基于卓越工程師背景的單片機課程教學改革*

◆陳瑞祥 周根榮 姜平

作者：陳瑞祥，南通大學電氣工程學院講師，研究方向為單片機、嵌入式系統的設計與開發；周根榮、姜平，南通大學電氣工程學院（226019）。

“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）是一種以工程素質和創新能力培養為核心的人才培養模式[1]。“卓越計劃”明確提出對工程類專業學生需要重視工程教育的實際訓練，由過去客觀存在的理論教學為主實踐為輔轉變為基礎理論與工程實踐能力并重。在“卓越計劃”指導下，高校的課程體系、教學思路、教學方法都需要做出很大改進。

單片機原理及應用課程是電氣信息類專業中非常重要的一門專業課。但目前國內多數高校這門課程的教學內容和教學方法都比較傳統，無法滿足卓越工程師人才培養目標的需要。筆者根據多年的單片機教學經驗，分析單片機課程教學現狀，提出自己的改革方法。

1 單片機課程的現狀

單片機原理及應用作為工科院校相關專業重要的專業必修課，是集電子技術、計算機技術等多門技術于一身，具有很強工程背景的一門課程。學生首次接觸該課程，由于缺乏工程經驗，感覺比較抽象，一時難以入門，從而對單片機失去學習興趣，甚至失去信心。造成這種局面主要在于傳統的教學方法存在不足。

傳統的單片機教學分為理論教學和實驗教學兩部分。課堂理論教學普遍按照絕大多數教材所安排的順序來安排教學內容。從單片機內部結構、引腳、指令系統、匯編語言程序設計、功能模塊、存儲器擴展、鍵盤與顯示、I/O 接口擴展、A/D 和D/A 接口擴展，到最后的單片機應用舉例，順序講解相關的概念、知識與應用方法。尤其是前半部分，枯燥乏味，學生和實際根本聯系不起來，導致興趣缺失，直至失去學習單片機的信心。

實驗教學又分為課內實驗和課程設計兩部分，但這兩部分實驗大都是以現有的實驗箱為平臺來完成的。由于實驗條件的限制，教師能安排的實驗和學生可以自主發揮的實驗都非常有限，大大限制了學生的自由發揮，缺乏主動性，更不要提創新性。

2 單片機教學改革

教學方式的改革，以項目教學為主線，充分利用多種現代教學手段，加強理論教學和實驗教學的融合，充分調動學生的學習興趣、主動性和創造性。

項目教學法項目教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在課堂教學中把理論教學與實踐教學有機地結合起來[2]。從項目出發，首先讓學生觀察項目實現的最終結果或現象，從而激發學生探究新知識的興趣。接著提出項目的具體要求，明確項目的最終目標，引導學生組織已學知識及相關的新知識去分析項目的每一個要求、提出項目設計方案。在這個過程中，教師插入講解新的知識，之后通過師生合作、不斷探求和討論來實現項目目標。最后對項目進行小結，幫助學生掌握和提高。

項目教學法讓學生變被動接受為主動探究，從學生的角度出發，利用有意思的項目調動其學習的積極性、主動性，開拓學生的思維、發揮學生的潛能。理論知識和實踐能力訓練相輔相成，在實踐過程中學習理論，既體現了教師的主導作用，又發揮了學生的主體地位，更體現了現代教育的教學模式與特征[3]。

項目教學法實施的關鍵是教學項目的選取。根據單片機課程大綱的要求，選取符合課程要求的項目，選擇的項目要有實際意義，日常生活中有應用體現，學生不覺得枯燥，學習有興趣和動力。如果所選項目有延續性，項目之間有層次，有遞進關系，或是一個大項目的幾個子項目，那效果將會更好。安排教學項目要簡單容易，便于課堂實施，能自然引出新的相關知識點，使單片機教學環環相扣，最終系統地講授單片機的知識體系。學生也能從中學到單片機開發過程中的每個環節，體會單片機的應用方式方法，感受單片機應用的樂趣。

現代教學手段的使用由于教學經費的限制，不可能把每一個教學項目都讓學生制成PCB 硬件電路板來完成每一個項目。因此，可以充分利用現代教學手段來模擬實施每一個項目。

Keil 和Proteus 是兩款優秀的單片機仿真調式軟件，在教育經費有限的情況下，可以彌補傳統教學方法存在的不足，大大增強課堂教學效果[4]。Keil 可以用來軟件仿真，而Proteus 可以用來硬件仿真。值得慶幸的是，這兩款軟件不僅可以單獨使用，還可以聯合仿真。只要安裝一個聯合仿真的插件，通過相關的設置就完成完美的軟硬件仿真。具體的設置步驟如下。

1）下載和復制文件。在網上下載VDM51.dll 文件，并分別復制到Proteus 的安裝目錄下和Keil 安裝目錄下的C51BIN 目錄中。

2）修改Keil 的初始化配置文件。打開TOOLS.INI 文件，在[C51]欄目下加入“TDRV5=BINVDM51.DLL(Proteus VSM Monitor-51 Driver)”，TDRV后面的數字根據實際情況而定。

3）Keil 的設置。①選擇硬件仿真，并使用Proteus VSM Monitor-51 Driver。此設置可在“Project 菜單/Options for Target”選項中找到。②進入setting 設置通信接口，如果在同一臺電腦上，IP 設為127.0.0.1，端口為8000。如果把IP 地址改成其他電腦的IP，可實現Keil 與另一臺電腦上的Proteus 進行遠程聯合仿真。

4）Proteus的設置。在Proteus的DEBUG菜單中選擇“use remote debugger monitor”即可。

通過以上設置，就可以實現這兩個軟件的聯合仿真。可以在Keil 中通過“單步”、設“斷點”等各種調試手動，在Proteus 中觀察每一步程序執行的結構，和調試硬件電路板一樣。

除了這兩個主要軟件之外，還可以把其他常用的調試軟件介紹給學生，比如“串口調試助手”，采用虛擬串口的形式，和Proteus 相連，來調試學習Uart 串口，可以得到形象直觀的效果，降低學生理解的難度。

此外，在教學過程中還可以充分利用PPT、視頻、網絡軟件在線答疑等多種現代教學手段為學生的學習服務。

工程實際訓練然而，在單片機的實際教學中，不能用虛擬的實驗環境來替代實際硬件電路。仿真軟件是在理想條件下進行工作的，在實際應用中還會遇到很多新的問題，僅靠仿真軟件而完全拋棄具有實際工程背景的硬件電路設計與調試訓練是不可取的。只有將仿真結果應用于具體電路系統，才能真正提升學生的軟硬件綜合開發能力[5]。

因此，保留傳統的課內實驗和課程設計，并在此基礎上加強學生的硬件訓練。南通大學用的單片機學習板如圖1所示，學生從原理圖的設計到PCB 制版、焊接調試全程參與，熟悉和掌握整個單片機開發流程。基于此學習板，學生可以完成I/O、鍵盤與顯示、A/D、D/A 等多個實驗。幾乎把每個教學項目都囊括進去，還增加了一些綜合項目，使學生的單片機能力得到進一步的提高和升華。

3 總結

單片機原理及應用課程是電氣信息類專業培養卓越工程師的一門非常重要的專業課。筆者在教學工作中，以實施卓越工程師教育培養計劃為契機，積極將項目教學方法和多種現代教學手段有機地結合起來，對單片機課程進行教學改革與實踐，取得顯著的教學效果，為卓越工程師的培養奠定堅實的基礎。

[1]于立君,田凱,王輝.自動化專業卓越工程師人才培養模式探索:以HEU 為例分析[J].黑龍江教育學院學報,2013,32(3):22-23.

[2]葉愛芬.項目式教學在單片機教學中的應用[J].科技信息,2010(16):102,105.

[3]楊波,肖杰.項目驅動模式在《單片機》課程教學中的應用[J].湖南第一師范學院學報,2012,12(4):63-66．

[4]李紹平,彭志平.仿真實例教學法在單片機理論教學中的應用[J].中國現代教育裝備,2012(3):67-69.

[5]喬建華,李臨生,田啟川.Proteus 在單片機教學中的應用分析[J].電氣電子教學學報,2008,30(3):70-73．