基于項目驅動的單片機教學與實驗改革實踐

摘 要 針對傳統單片機教學存在的問題，本研究構建了基于項目驅動的單片機實驗教學系統，將工程項目按知識點類別拆分成不同模塊，并通過Proteus仿真作業和實驗項目共同完成，解決了理論教學和實驗教學相脫節的問題。實驗教學中采用實驗項目逐層調用的方式實現工程項目的整體功能，降低了實驗難度，使學生在實驗過程中逐步掌握了解決復雜工程問題的基本方法。實踐結果表明，該教學改革有利于培養學生的設計開發能力和動手能力，提高學生分析問題、解決問題的能力。

關鍵詞 單片機教學；項目驅動；Proteus仿真；項目模塊化

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.31.023

Practice of Project Driven Teaching and Experimental Reform

in Single Chip Microcomputer

ZHANG Xianting， CHEN Qiong， ZHANG Fan

（School of Information Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang， Jiangxi 330063）

Abstract In response to the problems existing in traditional microcontroller teaching， this study constructs a project-based microcontroller experimental teaching system， which divides engineering projects into different modules according to knowledge point categories， and completes them together through Proteus simulation assignments and experimental projects， solving the problem of the disconnect between theoretical teaching and practical teaching. In experimental teaching， the overall function of engineering projects is achieved by calling experimental projects layer by layer， which reduces the difficulty of experiments and gradually enables students to master the basic methods of solving complex engineering problems during the experimental process. The practical results show that this teaching reform is conducive to cultivating students' design and development abilities and practical skills， and improving their ability to analyze and solve problems.

Keywords MCU teaching; project-driven; Proteus simulation; modularity of project

單片機課程實踐性較強，課程目標之一就是使學生能夠根據項目要求，以微處理器為核心完成項目的硬件設計和軟件編程[1-5]。然而，傳統單片機教學存在理論教學和實驗教學相脫節，實驗教學中，驗證性和演示性實驗偏多、實驗間關聯度低等問題[6-8]。這種教學模式下，學生被動開展實驗，所掌握的知識的連貫性和系統性差，不能很好地利用單片機解決復雜的工程實際問題[9-11]。

南昌航空大學從提高學生實踐能力和應用開發能力出發，以具體工程項目為支撐，對實驗項目進行了重新規劃。具體做法是：將工程項目按知識點分解為不同模塊，以模塊為紐帶，通過課后Proteus作業和實驗項目之間的相互配合，解決理論教學和實驗教學相脫節的問題；根據理論教學進度，結合工程項目的設計要求，提煉出以設計型、綜合型為主的實驗項目；實驗項目獨立分層、難度適中，上層實驗調用下層實驗的功能模塊，并在最后一次實驗對前面實驗進行整合，最終完成工程項目。通過這種方式，培養了學生使用現代工具完成軟、硬件設計的能力，增強了學生的學習主動性和完成項目開發的信心，并使其初步具備解決復雜工程問題的能力。

1" 工程項目的選擇

工程項目的設計要求難易適中，所需背景知識較小且能涵蓋課程大部分的知識點。項目以校園內常見的電動車為模擬工程?？傂枨蠓纸馊缦拢孩贉y量電動車的行駛速度，計算行駛里程；②測量電動車的電池電壓；③能設置最大行駛速度、最大行駛里程、最低電池電壓；④電池電壓低時切斷電機供電，超速或超里程時報警。⑤考查速度、里程和電池電壓測量準確度。根據項目的需求，將項目分解為如圖1所示的功能模塊。各模塊的主要功能與涉及的課程知識見表1所示。

2" 項目的實施

為保證工程項目的順利實施，需要理論課和實驗課相互配合、互為補充。理論課以知識結構為主線，參照項目的模塊劃分，以模塊為單位布置課后作業，并在Proteus軟件下仿真完成。實驗項目在本人焊接的PCB板上完成，實驗內容與作業內容大體一致。實驗之前，學生需完成相應的理論課作業，這樣可以參照作業程序，按時完成實驗項目。

2.1" 理論課實施方案

理論課將工程項目分解為幾個知識點模塊并布置對應的課后作業。為配合實驗項目的實施，作業需在Proteus軟件平臺上完成。同時為使學生具備項目開發所需的系統思維和掌握工程項目開發的基本流程，最后一次作業要求學生結合前期提交的作業，按照工程項目要求，提交一份設計報告。設計報告按照設計需求、系統總體、系統硬件方案、系統軟件方案及具體的軟硬件設計等格式撰寫。課后作業題目如表2所示。

2.2" 實驗課實施方案

實驗項目以工程要求為依據，結合理論課進度，由易到難分層設計。設計實驗項目時需考慮項目涉及知識點的獨立性和實驗程序的可調用性。實驗的總體難度逐步增加，但如果調用前面程序，則前后實驗項目難度差異不大。學生只有采用分層的模塊化編程方式，才能按時完成后期的實驗項目，最終實現整個工程項目的設計要求。具體實驗項目如表3（p71）所示。

表3中的I/O使用實驗、中斷與定時器實驗、顯示實驗為三個獨立實驗；鍵盤實驗、ADC采樣實驗調用顯示實驗的函數完成鍵盤輸入值或ADC采樣電壓值的顯示；項目整體實驗是整個課程實驗的核心，其目的是完成整個系統的項目設計要求。通過對項目的模塊化分層，電動車項目整體實驗可以通過簡單的邏輯關系并調用其他實驗提供的函數很容易地完成，調用步驟見圖2（p71）。

課程開始，教師給學生發放原理圖、PCB板和元器件，學生在課后完成焊接。實驗時學生在自己焊接的開發板上調試程序。開發板的原理圖與理論課布置的課后作業類似，方便學生焊接后對開發板進行硬件調試?？紤]到實驗課時與進度，在做I/O口實驗時，如果PCB板尚未焊接完成，可以讓學生在Proteus軟件上演示。當焊接出現質量問題時，學生可重新領取相關材料，為鼓勵學生主動分析和解決問題，當PCB焊接出現問題時，如果不能給出合理的分析，將扣除學生PCB焊接與硬件調試的分數，如果能非常合理地分析原因并提出解決方法，則可以酌情加分。

3" 結語

基于項目驅動的單片機實驗教學，以知識點為紐帶，課后Proteus仿真作業為補充，實現了理論教學與實驗教學的有機銜接。設計實驗方案時將工程項目按知識點類別拆分為多個實驗項目，并在實驗教學時采用自下而上、逐層調用的方式完成上層的實驗，降低了實驗難度，提高了學生學習的興趣和主動性，使學生循序漸進地掌握了解決復雜工程問題的基本方法。這些教學改革措施自2018年在我校信息類專業實施以來，取得了較好的效果，學生的單片機硬件設計和軟件開發能力、軟硬件調試能力、分析和解決問題的能力、動手實踐能力等多個方面的能力都得到了明顯提升。

基金項目：教育部批產學合作協同育人項目“電子設計大賽學生嵌入式系統設計能力的提高與實踐”（201901149010）。

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