單片機實踐教學改革的研究與應用

張 瑩 陽璞瓊 吳 煒 胡玉蓉

1.南華大學機械工程學院 湖南衡陽 421001

2.南華大學電氣工程學院 湖南衡陽 421001

單片機原理及應用課程是高校計算機、自動化、測控技術及機械等專業的一門必修課程。該課程具有很強的理論性與實踐性，在實際教學過程中，必須將理論教學與實踐教學緊密結合，才能使學生真正掌握單片機的基礎知識并靈活運用于生產實踐。

1 單片機實踐教學的現狀

目前，高等學校單片機實驗室存在的主要問題是教學內容不足和教學手段落后[1]。驗證性實驗成了單片機的主要實驗類型，實驗過程中所用的編程語言為匯編語言。驗證性實驗的定位是學生根據實驗指導書來操作。實驗指導書上有實驗內容、實驗原理、程序流程圖和硬件接線。由于實驗課時有限，教師只能簡單地講授一下實驗的基本思路和操作方法，導致學生在整個實驗過程中具有一定的盲目性。學生也沒有循序漸進地去思考實驗的意義，只是跟著做了一遍，嚴重影響了實驗教學效果。這樣對學生有三方面不利的影響。(1)學生缺乏對硬件的認識，因為實驗箱的構造是模塊化，學生看不到內部真正的結構。(2)學生的動手能力以及綜合應用能力沒有得到提高。(3)學生在校期間學習的單片機知識和社會需求有一定差距。因為現在社會上使用的單片機編程都是C語言，而學生仍然使用匯編語言。

2 單片機實踐教學內容與方法的改革

2.1 項目導向代替知識體系導向

對單片機應用系統進行基本的開發是單片機課程教學的目的。大部分高校單片機課程教學大綱都要求幾十個學時的理論學習和若干學時的實驗，但是教學效果不理想。教師使用傳統的教學方法，在教學中以知識體系為導向。而單片機課程的特殊性在于它與實踐聯系非常緊密，并且包含多門課程的知識，教師和學生都覺得比較難掌握。經過探索與研究，我們對這門課開展項目導向教學法。學生在教師指導下親自操控項目的全過程，在這一過程中學習掌握教學大綱的內容。學生全部或部分獨立組織、安排學習行為，解決項目實施中遇到的困難。提高了學生的興趣，自然能調動學習的積極性。因此，項目導向教學法是一種典型以學生為中心的教學方法，不再把將教師所掌握的知識技能傳遞給學生作為追求的目標，或者說不是簡單地讓學生按照教師的安排和講授去得到一個結果，而是在教師的指導下，學生去尋找得到這個結果的途徑，最終得到結果，并進行展示和自我評價，學習的重點在于學習過程而非學習結果，他們在這個過程中鍛煉了各種能力。教師已經不在教學中占主導地位，而是成為學生學習過程中的引導者、指導者和監督者，學生具有很高的積極性。

在單片機的實踐教學中，以項目需求導入相關知識點，以電子產品設計作為任務，在任務實施過程中掌握課程所需的應用技能和知識點。學生在項目實踐過程中，理解和把握課程所要求的知識和技能，體驗創新的艱辛與樂趣，培養分析問題和解決問題的思維和方法。

2.1.1 項目的選取

將項目導向教學法引入到單片機課程中，關鍵之處是項目的設計。項目設計是否合理將直接影響到教學效果[2]。教師在設計項目時，應緊扣教學大綱并且結合實際應用，以提高學生的能力為目標。教師應從實用性、可行性、綜合性3個方面來考慮。項目應注意理論與實際緊密聯系，選擇學生感興趣的題目，難度也不宜過高。

交通燈、密碼鎖、雙機通訊實驗、搶答器、萬年歷、頻率計、電機控制、電子屏顯示、溫度壓力計等設計都是單片機實驗室必做的項目。這些項目將單片機的理論知識和實際應用聯系起來，難度適中。項目從簡單到復雜、難度從小到大，引起學生的興趣。學生經過對項目的認真學習，能獨立設計小型的測控系統，而且建立了基本的系統綜合概念。

2.1.2 項目的實施

圖1 項目流程圖

在實施單片機項目時，4名學生1個組，根據教師下達的任務書來完成項目。每人的分工不同。1名學生負責設計機械本體、2名負責系統硬件設計、1名負責軟件設計，最后大家一起進行系統的搭建與調試。在項目實施的整個過程中，小組成員能夠齊心協力，互相配合，完成整個項目，最后還要寫出完整的項目設計報告。圖1為項目流程。

2.1.3 項目的評估總結

在項目導向教學法中，項目評估總結是非常重要的環節[3]。項目的評估總結實質是對學生完成的項目進行評價，以完成項目的質量為主，但是在打分時也考慮實施過程和項目的設計報告，并且對有創新點的學生進行加分。首先學生進行自我評估，然后再是教師對整個項目進行評估。教師在評估中要指出學生的問題，先讓學生自己針對問題進行改進。如果學生沒辦法改進，教師再提出解決的辦法。最后，教師和參與項目的各組學生一起進行總結和討論，比較其他組方案和自己組方案的不同之處。學生和教師的能力均會在評估總結中得到提高。

2.2 虛擬實踐與實際硬件實踐相結合

圖2 基于Proteus的密碼鎖設計

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司研發的EDA軟件。Proteus軟件不僅是模擬電路、數字電路、模/數混合電路的設計與仿真平臺，更是目前世界上最先進、最完整的單片機系統設計與仿真平臺。它真正實現了在計算機上完成從原理圖設計、電路分析與仿真、單片機代碼級調試與仿真、系統測試與功能驗證到形成PCB完整的電子設計、研發過程。Proteus軟件支持外圍數電/模電與處理器的協同仿真，真正實現了虛擬物理原型功能，在目標板還沒有投產前，就可以對設計的硬件系統功能、合理性和性能指標進行充分調整，并可以在沒有物理目標板的情況下，進行相應軟件的開發和調試，進行完全的虛擬開發，明顯提高開發效率，降低開發風險。教師在實驗室采用Proteus仿真軟件進行虛擬單片機實驗，優點立即顯現出來，教師不必根據實驗箱來制訂實驗內容。這就大大擴展了項目的范圍，而且利用Proteus軟件，必須自己進行硬件接線。學生必須對硬件非常熟悉，需要自己上網或者去書本中搜索芯片資料，鍛煉了學生查找文獻的能力，同時知識也得到了更新，不局限于書本中所講的有限芯片數。只要有電腦，用Proteus軟件隨時隨地都可以進行仿真。在調試好系統之后，再來進行實際的制版操作，則浪費的芯片數也降到了最低，使實驗室硬件投入得到減小[4]。Proteus軟件在仿真時，可以顯現出單片機引腳的高低，擴展了芯片，則顯現出芯片的地址等，這些優勢是實驗箱無法做到的。圖2是基于Proteus軟件做的密碼鎖設計。

3 結束語

實踐教學在單片機教學中占有十分重要的地位，不斷改革和探索實踐教學的目的是為了提高單片機教學質量。實踐表明：以項目開發過程為切入點，把虛擬與仿真技術引入單片機實踐教學，這種創新實踐教學模式使學生在項目實踐過程中，理解和把握了知識與技能，體驗了創新的艱辛與樂趣，培養了分析問題和解決問題的能力及團隊合作精神。

[1]楊艷,董秀潔,程東旭.關于單片機實驗室教學改革的幾點思考[J].中國教育技術裝備,2010,36(12):134-135.

[2]唐緯.基于“項目驅動”的單片機類課程實踐教學改革[J].實驗室研究與探索,2010,29(5):130-132.

[3]貢雪梅.項目教學法在單片機原理課程設計中的應用[J].實驗技術與管理,2009,26(7):115-116.

[4]劉萌,鄭煊.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的構建[J].山東教育學院學報,2009(6):106-108.