基于项目式高校单片机课程改革与实践

孙媛 陈丽梅

摘  要： 针对传统单片机课程教学中存在的弊端，提出了项目式教学方法。探讨了在项目设计过程中项目的选择、项目的情境设计、项目在教学过程中的实施等问题。以燃气控制器为项目案例，介绍了如何将项目教学方法融入到单片机的硬件和软件教学中。以项目为主线，逐层完成整个项目的开发，直观地展示项目式教学方法在单片机教学中的优越性。该教学方法能充分调动学生学习的积极性，激发其创新意识，帮助学生毕业之后更快地适应相关工作。

关键词： 单片机课程; 项目式教学; 控制器; 创新意识

中图分类号：G642          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2014）12-53-02

Reform and practice of SCM course in colleges based on project

Sun Yuan， Chen Limei

（Beijing Wuzi University， Beijing 101149， China）

Abstract： According to the disadvantages in the traditional SCM （single-chip microcomputer） courses， the project teaching method is proposed. The selection of project， the design of project and the implementation of project in the process of teaching are discussed.Take the gas controller as a project case， how to imbed the project teaching method into the teachingof the SCM hardware and software is introduced. With project as the main line， the entire project is gradually developed. It shows the superiority of project teaching method in SCM teaching. It can arouse students' interest and enthusiasm， stimulate their creativity， imagination and help them quickly adapt to the related work after graduation.

Key words： SCM course; project teaching method; controller; creativity

0 引言

单片机课程是我校信息学院计算机技术与物联网工程的专业基础课。在传统的授课模式中，教师一般都会采用“以讲为主，实验为辅”的方式，授课重点强调对原理性知识的理解和掌握，讲解过程中涉及很多抽象的理论知识，一般先将单片机的各个环节如总线、并行接口、中断、堆栈、地址、数据类型和语法等分开讲解，各部分无论讲得多么细致，学生还是很难建立起一个基于单片机测控器件的整体概念，这样就把本来是一个合理的有机体变得支离破碎，学生普遍感到难学，导致课程变成了“天书”，学生逐渐失去了学习的信心和兴趣。引入项目式教学方法可以大大改善单片机教学中“学”与“教”的关系，提高学生的学习兴趣，为学生在学习和就业方面架起桥梁，增加毕业生就业机会。

1 项目式教学方法

项目式教学是师生通过共同实施一个完整的“项目”工作而进行的教学活动。在职业教育中，项目是指以生产一件具体的、具有实际应用价值的产品为目的的任务。在整个教学过程中体现了学生的主体作用，使课堂教学的质量和效益得到更大幅度的提高。通过项目教学法学习的学生，他们的动手能力、解决实际问题的能力及创新能力将有很大的提高[1]。打破传统的教学模式，将教学资源整合，引进“产品导向、项目递进”式的项目教学，从成熟的生产或生活中基于单片机项目案例入手，让学生首先看到结果是单片机能够做什么，“原来单片机可以完成这么多功能”，很多学生在惊讶的同时会提出很多问题，自己想掌控单片机，如果自己学会了，那么也可以设计很多智能器件，这时老师可以将这些测控器项目一层一层打开，由浅入深，由深入浅，由整体到部分，由部分到整体，将单片机主要的内容环环相扣讲给学生，学生可以在总体和细节上掌握单片机，而不是以前只见树木不见森林的讲解方法。项目式教学法使学生有独立进行计划工作的机会，在一定的时间范围内可以自行组织、安排自己的学习行为，使学生变被动灌输为启发求知。项目式教学不仅是已有知识、技能的应用，而且还要求学生运用新学习的知识、技能，解决过去从未遇到过的实际问题[2]。

2 项目式教学案例分析

2.1 如何进行项目总体规划

本文以基于单片机天燃气采集和泄露报警器为案例来介绍项目的总体规划。天燃气控制器除了用于常规的显示等功能之外，还需要能够实现天燃气的采集、存储、调整、显示、上传和接收数据等，以及燃气泄露报警等功能，如图1所示。

[单片机][显示][键盘][通信接口][天燃气采集][天燃气泄露][存储扩展]

图1  燃气控制器功能图

煤气控制器外观中主要分四个模块：①信号输入功能;②显示功能;③存储功能;④通信功能等。学生首先看到的是一个用于实际天燃器采集和泄露报警的产品，从这个产品的功能出发，对单片机系统案例进行剖析、总体讲解。单片机应用系统的开发是以单片机为核心，配合一定的外部电路及程序，从而实现特定测量及控制功能的应用系统。单片机的任务是指，以单片机为核心，构建硬件部分和软件部分组成，配以一定的外围电路和软件，实现某几种功能，完成相应的任务。硬件是系统的基础，软件则是硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的任务。单片机的设计应包括硬件设计和软件设计两大部分。

2.2 项目中硬件部分的讲解方法

项目设计中硬件设计分两部分。①单片机扩展部分设计：包括存储器扩展和接口扩展。本控制器对存储器进行扩展EEPROM，还有通信端口的扩展。从这个实际的扩展中讲解单片机为什么扩展，如何扩展;再引申到存储器的扩展，指EPROM、EEPROM和RAM的扩展。其接口扩展是8255、8155、8279以及其他功能器件的扩展。②各功能模块的设计：燃气控制器有输入模块、显示模块、通信模块、存储模块。在硬件上如何扩展这些模块，如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通信功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等外围设备。

在硬件设计时，注重总体方案，并需进行详细的技术论证。硬件电路的总体设计比较重要的是硬件电路原理图。在硬件系统中，电路的各部分都是紧密相关、互相协调，任何一部分电路的设计如果考虑的不充分，都会给整体方案带来难以预料的影响，所以设计者应在总体方案设计时反复论证、比较，寻求最合理的总体方案。在硬件设计过程中要用到Protel等印制板辅助设计软件，在Protel软件中首先画连接原理图，然后再用Protel将原理图转换为印制板图即PCB图，检查无误后，交给印制板生产厂家，印制板生产调试好后，将元器件焊接到印制板上就完成了硬件系统的设计，具体部骤如下：

⑴ 绘电路图。教学中要求学生利用最少的知识完成电路图的绘制;

⑵ 生成网络表，检查错误;

⑶ 规划电路板并手工布局;

⑷ 自动布线，并输出各层图纸。

学生完成这四个任务后，基本了解了硬件设计中设计电路板的全过程。尽管每个任务看上去都很简单，但过程是完整的，学生完成这个项目，就已完全掌握了设计过程，尽管项目完成得还不是很完美。如果课时不够充分，对于电路板的制作过程可以放到实践周中集中讲解效果会更好，但在通常的单片机课程讲解中，整个硬件的设计应该讲解清楚，还要通过这个控制器的案例将硬件布局优化和调试讲给学生，由一个单片机控制器硬件的设计引申出同一类的硬件设计[3]。

2.3 项目中软件部分的讲解方法

一个单片机能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件。其实单片机并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。燃气控制器中的程序根据硬件的特点，采用模块化的编写方法，将程序的功能分成几大模块，例如初始化模块、燃气泄露报警模块、读表模块、写入24C16模块、键盘模块、通信模块等。在每个功能模块的基础上再细分几个子模块，在程序的编写上采用分层的方法处理，由于单片机有主程序较短的特点，主要的处理工作分层展开，通过子程序的调用一层一层地实现程序的功能，逐步细化、求精，使程序清晰、可读性强、可重用性强、便于调试扩展。通过燃气控制器软件部分的讲解将程序设计方法和思想渗透到各个程序的编写中。硬件设计之后，软件的任务是合理有效地驱动这些硬件，让硬件充分有效地分发挥其功能。在软件的设计中通过软件可以更好地理解硬件是如何使用和工作的。

MCS-51单片机的程序设计通常分为下面三个步骤。

⑴ 制作程序流程图

对所提出的算法找出最合理、最简便的解决方法并作出程序流程图，程序流程图用以表示人们利用一定的算法解决问题的思路。流程图有粗略和详细两种，粗略的流程图可以给出解题的大致步骤，而详细的流程图则给出每一步骤的细节。对一些大的问题，应先给出粗略的流程图以得出总体概念，然后作详细的流程图对每一步骤作具体的描述。

⑵ 资源分配

根据算法的要求合理地分配系统资源，如存储器分配、输入输出接口的分配等。在MCS-51系统中，程序和数据存储器分别编址，而存储器又分为内部和外部存储器，又有位寻址的存储器，因此资源分配得合理，将会给编制程序带来方便，不然可能会增加麻烦，甚至使程序产生错误。

⑶ 源程序编制及调试

源程序编制就是将流程图表达的算法用程序实现，MCS-51系统的程序可用编辑器编辑，在集成的调试环境中读入，也可直接在集成的调试环境中输入，集成调试环境包括了程序的调试工具，如单步、断点、全速运行程序，还能实现寄存器检查、存储器内容检查等功能。

通过总体论证之后，将燃气控制器的程序让学生花一段时间略读，使学生可以大致了解一个成熟的单片机控制器程序的整体模块框架。接下来，教师引导学生从总体上掌握程序的主框架，包括在此框架下如何扩展更多功能。总框架了解之后，再精讲各个模块，对典型的有代表的模块仔细讲解。类似的程序让学生自己消化，可以让学生采用查阅资料、研讨、和教师讨论等形式完成。这时教师将单片机中存储器分配、定时计数系统、通信系统、看门狗、中断系统、外围扩展等与程序处理相结合，让学生充分了解单片机的各模块是如何有条不紊地工作的，以及如何扩展功能等。

在整个软件的讲解中将单片机汇编语言或者C语言融入到各个环节中，使计算机语言更生动、更有生命力，学生学习语言时关注点在其应用而不侧重语法，语言用得多了自然就熟能生巧了[4]。

3 结束语

采用单片机课程项目式教学方法能够克服以往知识点散乱，单片机的各个环节不能有机结合的缺点，力求做到围绕单片机系统项目开发而展开教学，使学生通过典型案例的学习了解同一类项目的开发过程从而能够学会应用单片机解决实际问题[5]。我校开展与企业“一来二去”合作模式，“一来”即把企业家引进学校来， “二去”即老师去企业学习，学生去企业锻炼。通过此合作模式，在加强校企合作的同时，为学生的实践、实习和创新能力培养搭建了良好的平台。有了这样的校企合作平台，可以将企业中的成型项目带到教学中来进行研究和讲解消化，再到企业中创新地应用到新的项目中去。此合作模式可以提高学生的学习兴趣，希望可以为同类型的课程探索提供参考。

参考文献：

[1] 蒋国金.项目式教学中教师如何扮演好各种角色[J].职业教育，

2011.10：140-141

[2] 韩党群，杨勇.项目式教学人才培养模式[J].西安航空技术高等专科

学校学报，2011.9（5）：90-91

[3] 孙媛，刘丙午编著.单片机技术及应用[M].机械出版社，2009.

[4] 秦学礼，杨儒亮等.高职计算机应用专业课程体系建设与探索[J].计

算机时代，2009.5：68-70

[5] 王霞.高校教育创新的探索与思考[J].中国成人教育，2013.3：17-19