程序設計、中斷與定時、單片機系統的擴展、接口技術。為了在授課過程理論與實踐并重，便于順利開展項目式教學，對課程教學內容進行了適當的增減。

1.刪減的教學內容

（1）刪除數制及其轉換教學內容。

單片機學習過程中要能夠快速準確地實現二進制、十進制和十六進制之間的相互轉換，因此，數制及其轉換是學生必須掌握的內容。但是學生在高中階段已經學習了數制及其轉換相關內容，在大學計算機課程中也涉及了相關學習內容。因此，數制及其轉換不是本門課程的教學重點，應該予以刪除。上課時，僅需簡單介紹不同數制，具體如何實現不同數制的轉換，由學生在課后自學，并布置相關作業，檢測學生是否已經掌握二進制、十進制和十六進制之間的相互轉換。

（2）刪除尋址方式教學內容。

尋址方式，即如何找到操作數的地址，把操作數提取出來的方法。它是匯編語言程序設計中重要的內容。但是，我們后續學習的重點內容是C51程序設計，使用C語言去解決較為復雜的機電工程問題。因此，尋址方式教學內容應予以刪除，主要介紹匯編語言指令格式和描述操作數的簡記符號。

（3）減少指令系統教學內容。

MCS-51系列單片機總共有111條指令，逐條介紹這些指令會耗費大量的課堂教學時間，并且會降低學生學習的積極性和主動性。因此，應該減少指令系統教學內容。根據指令的功能把這111條指令分為數據傳送與交換、算術運算、邏輯運算及移位和控制轉移四大類，每一類針對較為典型的、常用的指令進行詳細介紹，其他相關的指令簡單介紹，并布置相關課后自主學習任務和練習題。

2.增加的教學內容

（1）增加電路相關知識。

由于機械專業學生對電路知識較為陌生，在講解單片機硬件結構及其電路原理時，學生對電路圖理解不夠，學習有困難。因此，在講解電路圖原理時，應該增加電子電工技術相關知識，讓學生能夠更好地理解單片機結構原理。

（2）增加C51程序設計教學內容

匯編語言屬于低級編程語言，雖然能夠直接對相應硬件進行操作，但是編程時必須具體組織、分配存儲器資源和處理端口數據，這樣編程效率不高，無法適應復雜機電工程問題。而C51語言是基于51系列單片機設計的一種C語言，它是一種高級語言，編程方便，效率高，應用十分廣泛，適合解決復雜機電工程問題。C51語言已成為51系列單片機程序開發的主流軟件方法【6】。因此，為了能夠成功實施項目式教學，培養學生解決實際工程問題的能力，需要增加C51程序設計相關教學內容。此外，本專業學生在大一階段已經學習了C語言，因此，學習C51程序設計并不存在較大困難。

二、工程項目案例設計

工程項目案例是本文重點研究內容，是成功實施項目式教學方法的關鍵。工程項目案例設計時既不能直接照抄以往的實驗項目（問題難度較低），也不能設計出學生在給定時間內無法完成的項目。通過與教研室其他授課老師討論，并且咨詢了湖南威頌電力科技有限公司、廣州粵嵌通信科技股份有限公司等相關企業專家，最終確定了以下5個工程項目案例。

1.計數顯示器設計

該案例的主要目的是使學生熟悉51單片機的基本輸入/輸出應用，熟悉C51程序設計與調試方法，掌握電路原理圖的設計及仿真方法。設計的計數顯示器應該具有以下功能：可統計輸入按鈕的按壓次數，并將按壓結果已十進制數顯示出來，當顯示數值達到99以后可自動從1開始，無限循環下去。最后需要完成計數顯示器實物的制作，并完成相應實驗報告。

2.電子秒表顯示器設計

該案例的主要目的是使學生掌握51單片機中斷與定時器的應用，熟悉C51程序設計與調試方法，掌握電路原理圖的設計及仿真方法。設計的電子秒表顯示器應該具有以下功能：數碼管的初始值顯示為00，當產生1秒的時間，秒計數器加1，秒計數器到60時清0，并從00重新開始，無限循環下去。最后需要完成電子秒表顯示器實物制作，并完成相應實驗報告。

3.數字式熱敏電阻溫度計設計

該案例的主要目的是使學生掌握LED顯示、數據采集與轉換和A/D轉換接口設計的方法，熟悉C51程序設計與調試方法，掌握電路原理圖的設計及仿真方法。設計的數字式熱敏電阻溫度計應該具有以下功能：把熱敏電阻兩端的電壓值經A/D轉換變成數字量，然后通過軟件方法計算得到溫度值，再進行顯示處理，溫度顯示范圍為+10～+150攝氏度。最后需要完成數字式熱敏電阻溫度計實物制作，并完成相應實驗報告。

4.直流數字電壓表設計

該案例的主要目的是使學生掌握LED動態顯示和接口設計的方法，熟悉C51程序設計與調試方法，掌握電路原理圖的設計及仿真方法。設計的直流數字電壓表應該具有以下功能：調解電位器可使其輸出電壓在0～5V之間變化，經過A/D轉換后，數碼管以十進制數形式動態顯示電位器的調節電壓。最后需要完成直流數字電壓表實物制作，并完成相應實驗報告。

5.步進電機控制系統設計

該案例的主要目的是使學生了解步進電機控制的基本原理，掌握單片機與步進電機接口電路設計，熟悉C51程序設計與調試方法，掌握電路原理圖的設計及仿真方法。設計的步進電機控制系統應該具有以下功能：K1開關作為啟動和停止鍵，高電平啟動，低電平停止；K2開關作為方向鍵，高電平正向轉動，低電平反向轉動；能夠對步進電機進行調速；各運行狀態分別用LED燈進行指示。最后需要完成步進電機控制系統程序設計，并能夠實現對應的控制，完成相應實驗報告。

在進行項目式教學時，每個班的學生分成4至5個項目小組，每個小組從上述5個工程項目案例中選取一個工程項目，然后各組成員分工合作，共同完成這一項目。通過項目的方式，讓學生能夠主動參與學習活動，提高他們的學習積極性和綜合實踐能力。

三、教學安排改革

因為對課程教學內容進行了調整，尤其是增加了C51程序設計課堂教學內容和工程項目實踐課程，所以原有的教學課時量無法滿足改革后的教學要求。因此，必須對原來教學安排進行改革，重新分配各教學內容的課時量。單片機課程原來是2.5個學分，包含32個理論課時和8個實驗課時。由于增加了理論課教學內容和實踐課教學內容，因此，需要增加8個理論課時和16個實驗課時。其中增加的8個理論課時主要用于C51程序設計和C51仿真開發環境內容講解，如果理論課教學中有涉及工程項目案例的知識點，也需要重點講解。新增的16個實驗課時全部用于工程項目實踐教學。

四、課程考核評價體系改革

由于采用項目式教學模式，原有考核評價方式不再適用，與合作企業技術人員共同制定一種適合項目式教學的課程考核評價體系。由于每一位學生在項目中所擔任的角色不同，每一個項目組的研究進度有差別。因此，需針對每一個項目設定進度表，建立平時成績標準，同時仔細研究項目任務達成度和豐盈度，建立課程學習效果的總體評價標準。對于同一項目組的不同成員的考核評價，則需研究任務的難易程度，并考慮任務之間的協同性，建立科學的考核評價體系。

基于上述原則，重新制定了單片機課程考核評價體系，各部分考核成績占比如下：期末考試成績占總評成績的50%，課堂表現和作業成績占總評成績的20%，實驗成績包括一般實驗和工程項目實驗，占總評成績的30%。期末考試、課堂表現、作業和一般實驗評分標準與之前一致。工程項目實驗成績評分標準需要重新制定，具體考核內容如下。

1.實驗方案設計

主要考查實驗方案是否合理可行，能否達到項目任務書的要求，整體實驗方案是否符合科學性，是否有完整的系統性。通過對實驗方案進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權重為0.2。

2.創新性

主要考查實驗方案是否具有創新內容，實驗過程中、數據處理和分析過程中是否有創新活動和結論。通過對實驗方案進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權重為0.2。

3.實踐能力及團隊協作能力

主要考查實驗能力和團隊協作能力，是否熟練使用相關儀器設備，團隊協作是否有效運轉。實驗過程中對每組成員進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權重為0.1。

4.問題分析與解決能力

主要考查實驗過程中分析問題并解決問題的能力，當程序不能運行或者運行結果不正確時，是否能夠發現問題，并主動查閱資料解決問題。實驗過程中對每組成員進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權重為0.1。

5.實驗報告

主要考查實驗報告是否規范、完整，能否體現出實驗的綜合性。課程完成后對每組成員的實驗報告進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權重為0.2。

6.現場答辯

主要考查現場答辯是否流利，是否能清晰地闡述實驗的主要內容，是否能正確地回答與實驗有關的問題。對每組成員的答辯進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權重為0.2。

結語

本文針對機械類專業學生學習單片機課程過程中出現的問題，提出了基于項目式教學方法的改革方案。在項目式教學方案中，對單片機課程教學內容進行了改革，增加了電路知識和C51程序設計教學內容，并刪除了部分學生可以通過自學掌握的內容；設計了5個難度適中的工程項目案例；針對增加的教學內容和工程項目實驗，重新分配了課時量；最后對課程考核評價體系進行了改革，制定了針對工程項目實驗的成績評定標準。通過項目式教學方法，能夠提高學生學習的主動性，培養學生的工程實踐能力和創新能力。