单片机原理及应用课程的项目化教学改革与探索

[摘 要] 对传统单片机课程的传统教学模式中存在的问题进行了研究，提出了以项目化教学为主导的改革方案并进行实践。设计了一个水箱水位的单片机控制系统并设置不同的项目任务，从单片机的最小系统开始，通过逐步扩展的方式，将单片机的相关知识点贯穿于各个项目中。由传统教学模式中的“教材”为中心转变为以“项目、任务”为中心、以教师“教”为中心转变为以学生实践操作为中心，建立以学生为主体、项目任务为主导的教学模式，强调理论知识与实践操作技能相结合。以项目化为主导的教学模式将“教、学、做”融为一体，突出培养学生的综合应用能力，提高学生的学习效果。在教学过程中，该方法取得了较好的教学效果，提高了学生的单片机应用能力，具有较好的可行性和实用性。

[关键词] 单片机；教学改革；项目化；教学设计

[中图分类号] TP368；G642.0 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2015）01-0070-04

0 引言

《单片机原理及应用》是测控技术与仪器专业课程模块中的核心课程之一，在测控技术与仪器专业中占据着非常重要的地位，为后续相关课程如《智能仪器设计》、《计量测试技术》等课程夯实理论基础，是一门技术性、工程性和实践性都很强的课程[1，2]。然而，传统的单片机教学一般都是以单片机的结构为主线，先介绍单片机的内部结构和引脚功能，然后讲述指令系统和汇编语言程序设计，接下来介绍单片机系统的系统扩展和各种外围接口器件的应用，最后再讲通过实例来介绍单片机应用系统的设计过程。在“教师讲、学生听”的教学模式下，使得学生难以理解相关的知识点，从而产生单片机非常难学的感觉。同时，老师教的也很辛苦，导致教学效果不理想。为了适应新形势下独立院校应用型人才的培养目标，作为一名专业教师，本人一直致力于对该课程的改革进行探索。

1 单片机课程教学改革的必要性

单片机内部结构较复杂，虽然在讲课过程中会通过框图的方式给学生介绍单片机的内部结构，但学生对于单片机内部的各部件没有感性的认识，更看不到各部件彼此之间的联系，只能通过教师的语言描述来实现，因此学生理解起来非常“涩”[3]。而传统的教学方式采用的是教师在教室内按照教材传授理论知识，按照先后顺序讲述内部结构、汇编语言指令、程序设计方法、接口部件和设计实例等内容，教学形式较单一，虽然利用多媒体可以给学生展示一些图片或相关视频，但学生在学校过程中难以抓住学习重点，导致部分学生对单片机的学习产生“畏惧”心里，甚至丧失对单片机学习的兴趣和热情，造成教学效果越来越差[4]。

同时，目前的实验教学方式基本上是“集成实验箱+实验指导书”。学生实验时，按照指导书的示意图将电路连接好，再将指导书上的实验程序敲进去，编译运行，观察实验运行的结果。如果编译运行过程中没有错误，执行结束就代表实验做完了。而对于实验过程中涉及到的电路原理、程序结构等基本不清楚，造成学生实验结束后仍然对所学内容不甚了解，不能掌握单片机的基本使用方法，更无法应用到实际工程中进行相关的设计[5]。

再者，目前各院校对于单片机的考核方式仍以闭卷笔试考核为主，考核内容基本是要求学生记住单片机的相关知识点，而对于如何实现单片机的应用却很少考核。通过这样的方式去对学生进行考核，并不能真正反映学生的学习水平以及学生的实际动手能力和对单片机的应用能力，与该课程应与实践相结合的要求相差甚远[6]。

鉴于以上原因，对单片机应用技术课程进行教学改革是非常必要的。

2 项目化教学改革的实施

2.1 项目化教学改革的思路

《单片机原理及应用》课程的培养目标是培养具有单片机硬件设计、单片机程序设计、单片机应用系统调试和设计的应用型人才[1]。由于传统的教学内容和方法不能达到培养目标的要求，更无法考核学生的实际的操作技能，因此需要探索出一种新的教学方法来满足应用型人才培养目标的发展趋势。教学过程中采取以应用为主线，把《单片机原理及应用》课程内容分解成各种典型的项目与任务，将教学内容进行整合，建立“做中学、做中教”的教学模式；以自编《80C51单片机项目化教程》为参考教材，利用项目来进行教学设计，采用项目化结构模式，每个项目包含一个或几个任务；应用Proteus仿真软件、Keil C软件对相关项目进行课堂分析讲解，给学生配置单片机开发板实物进行项目任务的设计练习。在课堂教学过程中，教师先对项目、任务进行分析，然后对该任务所涉及的单片机知识点进行讲解，最后通过子任务让学生自己动手进行相关的设计与制作。

2.2 项目化教学内容的设计

项目化教学以项目为载体，以任务为驱动，将理论与实践相结合，使学生在完成任务的过程中掌握知识和技能，从而提高学习效果和实践能力[7]。因此在教学改革设计过程中，需要选择合适的项目来保证教学改革的效果。选择的项目既能覆盖单片机的相关知识点，又不至于过大增加学生负担，给学生造成心理压力，使其产生畏惧心理导致效果不理想。通过与教研室以及实验室教师的沟通讨论，针对我校电力特色和测控技术与仪器专业学生的特点，最终确定以一个水箱水位（模拟电厂锅炉汽包）控制系统为项目载体[2]。通过控制水泵的运转实现对水箱水位的控制，可以实现水位的显示、超限控制、水位的精确控制、水温测量等操作，利用通信接口实现与上位机通讯进行数据和控制指令的传输等内容，并在每个项目中设置一个或多个任务来涵盖单片机学习的主要知识点。部分项目及所涉及知识点如表1所示。

如在项目2中，笔者设计了开关输入、LED发光二极管点亮、七段数码管的静态显示与动态显示等子任务，最后将子任务结合起来实现一个水箱水位的液位显示；项目7中通过设计单片机间串行通信、单片机与上位机串行通信、LED接收上位机数据显示、键盘输入送至上位机、A/D数据送至上位机显示等子任务来讲解单片机的串行通信技术知识点；项目8中设计了D/A转换、PID控制等子任务供学有余力的同学将在自动控制原理等课程中学过的控制策略和方法应用到水位控制中来，真正做到理论与实践相结合[2]。

在项目化教学内容中，学生通过项目化和任务化的锻炼，能够真正了解分析问题、解决问题的思路与过程，从而达到单片机课程培养目标和要求[8]。

单片机项目化教学过程的各个任务主要包括六个方面的内容：任务要求、任务分析、解决方案、任务实施、任务总结、任务拓展等[9]。在项目化教学实施过程中，需要学生明确任务的目标要求，带着需要解决的问题去思考、学习；通过对任务的要求进行分析，确定解决方案，并将所确定的解决方案直接进行应用，从而可以直接看到任务实现的结果，加强了对所学内容的理解；任务实施结束后，对整个过程进行总结，并将学生在任务实施过程中出现的问题进行剖析；最后在前边任务实现的基础上，进行相关的任务功能拓展，加强学生独立思考、动手的能力。

项目化教学的课堂实施主要采用Keil C和Proteus软件相结合的方式进行调试演示。Proteus仿真软件可以直接进行电路原理图布图、仿真处理器及其外围电路等优点，Keil C可以进行断点运行、单步运行、跟踪光标处等调试方法，因此通过利用Keil C和Proteus软件来进行程序调试，可以使学生切身体会到程序运行的过程以及程序运行过程中寄存器、存储器、程序状态的变化情况，可直接对比程序分析结果与运行结果，若程序运行结果异常，可分析找出问题所在并对程序进行修改。

3 教学过程的实施

这里以项目2中的一个子任务为例来简要介绍项目化教学过程的实施，其余项目任务与其基本相同。

项目名称：水箱水位显示

子任务1：利用发光二极管显示水箱水位

【任务要求】

1、采集水箱水位开关的通断信号；

2、利用发光二极管亮灭对水箱水位开关的通断进行显示。

【任务分析】

当水箱内无水时，所有水位开关均处于断开状态，发光二极管全灭。随着水位的上升，当水位升高到相应水位开关位置时，水位开关接通，发光二极管点亮。

【所涉及到的单片机知识】

单片机电平信号的输入；发光二极管与单片机的接口方式；驱动发光二极管点亮；

需强调指出：单片机在进行电平信号输入时，需要先给相应并行接口输出高电平。

【解决方案】

硬件方案：水位开关接通时信号为“0”，断开时信号为“1”；发光二极管阴极与单片机的P1口相接；

软件方案：循环读入水位开关信号，并将该信号送至发光二极管进行显示。

【任务实施】

1、硬件电路图通过PPT演示，并给出P1口的结构图及引脚功能；

2、软件演示：通过多媒体PPT给出软件流程图，如图1所示；

3、软件与硬件联调：利用Protues给出电路连接原理图，如图2所示，并通过Kei C对源程序进行编译、链接后联机调试，让学生理解程序的执行过程。

4、 仿真环境调试正确后，利用ISP下载线将编译后的二进制文件下载到单片机，将单片机放到开发板上，连接水箱实物、水位开关、发光二极管进行实际操作。

水箱水位开关及单片机开发板硬件连接调试实验装置如图3所示。

【任务总结】

对本次任务进行总结，再次对单片机的引脚使用、汇编语言指令、流程图及源程序进行简要总结，并强调本次任务中相关的重点、难点内容。

【任务拓展】

要求学生在本次任务的基础上，实现控制水泵的启停控制、水位上升到最高时自动关断水泵。

4 项目化教学效果

4.1 教学方法及手段更加灵活

在项目化教学实施过程中，可以很好的将理论与实践进行结合，使得教学方法更加灵活多样。教师将每个项目任务的完成都包括在任务要求、任务分析、解决方案、任务实施、任务总结、任务拓展等过程中。因此，在单片机的学习过程中，不再是单纯的老师教、学生听，而是学生在教师的指导下进行问题分析和问题解决的过程中学。通过亲自动手将项目任务完成，在学习过程中将理论和实践有机相结合，从而培养了他们相应的能力。

4.2 教学中的任务导向作用

在教学过程中，对于每个任务的实施都从“任务要求”开始。因此，要求每个学生都需要思考任务应如何解决、采用什么样的方法等，把学生变为教学活动中的主角。项目化教学具有较好的实时性和可观察性，在任务实施过程中，学生对自己任务的完成情况有着清楚的认识，同时在任务实施的过程中如果遇到问题，学生之间可以互相讨论、交流，也可以提高沟通和协作能力。同时，项目化教学可以极大的调动学生的学习积极性，学生会主动的进行资料的收集以及提出相关问题并展开讨论，培养了学生的自我学习和独立思考的能力。

4.3 教学考核方式体现对能力的考核

项目化教学模式的考核应该是学生对单片机综合应用能力的考核[10]，侧重于对单片机的软件编程、各硬件模块使用的考核。因此在每一个任务完成后考核学生的对相关知识点的掌握程度、设计能力、创新意识并作为平时成绩。在期末考试中而采用多种形式，如采用开卷考试、设计一个综合应用等形式，学生可以随时查阅各种相关资料，主要考察学生发现问题和解决问题的能力，改变过去纯粹考核学生对单片机知识点掌握程度的考试方式。

5 结语

针对传统单片机课程教学中存在的不足，结合本人多年的教学实践，将项目化教学方法应用到单片机的教学改革中并实施，通过项目化、任务化的方式将单片机的知识点学习融合到了解决问题的过程中，充分调动了学生学习兴趣和积极性，培养了学生分析问题和解决问题的综合能力，增强了学生的对单片机的综合应用和动手实践操作能力。与进行教学改革之前相比，教学质量有了明显好转，学生的动手能力和创新能力也有了较大提高。

参考文献

[1]杨志帮，杨樾.《单片机应用技术》在机电一体化专业项目化教学中的改革与探索[J].科学咨询：科技管理，2011，（10）：129-131.

[2]李冰.单片机课程的项目化教学改革与实践[J].实验室科学，2014，17（1）：101-103.

[3]闫欢.技工院校中的单片机教学革新[J].职业，2011，3：23-23.

[4]陆旭明，缪建华.项目化课程教学改革探索[J].江苏技术师范学院学报.2010，16（3）：79-84.

[5]师海雄.高职高专化工原理课程项目化教学探讨[J].中国教育技术装备.2011，26：98-100.

[6]申安来.以项目为导向的单片机课程教学改革[J].科技信息，2012，（29）：246-254.

[7]陈继永，李金喜.单片机技术项目化教学改革初探[J].南通纺织职业技术学院学报（综合版），2010，10（3）：103-105.

[8]沈敏，唐志凌，唐春玲.单片机课程教学的探索与实践[J].科技信息.2012，5：261-262.

[9]姚存治.项目教学法在《单片机原理与应用技术》课程教学改革中的应用[J].郑州铁路职业技术学院学报，2010，22（2）：59-63.

[10]冯毅，何建民.基于项目的单片机教学改革探索[J].黄山学院学报，2011，13（3）：111-114.