基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革實(shí)踐

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)存在的問(wèn)題，本研究構(gòu)建了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將工程項(xiàng)目按知識(shí)點(diǎn)類別拆分成不同模塊，并通過(guò)Proteus仿真作業(yè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共同完成，解決了理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相脫節(jié)的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目逐層調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的整體功能，降低了實(shí)驗(yàn)難度，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐步掌握了解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本方法。實(shí)踐結(jié)果表明，該教學(xué)改革有利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)能力和動(dòng)手能力，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)教學(xué)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；Proteus仿真；項(xiàng)目模塊化

中圖分類號(hào)：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)課程實(shí)踐性較強(qiáng)，課程目標(biāo)之一就是使學(xué)生能夠根據(jù)項(xiàng)目要求，以微處理器為核心完成項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程[1-5]。然而，傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)存在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)偏多、實(shí)驗(yàn)間關(guān)聯(lián)度低等問(wèn)題[6-8]。這種教學(xué)模式下，學(xué)生被動(dòng)開展實(shí)驗(yàn)，所掌握的知識(shí)的連貫性和系統(tǒng)性差，不能很好地利用單片機(jī)解決復(fù)雜的工程實(shí)際問(wèn)題[9-11]。

南昌航空大學(xué)從提高學(xué)生實(shí)踐能力和應(yīng)用開發(fā)能力出發(fā)，以具體工程項(xiàng)目為支撐，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了重新規(guī)劃。具體做法是：將工程項(xiàng)目按知識(shí)點(diǎn)分解為不同模塊，以模塊為紐帶，通過(guò)課后Proteus作業(yè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的相互配合，解決理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相脫節(jié)的問(wèn)題；根據(jù)理論教學(xué)進(jìn)度，結(jié)合工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，提煉出以設(shè)計(jì)型、綜合型為主的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獨(dú)立分層、難度適中，上層實(shí)驗(yàn)調(diào)用下層實(shí)驗(yàn)的功能模塊，并在最后一次實(shí)驗(yàn)對(duì)前面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，最終完成工程項(xiàng)目。通過(guò)這種方式，培養(yǎng)了學(xué)生使用現(xiàn)代工具完成軟、硬件設(shè)計(jì)的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和完成項(xiàng)目開發(fā)的信心，并使其初步具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1" 工程項(xiàng)目的選擇

工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求難易適中，所需背景知識(shí)較小且能涵蓋課程大部分的知識(shí)點(diǎn)。項(xiàng)目以校園內(nèi)常見的電動(dòng)車為模擬工程。總需求分解如下：①測(cè)量電動(dòng)車的行駛速度，計(jì)算行駛里程；②測(cè)量電動(dòng)車的電池電壓；③能設(shè)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(shí)切斷電機(jī)供電，超速或超里程時(shí)報(bào)警。⑤考查速度、里程和電池電壓測(cè)量準(zhǔn)確度。根據(jù)項(xiàng)目的需求，將項(xiàng)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(shí)見表1所示。

2" 項(xiàng)目的實(shí)施

為保證工程項(xiàng)目的順利實(shí)施，需要理論課和實(shí)驗(yàn)課相互配合、互為補(bǔ)充。理論課以知識(shí)結(jié)構(gòu)為主線，參照項(xiàng)目的模塊劃分，以模塊為單位布置課后作業(yè)，并在Proteus軟件下仿真完成。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在本人焊接的PCB板上完成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與作業(yè)內(nèi)容大體一致。實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生需完成相應(yīng)的理論課作業(yè)，這樣可以參照作業(yè)程序，按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1" 理論課實(shí)施方案

理論課將工程項(xiàng)目分解為幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)模塊并布置對(duì)應(yīng)的課后作業(yè)。為配合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，作業(yè)需在Proteus軟件平臺(tái)上完成。同時(shí)為使學(xué)生具備項(xiàng)目開發(fā)所需的系統(tǒng)思維和掌握工程項(xiàng)目開發(fā)的基本流程，最后一次作業(yè)要求學(xué)生結(jié)合前期提交的作業(yè)，按照工程項(xiàng)目要求，提交一份設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告按照設(shè)計(jì)需求、系統(tǒng)總體、系統(tǒng)硬件方案、系統(tǒng)軟件方案及具體的軟硬件設(shè)計(jì)等格式撰寫。課后作業(yè)題目如表2所示。

2.2" 實(shí)驗(yàn)課實(shí)施方案

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以工程要求為依據(jù)，結(jié)合理論課進(jìn)度，由易到難分層設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)需考慮項(xiàng)目涉及知識(shí)點(diǎn)的獨(dú)立性和實(shí)驗(yàn)程序的可調(diào)用性。實(shí)驗(yàn)的總體難度逐步增加，但如果調(diào)用前面程序，則前后實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難度差異不大。學(xué)生只有采用分層的模塊化編程方式，才能按時(shí)完成后期的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表3（p71）所示。

表3中的I/O使用實(shí)驗(yàn)、中斷與定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、顯示實(shí)驗(yàn)為三個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)；鍵盤實(shí)驗(yàn)、ADC采樣實(shí)驗(yàn)調(diào)用顯示實(shí)驗(yàn)的函數(shù)完成鍵盤輸入值或ADC采樣電壓值的顯示；項(xiàng)目整體實(shí)驗(yàn)是整個(gè)課程實(shí)驗(yàn)的核心，其目的是完成整個(gè)系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的模塊化分層，電動(dòng)車項(xiàng)目整體實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系并調(diào)用其他實(shí)驗(yàn)提供的函數(shù)很容易地完成，調(diào)用步驟見圖2（p71）。

課程開始，教師給學(xué)生發(fā)放原理圖、PCB板和元器件，學(xué)生在課后完成焊接。實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生在自己焊接的開發(fā)板上調(diào)試程序。開發(fā)板的原理圖與理論課布置的課后作業(yè)類似，方便學(xué)生焊接后對(duì)開發(fā)板進(jìn)行硬件調(diào)試。考慮到實(shí)驗(yàn)課時(shí)與進(jìn)度，在做I/O口實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果PCB板尚未焊接完成，可以讓學(xué)生在Proteus軟件上演示。當(dāng)焊接出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，學(xué)生可重新領(lǐng)取相關(guān)材料，為鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)分析和解決問(wèn)題，當(dāng)PCB焊接出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，如果不能給出合理的分析，將扣除學(xué)生PCB焊接與硬件調(diào)試的分?jǐn)?shù)，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(jié)語(yǔ)

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以知識(shí)點(diǎn)為紐帶，課后Proteus仿真作業(yè)為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)銜接。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)將工程項(xiàng)目按知識(shí)點(diǎn)類別拆分為多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)采用自下而上、逐層調(diào)用的方式完成上層的實(shí)驗(yàn)，降低了實(shí)驗(yàn)難度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，使學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握了解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本方法。這些教學(xué)改革措施自2018年在我校信息類專業(yè)實(shí)施以來(lái)，取得了較好的效果，學(xué)生的單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)能力、軟硬件調(diào)試能力、分析和解決問(wèn)題的能力、動(dòng)手實(shí)踐能力等多個(gè)方面的能力都得到了明顯提升。

基金項(xiàng)目：教育部批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“電子設(shè)計(jì)大賽學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的提高與實(shí)踐”（201901149010）。

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