“單片機(jī)原理及接口技術(shù)”課程“項(xiàng)目式”教學(xué)改革

王占光，江亞峰，袁明新

（江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

應(yīng)用型本科院校有別于學(xué)術(shù)型本科院校，前者在推進(jìn)教學(xué)改革過(guò)程中，應(yīng)加大實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)力度，培養(yǎng)具有社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用技術(shù)型人才[1]。“單片機(jī)原理及接口技術(shù)”是機(jī)電、電子以及信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)均把單片機(jī)課程設(shè)為必修課，意在培養(yǎng)出具有工程意識(shí)的應(yīng)用型人才[2]。在教學(xué)工作中，既要注意單片機(jī)的一般原理與方法，又要加強(qiáng)單片機(jī)的具體應(yīng)用。所以在設(shè)計(jì)課程教學(xué)計(jì)劃時(shí)，既要保證基本的理論教學(xué)，也要加強(qiáng)實(shí)踐課時(shí)，使學(xué)生具備良好的硬件搭建和軟件編程能力。項(xiàng)目式教學(xué)法是以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體，由師生共同完成項(xiàng)目，共同總結(jié)進(jìn)步的教學(xué)方法，有利于學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。本文分析了目前單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀和不足，提出了項(xiàng)目式教學(xué)改革思路，舉例說(shuō)明了課程改革實(shí)施過(guò)程，為提高單片機(jī)課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，提供了一種可行的方案。

1 傳統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀和不足

傳統(tǒng)的單片機(jī)課程包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，其中理論課時(shí)占80%，實(shí)驗(yàn)課時(shí)占20%，理論課時(shí)占主導(dǎo)。傳統(tǒng)教學(xué)采用先講解理論，后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式[4]，傳統(tǒng)教學(xué)存在以下不足：

（1）理論教學(xué)抽象難懂

傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)理論內(nèi)容偏多，教材內(nèi)容大多是歸納總結(jié)性知識(shí)點(diǎn)，抽象的概念和原理讓學(xué)生難以理解[5]。學(xué)生學(xué)習(xí)枯燥乏味，參與感差，從而影響學(xué)習(xí)積極性。

（2）理論與實(shí)驗(yàn)相分離

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論課程進(jìn)度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即完成章節(jié)的課程后進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。由于理論課程和實(shí)驗(yàn)課程之間缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，存在理論課結(jié)束后再集中安排實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致理論與實(shí)驗(yàn)相分離[6]。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容死板

實(shí)驗(yàn)部分一般采用硬件實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱模塊的電路已經(jīng)集成好，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也是固定的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏靈活性和開(kāi)放性。學(xué)生按照要求簡(jiǎn)單連接導(dǎo)線即可，缺少調(diào)試設(shè)備的機(jī)會(huì)。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)步驟操作，抄寫(xiě)實(shí)驗(yàn)程序完成實(shí)驗(yàn)，缺少設(shè)計(jì)電路、編程調(diào)試的平臺(tái)，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的要求。

2 教改思路

2.1 引入常用電子元器件知識(shí)

項(xiàng)目式教學(xué)注重過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是師生共同參與的實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程存在不認(rèn)識(shí)電子元器件，不懂得如何使用電子元器件的問(wèn)題，所以引入常用電子元器件的知識(shí)來(lái)解決這一問(wèn)題。從項(xiàng)目所使用到的電子元器件出發(fā)，將教學(xué)過(guò)程分3 個(gè)部分：（1）從電子元器件實(shí)物開(kāi)始，介紹其工作原理和使用方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)使用操作說(shuō)明書(shū)；（2）利用Proteus 軟件練習(xí)元器件的接線和使用；（3）在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)物的焊接實(shí)踐。通過(guò)常用電子元器件知識(shí)的引入，幫助學(xué)生理解電路原理圖，更好地完成實(shí)物的焊接任務(wù)，為電子電路設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2.2 調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

在兼顧傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上，減少單片機(jī)課程理論部分課時(shí)，增加實(shí)踐操作部分課時(shí)，對(duì)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整見(jiàn)表1，分成基礎(chǔ)理論、應(yīng)用任務(wù)和課程設(shè)計(jì)三部分。

表1 教學(xué)計(jì)劃安排

基礎(chǔ)理論部分20 學(xué)時(shí)，完成單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理、編程語(yǔ)言、功能模塊和仿真軟件的理論教學(xué)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐創(chuàng)新打好理論基礎(chǔ)。應(yīng)用任務(wù)部分24 學(xué)時(shí)，通過(guò)4 個(gè)應(yīng)用案例來(lái)講解，案例涵蓋功能模塊知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)電子元器件知識(shí)，利用仿真軟件完成案例的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。課程設(shè)計(jì)部分12 學(xué)時(shí)，由3～4 位同學(xué)組成一組，完成以下工作：（1）整理課程設(shè)計(jì)原理、內(nèi)容和步驟；（2）使用Proteus 軟件設(shè)計(jì)電路原理圖；（3）使用Keil 軟件設(shè)計(jì)程序；（4）進(jìn)行PCB 板焊接和調(diào)試；（5）撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯PPT。單片機(jī)課程改革增加實(shí)踐課時(shí)，引入Proteus 仿真軟件的應(yīng)用，增強(qiáng)課堂的生動(dòng)性，擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件資源的限制，實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)到綜合實(shí)踐的平穩(wěn)過(guò)渡。

2.3 改革課程考核辦法

傳統(tǒng)課程考核由平時(shí)考核（20%）、實(shí)驗(yàn)考核（10%）和期末考試（70%）三部分組成，期末考試成績(jī)占比高，注重結(jié)果性考核，導(dǎo)致學(xué)生不注重課堂的學(xué)習(xí)，不利于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，傳統(tǒng)考核方式不能適應(yīng)應(yīng)用型高校實(shí)際情況。

如表2 所示，為了加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程性考核，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中積極參與、認(rèn)真主動(dòng)的態(tài)度，從基礎(chǔ)理論、基本任務(wù)和課程設(shè)計(jì)3 個(gè)模塊出發(fā)進(jìn)行考核。基礎(chǔ)考核內(nèi)容是理論知識(shí)學(xué)習(xí)的基本要求，是學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的前提條件?；救蝿?wù)培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，具備分析和解決問(wèn)題的能力。課程設(shè)計(jì)從理論到應(yīng)用，再到實(shí)踐的逐步遞進(jìn)的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)創(chuàng)新、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。課程設(shè)計(jì)以最終設(shè)計(jì)實(shí)物為評(píng)分重點(diǎn)，考察電子元器件的應(yīng)用能力。學(xué)生的成績(jī)= 基礎(chǔ)考核成績(jī)×30% + 基本任務(wù)成績(jī)× 30% + 課程設(shè)計(jì)成績(jī)×40%。這種過(guò)程式的考核方式將考核的重心由結(jié)果轉(zhuǎn)到過(guò)程，注重過(guò)程學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生在平時(shí)保持良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)，避免死記硬背突擊考試的學(xué)習(xí)方式。

表2 改革后課程考核辦法

3 課程改革的實(shí)施過(guò)程

以“按鍵計(jì)數(shù)顯示器”作為應(yīng)用案例進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)應(yīng)用案例，分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，從具體的功能要求到軟硬件設(shè)計(jì)分析，將理論與實(shí)踐融合，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為目標(biāo)。

3.1 設(shè)計(jì)原理

按鍵計(jì)數(shù)顯示器系統(tǒng)框架如圖1 所示。以80C51單片機(jī)為核心，包含5 個(gè)分支電路（按鍵電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和ROM 選擇電路）作為輸入，數(shù)碼管的顯示作為輸出。設(shè)計(jì)電路和編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)顯示功能：統(tǒng)計(jì)按鈕BUT 的按下次數(shù)，通過(guò)數(shù)碼管顯示；顯示達(dá)到10 后自動(dòng)清零，無(wú)限循環(huán)。要求學(xué)生完成電路原理圖設(shè)計(jì)和分析、仿真運(yùn)行截圖和實(shí)驗(yàn)總結(jié)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 按鍵計(jì)數(shù)顯示器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3.2 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)以Proteus 和Keil 軟件聯(lián)合仿真為基礎(chǔ)。利用Proteus 軟件布置原理圖，利用Keil 軟件進(jìn)行匯編語(yǔ)言或C 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，編譯生產(chǎn)的hex 文件導(dǎo)入Proteus 軟件中的單片機(jī)芯片，通過(guò)聯(lián)合仿真完成項(xiàng)目的調(diào)試。Keil 軟件仿真狀態(tài)下，可以看到寄存器和程序狀態(tài)字?jǐn)?shù)值，也可以建立Watch 窗口，直觀地看到變量狀態(tài)。Proteus 軟件提供一個(gè)圖形顯示功能，將元器件、線路連接、軟件調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果運(yùn)行過(guò)程形象化，一定程度上替代了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。仿真實(shí)驗(yàn)不受實(shí)際設(shè)備的限制，可以根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以大膽進(jìn)行設(shè)計(jì)和訓(xùn)練，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

Proteus 軟件仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面如圖2 所示，共陰極數(shù)碼管LED1 和LED2、P0 口、P2 口、上拉電阻RP1 以及+5V 組成的輸出電路；按鍵開(kāi)關(guān)BUT、P3.7和接地組成的輸入電路；C1、C2、晶振X1、引腳XTAL1 和XTAL2 與接地組成的時(shí)鐘電路；C3、R1、引腳RST 和+5V 組成的復(fù)位電路；引腳和+5V 組成的片內(nèi)ROM 選擇電路。引腳上不同的顏色代表電平狀態(tài)，紅色代表高電平，藍(lán)色代表低電平，灰色代表輸出不確定，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不具備的。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面

3.3 擴(kuò)展任務(wù)

擴(kuò)展任務(wù)在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成功能的擴(kuò)展，引入新的知識(shí)點(diǎn)，完成新舊知識(shí)的銜接。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中的按鍵是單獨(dú)接在一根I/O 口，構(gòu)成獨(dú)立按鍵，當(dāng)需要多個(gè)按鍵時(shí)可能產(chǎn)生I/O 資源緊張問(wèn)題。因此，引入占用I/O 口較少的行列式鍵盤(pán)方案。

在P2 口外接的4 × 4 行列式鍵盤(pán)，共16 個(gè)按鍵僅占用8 個(gè)I/O 口。行列式鍵盤(pán)的檢測(cè)可以采用軟件掃描查詢(xún)法和中斷方式。由于掃描查詢(xún)法占用CPU時(shí)間，因此采用中斷掃描方式提高CPU 的效率。掃描查詢(xún)程序放在中斷程序中，在由按鍵按下時(shí)觸發(fā)中斷請(qǐng)求，達(dá)到提高效率的目的。受到學(xué)時(shí)限制，把掃描查詢(xún)方法布置給學(xué)生利用課外時(shí)間設(shè)計(jì)和調(diào)試，并完成小組的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 結(jié)語(yǔ)

為了培養(yǎng)應(yīng)用型人才，單片機(jī)課程注重實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)上不斷與時(shí)俱進(jìn)、不斷總結(jié)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合、學(xué)習(xí)與應(yīng)用相結(jié)合的改革目標(biāo)?；凇绊?xiàng)目式”教學(xué)提出改革方案，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，更重視實(shí)踐教學(xué)，將抽象的知識(shí)變?yōu)閷?shí)例教學(xué)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有綜合能力的應(yīng)用型人才。