基于模塊化和項目化的單片機實驗教學改革

韓慧敏+梁妍+施金妹

摘要：本文提出了將模塊化與項目化實驗教學模式相結合，形成一種創新型、實用型的單片機實驗教學改革模式的思路，以期將理論學習、實踐應用、產品制作有機地合為一體。

關鍵詞：模塊化；項目化；單片機

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）06-0087-04

● 引言

單片機是目前各類智能產品中經常選用的微處理器之一，也是現在電子類高校技能競賽中常運用的技術之一。因此，單片機課程是電子技術、計算機、電氣、自動化、機電一體化、信息工程等專業的主干專業課程，并且是一門實踐性、應用性很強的課程，這也說明了單片機課程的實驗教學尤其重要。

傳統的單片機實驗教學主要是采用高度集成的實驗箱進行實驗教學，但實驗箱價格昂貴、操作繁瑣、結構復雜，所以這種方式不僅實驗成本高，而且學生的實驗效果也不理想。因為實驗的電路都是已經制作好的現成品，學生在做實驗時只需機械地按照圖紙在實驗板上連接幾根導線，然后錄入程序，最后觀察實驗結果即可，整個過程耗時僅需10～25分鐘。[1]這樣的實驗只屬于驗證性實驗。

由于控制電路和實驗電路集成在一起，所以學生很難了解所做實驗的實際工作電路，對電路的原理根本無法獲知，這樣的實驗教學方式很難鍛煉學生的實際應用能力，由此可見，實驗設備的高度集成化已經漸漸不適應現代化單片機實驗教學的要求。隨著單片機技術的不斷更新和廣泛應用，單片機實驗教學系統采用模塊化設計，價格低，普及性高，能培養學生的動手能力和創新能力；同時，采用項目化的實驗教學模式，能夠以工作過程為導向，培養學生的工程意識和解決實際問題的能力。[2]

● 單片機模塊化實驗教學設計

改革單片機實驗教學模式，是指不再采用傳統的實驗箱設備，而是采用一種學生自主、自行制作，開放式、模塊化的實驗板來進行單片機實驗教學。

該實驗板主要由基礎模塊和擴展模塊兩部分組成。其設計思路是基礎模塊為系統核心模塊，擴展模塊為系統子模塊。基礎模塊（核心模塊）搭架上任何一個擴展模塊（子模塊）可完成一個特定的子功能，形成一個產品。所有的擴展模塊（子模塊）還可以按照某種方式多個組合在一起，再搭架上基礎模塊（核心模塊）形成一個更大的系統和有更多復雜功能的產品。擴展模塊（子模塊）是可組合、分解和更換的單元，但基礎模塊（核心模塊）是必不可少的單元。具體的框架圖如下頁圖1所示。

該實驗板的優點是價格低（根據配置擴展模塊不同，價格在十幾元到幾百元不等），而且省去了中間通過編程器或開發板來燒錄程序的環節，采用ISP直接下載，十分方便。此模塊化實驗板可以完全由學生自己焊接、制作，體積較小，攜帶方便，學生可以人手一套，滿足在線仿真調試、開發設計單片機系統以及制作小產品的需要。此外，它還可以為以后的課程設計、電子設計競賽、機器人競賽、技能大賽等活動提供技術準備。[3]

1.基礎功能模塊設計

基礎模塊為單片機最小系統，也可稱為CPU控制模塊，主要由單片機芯片、復位電路、晶振電路和電源電路組成。它是做任何一個單片機實驗或產品必不可少的部分，也是系統的核心部分，如圖2所示。

為了方便后續搭架基礎模塊與擴展模塊，可以將單片機的32個I/O（P0-P3口）全部引出，將單片機的引腳與2.54mm間距的單排排針焊接在一起，通過排針將引腳引出。然后通過杜邦線，把基礎模塊排針與擴展模塊排針相連接，實現搭架組合。

2.擴展功能模塊設計

擴展模塊主要包括流水燈模塊，數碼管顯示模塊，點陣顯示模塊，LCD顯示模塊，蜂鳴器模塊，鍵盤模塊，紅外收發模塊，傳感器模塊，A/D、D/A模塊，電機控制模塊，時鐘模塊和E2PROM模塊。這些擴展模塊不僅可以使學生基本掌握單片機的輸入、顯示、控制、數據采集和轉換、儲存等相關技能，還可以使學生在熟悉和掌握以上擴展模塊的電路原理、制作和編程的基礎上，根據自身需求自行設計和制作新的擴展功能模塊，學習到更多的知識，掌握單片機更多的運用技能。

通過“基礎模塊+擴展模塊”可以制作和實現的功能如下：

廣告牌的設計與制作：單片機最小系統（基礎模塊）+點陣顯示模塊（擴展模塊）。

功能：通過編程實現單片機控制點陣模塊顯示相應的漢字、圖形、數字等廣告信息。

搶答器的設計與制作：單片機最小系統（基礎模塊）+鍵盤模塊（擴展模塊）+流水燈（擴展模塊）。

功能：通過編程實現當有按鍵按下時（有人搶答時），將信號反饋給單片機，然后單片機做出相應的反應動作，如小燈點亮，說明搶答成功，并顯示搶答成功相對應的位置。

智能溫度測控系統的設計與制作：單片機最小系統（基礎模塊）+傳感器模塊（擴展模塊）+數碼管顯示模塊（擴展模塊）+流水燈（擴展模塊）+蜂鳴器（擴展模塊）。

功能：通過編程實現當溫度傳感器模塊采集到溫度后，將溫度信號發送給單片機，單片機接收到信號后，由數碼管顯示模塊顯示出當前溫度。若溫度超過了預先設定的最高溫度值，流水燈模塊亮起，表示啟動降溫控制操作；若溫度低于預先設定的最低溫度值，蜂鳴器模塊響起，表示啟動升溫控制操作。

● 單片機項目化實驗教學設計

面對高職教育培養高級技能型、應用型人才的目標，理論與實驗相分離的教學模式已不再適應當前職業教育發展的需要。針對競爭日益激烈的就業市場和企業對人才的需求，筆者提倡一種以工作為導向的新教學模式，其本質是讓學生在學習中感受到實際工作環境，教師充當需求者或管理者，給學生（工作者）下達任務或訂單，學生從接到任務到制作產品整個過程都全程參與。[4]

這樣的模式也稱為項目化教學模式，即學生和教師一起實施一個工作任務或項目而進行的教學活動，它能實現學生“學中做，做中學”[5]，實現課程設置職業化、理論實踐教學一體化、技能訓練崗位化、素質訓練企業化[6]，提高學生的工程意識和解決實際問題的能力。

對于單片機這門實踐性、應用性要求都很強，且易制作產品的課程，采用項目化教學模式，能夠讓學生通過教師下達的實際工作任務，學會Protel99se等仿真軟件的理論知識，然后通過實踐實現電路板繪制、系統仿真、電路板印制、焊接、調試等，掌握一套完整的單片機硬件電路設計和制作過程，同時學習匯編語言或C語言編程的理論知識，通過實踐實現對單片機程序編輯、調試、燒錄等，掌握一套完整的單片機軟件設計過程，最終做到將理論學習、實踐應用、產品制作有機地合為一體。

單片機項目化實驗教學的思路和實施步驟具體如下：

第一步，提出任務，選擇方案。

掌握技能：能提出至少3種以上方案，通過對比、論證選出最優方案；能利用網絡、圖書館等查閱資料和分析資料。

第二步，硬件電路設計。

掌握技能：能利用protel99se或其他繪制電路板仿真軟件，繪制出對應的電路原理圖、PCB封裝圖。

第三步，電子元器件采購計劃。

掌握技能：能識別、篩選電子元器件；能統籌和規劃采購計劃，制作采購清單，實施采購任務，進行成本統計；能檢測電子元器件的性能指標。

第四步，制作電路板（手工焊接）。

掌握技能：能將之前繪制的PCB封裝圖，通過刻版機雕刻法或化學藥劑腐蝕法制作出PCB電路板；能將電子元器件焊接到PCB電路板上；能檢測PCB電路板和電子元器件。

第五步，軟件設計。

掌握技能：①設計程序。能分析任務或項目需求、設計程序算法以及畫程序流程圖。②開發程序。能使用Keil編程軟件、錄入程序和編譯程序。③調試程序。能調試程序，查找錯誤，修正錯誤；能生成可下載到單片機的.hex文件。④燒錄程序。根據不同的下載工具，能采用不同的燒錄方式；能使用燒錄程序的軟件，了解燒錄程序的步驟，實現將.hex文件燒錄到單片機。可以利用基礎模塊（單片機最小系統）實現燒錄程序。

第六步，上交產品及編寫項目報告。

這包括PCB電路原理圖、封裝圖，采購耗材清單，手工焊接電路板及軟件程序清單。

掌握技能：能制作產品使用說明書；歸納、總結產品制作全流程的步驟；利用單片機的知識和技能，分析和解決一定的工程實際問題。

在項目化教學中，教師根據實際工作需求的項目，給學生下發任務。學生自行組隊，通過網絡、圖書館等資源多方面搜集資料，小組討論，師生互動，討論方案的可行性，這樣能留給學生發揮的空間，激發他們的創造性思維。對于確定后的方案，學生開始展開硬件電路、軟件程序的設計與制作。在這個過程中，教師只需要針對項目進展和實施，在適當的時候引導學生進行相關理論知識的鏈接，做到理論與實踐相結合。每個小組獨立完成項目后，上交產品和項目報告，并進行集體點評。

● 結論

實踐證明，采用模塊化的單片機實驗教學，能夠提高學生識別電路結構的能力，從而提高他們的動手能力和創新設計能力。并且模塊化電路板較為靈活、普及性高，各個模塊都相對獨立，在出現故障時易于檢測。由于價格較低，學生能夠人手一套，自行設計各類擴展功能模塊。采用項目化的單片機實驗教學，能夠培養學生的工程意識和解決實際問題的能力。在項目化教學過程中，教師通過角色扮演，給學生下達工作任務，這樣能激發學生的學習興趣和積極性，開拓學生的思維，從而提高教學效率。同時，項目的實施和完成能將理論和實踐融為一體，讓學生學以致用。將模塊化與項目化教學模式相結合，是一種創新型的單片機實驗教學改革模式，它能通過設計和制作模塊化的單片機實驗板，實現項目化教學過程。

參考文獻：

[1]殷士勇.Keil和Proteus在單片機實驗教學中的應用[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2009（6）：567-570.

[2]劉升.模塊化單片機課程實驗教學系統[J].淮北煤炭師范學院學報：自然科學版，2010（2）：40-43.

[3]張宏偉，閻有運，王新.單片機實踐教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2009（4）：206-208.

[4]韓慧敏，陳亮，柏乃琳.電子類專業實踐教學改革的探索[J].科技視界，2014（5）：54.

[5]沈培鋒.《單片機原理與應用》項目化教學改革案例淺談[J].中國科技信息，2012 （18）：137.

[6]孫鳳芹.單片機課程教學改革探析[J].科協論壇：下半月，2012（9）：177-178.

作者簡介：韓慧敏（1987—），女，漢族，海南人，博士在讀，講師，研究方向為電子信息、計算機輔助設計與制造、3D打印技術。