單片機原理及應用課程的項目化教學改革與探索

[摘 要] 對傳統單片機課程的傳統教學模式中存在的問題進行了研究，提出了以項目化教學為主導的改革方案并進行實踐。設計了一個水箱水位的單片機控制系統并設置不同的項目任務，從單片機的最小系統開始，通過逐步擴展的方式，將單片機的相關知識點貫穿于各個項目中。由傳統教學模式中的“教材”為中心轉變為以“項目、任務”為中心、以教師“教”為中心轉變為以學生實踐操作為中心，建立以學生為主體、項目任務為主導的教學模式，強調理論知識與實踐操作技能相結合。以項目化為主導的教學模式將“教、學、做”融為一體，突出培養學生的綜合應用能力，提高學生的學習效果。在教學過程中，該方法取得了較好的教學效果，提高了學生的單片機應用能力，具有較好的可行性和實用性。

[關鍵詞] 單片機；教學改革；項目化；教學設計

[中圖分類號] TP368；G642.0 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2015）01-0070-04

0 引言

《單片機原理及應用》是測控技術與儀器專業課程模塊中的核心課程之一，在測控技術與儀器專業中占據著非常重要的地位，為后續相關課程如《智能儀器設計》、《計量測試技術》等課程夯實理論基礎，是一門技術性、工程性和實踐性都很強的課程[1，2]。然而，傳統的單片機教學一般都是以單片機的結構為主線，先介紹單片機的內部結構和引腳功能，然后講述指令系統和匯編語言程序設計，接下來介紹單片機系統的系統擴展和各種外圍接口器件的應用，最后再講通過實例來介紹單片機應用系統的設計過程。在“教師講、學生聽”的教學模式下，使得學生難以理解相關的知識點，從而產生單片機非常難學的感覺。同時，老師教的也很辛苦，導致教學效果不理想。為了適應新形勢下獨立院校應用型人才的培養目標，作為一名專業教師，本人一直致力于對該課程的改革進行探索。

1 單片機課程教學改革的必要性

單片機內部結構較復雜，雖然在講課過程中會通過框圖的方式給學生介紹單片機的內部結構，但學生對于單片機內部的各部件沒有感性的認識，更看不到各部件彼此之間的聯系，只能通過教師的語言描述來實現，因此學生理解起來非常“澀”[3]。而傳統的教學方式采用的是教師在教室內按照教材傳授理論知識，按照先后順序講述內部結構、匯編語言指令、程序設計方法、接口部件和設計實例等內容，教學形式較單一，雖然利用多媒體可以給學生展示一些圖片或相關視頻，但學生在學校過程中難以抓住學習重點，導致部分學生對單片機的學習產生“畏懼”心里，甚至喪失對單片機學習的興趣和熱情，造成教學效果越來越差[4]。

同時，目前的實驗教學方式基本上是“集成實驗箱+實驗指導書”。學生實驗時，按照指導書的示意圖將電路連接好，再將指導書上的實驗程序敲進去，編譯運行，觀察實驗運行的結果。如果編譯運行過程中沒有錯誤，執行結束就代表實驗做完了。而對于實驗過程中涉及到的電路原理、程序結構等基本不清楚，造成學生實驗結束后仍然對所學內容不甚了解，不能掌握單片機的基本使用方法，更無法應用到實際工程中進行相關的設計[5]。

再者，目前各院校對于單片機的考核方式仍以閉卷筆試考核為主，考核內容基本是要求學生記住單片機的相關知識點，而對于如何實現單片機的應用卻很少考核。通過這樣的方式去對學生進行考核，并不能真正反映學生的學習水平以及學生的實際動手能力和對單片機的應用能力，與該課程應與實踐相結合的要求相差甚遠[6]。

鑒于以上原因，對單片機應用技術課程進行教學改革是非常必要的。

2 項目化教學改革的實施

2.1 項目化教學改革的思路

《單片機原理及應用》課程的培養目標是培養具有單片機硬件設計、單片機程序設計、單片機應用系統調試和設計的應用型人才[1]。由于傳統的教學內容和方法不能達到培養目標的要求，更無法考核學生的實際的操作技能，因此需要探索出一種新的教學方法來滿足應用型人才培養目標的發展趨勢。教學過程中采取以應用為主線，把《單片機原理及應用》課程內容分解成各種典型的項目與任務，將教學內容進行整合，建立“做中學、做中教”的教學模式；以自編《80C51單片機項目化教程》為參考教材，利用項目來進行教學設計，采用項目化結構模式，每個項目包含一個或幾個任務；應用Proteus仿真軟件、Keil C軟件對相關項目進行課堂分析講解，給學生配置單片機開發板實物進行項目任務的設計練習。在課堂教學過程中，教師先對項目、任務進行分析，然后對該任務所涉及的單片機知識點進行講解，最后通過子任務讓學生自己動手進行相關的設計與制作。

2.2 項目化教學內容的設計

項目化教學以項目為載體，以任務為驅動，將理論與實踐相結合，使學生在完成任務的過程中掌握知識和技能，從而提高學習效果和實踐能力[7]。因此在教學改革設計過程中，需要選擇合適的項目來保證教學改革的效果。選擇的項目既能覆蓋單片機的相關知識點，又不至于過大增加學生負擔，給學生造成心理壓力，使其產生畏懼心理導致效果不理想。通過與教研室以及實驗室教師的溝通討論，針對我校電力特色和測控技術與儀器專業學生的特點，最終確定以一個水箱水位（模擬電廠鍋爐汽包）控制系統為項目載體[2]。通過控制水泵的運轉實現對水箱水位的控制，可以實現水位的顯示、超限控制、水位的精確控制、水溫測量等操作，利用通信接口實現與上位機通訊進行數據和控制指令的傳輸等內容，并在每個項目中設置一個或多個任務來涵蓋單片機學習的主要知識點。部分項目及所涉及知識點如表1所示。

如在項目2中，筆者設計了開關輸入、LED發光二極管點亮、七段數碼管的靜態顯示與動態顯示等子任務，最后將子任務結合起來實現一個水箱水位的液位顯示；項目7中通過設計單片機間串行通信、單片機與上位機串行通信、LED接收上位機數據顯示、鍵盤輸入送至上位機、A/D數據送至上位機顯示等子任務來講解單片機的串行通信技術知識點；項目8中設計了D/A轉換、PID控制等子任務供學有余力的同學將在自動控制原理等課程中學過的控制策略和方法應用到水位控制中來，真正做到理論與實踐相結合[2]。

在項目化教學內容中，學生通過項目化和任務化的鍛煉，能夠真正了解分析問題、解決問題的思路與過程，從而達到單片機課程培養目標和要求[8]。

單片機項目化教學過程的各個任務主要包括六個方面的內容：任務要求、任務分析、解決方案、任務實施、任務總結、任務拓展等[9]。在項目化教學實施過程中，需要學生明確任務的目標要求，帶著需要解決的問題去思考、學習；通過對任務的要求進行分析，確定解決方案，并將所確定的解決方案直接進行應用，從而可以直接看到任務實現的結果，加強了對所學內容的理解；任務實施結束后，對整個過程進行總結，并將學生在任務實施過程中出現的問題進行剖析；最后在前邊任務實現的基礎上，進行相關的任務功能拓展，加強學生獨立思考、動手的能力。

項目化教學的課堂實施主要采用Keil C和Proteus軟件相結合的方式進行調試演示。Proteus仿真軟件可以直接進行電路原理圖布圖、仿真處理器及其外圍電路等優點，Keil C可以進行斷點運行、單步運行、跟蹤光標處等調試方法，因此通過利用Keil C和Proteus軟件來進行程序調試，可以使學生切身體會到程序運行的過程以及程序運行過程中寄存器、存儲器、程序狀態的變化情況，可直接對比程序分析結果與運行結果，若程序運行結果異常，可分析找出問題所在并對程序進行修改。

3 教學過程的實施

這里以項目2中的一個子任務為例來簡要介紹項目化教學過程的實施，其余項目任務與其基本相同。

項目名稱：水箱水位顯示

子任務1：利用發光二極管顯示水箱水位

【任務要求】

1、采集水箱水位開關的通斷信號；

2、利用發光二極管亮滅對水箱水位開關的通斷進行顯示。

【任務分析】

當水箱內無水時，所有水位開關均處于斷開狀態，發光二極管全滅。隨著水位的上升，當水位升高到相應水位開關位置時，水位開關接通，發光二極管點亮。

【所涉及到的單片機知識】

單片機電平信號的輸入；發光二極管與單片機的接口方式；驅動發光二極管點亮；

需強調指出：單片機在進行電平信號輸入時，需要先給相應并行接口輸出高電平。

【解決方案】

硬件方案：水位開關接通時信號為“0”，斷開時信號為“1”；發光二極管陰極與單片機的P1口相接；

軟件方案：循環讀入水位開關信號，并將該信號送至發光二極管進行顯示。

【任務實施】

1、硬件電路圖通過PPT演示，并給出P1口的結構圖及引腳功能；

2、軟件演示：通過多媒體PPT給出軟件流程圖，如圖1所示；

3、軟件與硬件聯調：利用Protues給出電路連接原理圖，如圖2所示，并通過Kei C對源程序進行編譯、鏈接后聯機調試，讓學生理解程序的執行過程。

4、 仿真環境調試正確后，利用ISP下載線將編譯后的二進制文件下載到單片機，將單片機放到開發板上，連接水箱實物、水位開關、發光二極管進行實際操作。

水箱水位開關及單片機開發板硬件連接調試實驗裝置如圖3所示。

【任務總結】

對本次任務進行總結，再次對單片機的引腳使用、匯編語言指令、流程圖及源程序進行簡要總結，并強調本次任務中相關的重點、難點內容。

【任務拓展】

要求學生在本次任務的基礎上，實現控制水泵的啟停控制、水位上升到最高時自動關斷水泵。

4 項目化教學效果

4.1 教學方法及手段更加靈活

在項目化教學實施過程中，可以很好的將理論與實踐進行結合，使得教學方法更加靈活多樣。教師將每個項目任務的完成都包括在任務要求、任務分析、解決方案、任務實施、任務總結、任務拓展等過程中。因此，在單片機的學習過程中，不再是單純的老師教、學生聽，而是學生在教師的指導下進行問題分析和問題解決的過程中學。通過親自動手將項目任務完成，在學習過程中將理論和實踐有機相結合，從而培養了他們相應的能力。

4.2 教學中的任務導向作用

在教學過程中，對于每個任務的實施都從“任務要求”開始。因此，要求每個學生都需要思考任務應如何解決、采用什么樣的方法等，把學生變為教學活動中的主角。項目化教學具有較好的實時性和可觀察性，在任務實施過程中，學生對自己任務的完成情況有著清楚的認識，同時在任務實施的過程中如果遇到問題，學生之間可以互相討論、交流，也可以提高溝通和協作能力。同時，項目化教學可以極大的調動學生的學習積極性，學生會主動的進行資料的收集以及提出相關問題并展開討論，培養了學生的自我學習和獨立思考的能力。

4.3 教學考核方式體現對能力的考核

項目化教學模式的考核應該是學生對單片機綜合應用能力的考核[10]，側重于對單片機的軟件編程、各硬件模塊使用的考核。因此在每一個任務完成后考核學生的對相關知識點的掌握程度、設計能力、創新意識并作為平時成績。在期末考試中而采用多種形式，如采用開卷考試、設計一個綜合應用等形式，學生可以隨時查閱各種相關資料，主要考察學生發現問題和解決問題的能力，改變過去純粹考核學生對單片機知識點掌握程度的考試方式。

5 結語

針對傳統單片機課程教學中存在的不足，結合本人多年的教學實踐，將項目化教學方法應用到單片機的教學改革中并實施，通過項目化、任務化的方式將單片機的知識點學習融合到了解決問題的過程中，充分調動了學生學習興趣和積極性，培養了學生分析問題和解決問題的綜合能力，增強了學生的對單片機的綜合應用和動手實踐操作能力。與進行教學改革之前相比，教學質量有了明顯好轉，學生的動手能力和創新能力也有了較大提高。

參考文獻

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