基于Proteus的单片机课程项目化教学研究与实践

周强+蒋慧敏+李媛+刘枫

摘 要 单片机课程是电类专业的主干课程。本文介绍了在单片机课程中利用Proteus软件开展项目化教学的经验，着重从项目的确定、实施及最后评价三方面入手展开研究。实践表明：电子类学生对单片机课程学习满意度提高，提高了学生的工程实践能力。

关键词 Proteus 单片机 项目化教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

0引言

2005年11月，《国务院关于大力发展职业教育的决定》要求高水平的培养高素质技能型人才，拉开我国新时期高校教育人才培养模式改革的序幕。2014年6月，《国务院关于加快发展现代职业教育的决定》明确要求引导一批普通本科高等学校向应用技术类型高等学校转型，以就业为目标，整合教育资源，改进教学方式。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家教育事业发展第十二个五年规划》也明确指出地方高校教育改革的重点方向是“加快培养重点领域紧缺人才，优化学科，办出特色，服务地方”，高等教育转型对于部分地方高校来说已是办学的大势所趋。近年来，随着科技的不断发展和进步，诸如“物联网技术”“工业4.0”等名称不断涌现，企业对高素质的电子类专业人才越加渴望。他们往往希望毕业生在很短的时间内能够胜任工作岗位的要求甚至是直接参与企业的项目开发，因此高校的人才培养模式也应该适应时代的发展趋势。

1“单片机课程”开展项目化教学的意义

项目化教学法是“行为导向”教学法的一种，往往由“内容”“活动”“情景”“结果”四大要素组成。项目化教学在国内外的教育中被广泛采用，教师根据课程特点认知规律制定任务以项目的形式交给学生，学生可以工作小组的方式，分工合作，共同完成整个项目。其实质是与企业需求相结合的，是针对具体岗位的。在不断的教学实践中“基于工作过程”和“行动导向”的教学思想在职业教育的理论和应用中逐渐清晰，用一种指向工作世界的“能力”来代替传统的能力理念。在项目化的教学中，教师扮演着引导和把控全局的角色，学生在项目实践的过程中，逐步会养成团队合作精神、培养分析问题和解决问题的能力，同时也会激发学生的潜能和创造力。

“单片机原理与应用”作为工科院校电类专业的重要专业必修课，是一门硬件电路和软件编译有机结合，具有很强应用性的课程，可以较全面、较系统地锤炼学生的专业素质。但该课程对于初学者来说相对抽象，传统的教学方式只是为了加深单片机基本原理及接口电路等，验证性的实验课让学生在学习的过程中不够深入，这与企业的要求相差甚大。近年来，单片机技术飞速向前发展，集成度越来越高，种类十分纷杂，学校在教学的过程中仪器、设备等方面总体偏落后，迫切需要在教学的过程中引入仿真软件等现代教育技术。目前单片机仿真技术的软件主要采用Proteus，它是英国Lab Center Electronics公司出版著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台结合的较为出色，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。对于单片机初学者，仿真软件是一个可以加快认知周期、提高学习效率的工具。

2项目化教学的实践

2.1项目的确定

确定项目是“项目化教学”的基石。单片机课程主要包括单片机硬件结构、指令系统、编程调试方法及其接口应用等，项目选取要以单片机课程必须要掌握的知识点为主线，站在初学者的角度上分层次逐渐递进，精心设计和安排项目内容，选择的教学项目如图1所示。项目构架可以包括基本部分、发挥部分和强化训练部分等三个层次。项目的基本部分要容易实现，那样可以增强学生学习的積极性和信心；而项目的发挥部分要以锻炼学生的创新思维、创造力和成就感为目的，从而激发学生深入学习的动力。

与此同时，强化训练需要教师要积极调研相关企业，邀请企业专家进行研讨，分析岗位需求，制定学习目标并开展拓展技能的强化训练，可以深入理解理论知识，学会单片机开发的实践知识。项目教学辅助资源的构建是实施教学的重要平台，项目化教学需要提供给学生大量的相关文献，需要学生在自学的过程中发现问题，然后解决问题。传统教学模式下的教学资源较为单一落后，仅仅是教材或者是参考书等，这远远不能满足开展项目化教学的要求。因此，需要整合文字教学资源（教材、学习指导书及参考书等），参考各知名单片机开发网站资源（尤其是国内外知名院校的视频课），利用软件教学资源（Keil、Proteus以及Protel 软件）和硬件教学资源（实验箱、仿真器、单片机开发板等），构建丰富的课程资源库。充分运用现代教育技术和手段，使学生能够按照自己的需要，方便地实现不同教学资源的切换，为开展项目化教学提供资源保证。教师先明确本次项目的目标和要求，并先学生一步实施并完成项目。那样既能保证教师能全面了解本项目，最终的成果展示又能给学生直观的感知，让学生明确项目最终的目标。

2.2项目的实施

下面以“PWM调光”为例说明项目教学的实施过程。要求学生利用Proteus仿真软件，搭建规范的系统原理图；编写程序使电路正常运行；完成PCB的设计；撰写设计报告。

2.2.1项目的要求

PWM脉宽调制是利用微处理器AT89C51的数字输出，来对模拟电路进行控制的一种有效手段。通过调整单片机I/O口输出波形的占空比，来模拟不同电压下，LED灯的发光情况。

a.基本部分：系统上电时，单片机某一I/O口输出低电平，同时数码管显示“00”。endprint

PWM信号在示波器上显示的频率为2KHz。

b.提高部分：按键S1可控制该I/O口输出的矩形波占空比，每按下一次，输出波形占空比增加5%，由数码管显示占空比数值（省略百分号），当占空比增加到100%时，蜂鸣器报警，若此时再按下S1， 该I/O口持续输出高电平。按键S2每按下一次时，输出波形占空比减少5%。数码管显示当前占空比数值，当输出波形占空比减小到0时，若再按下S2键，该I/O口持续输出低电平。

c.创新发挥部分：长按按键实现连续加或者减等功能。

2.2.2项目实施的步骤

a.设计系统硬件框图和电路原理图。所谓硬件框体，是指实现该项目的所有功能所需的硬件电路模块，它是电路原理图的单元电路。学生根据已有知识，通过查阅文献等相关方式完成电路原理图的绘制，完成单元电路的设计和关键参数的计算，列出元器件清单，由教师最后确认。这一步骤是项目化教学的第一步，也是重要的一个环节。通过原理图的设计，既能够检验学生对模电、数电、单片机技术及常用电子元器件的熟悉程度，又可以让学生更加懂得注重对基础知识学习，为他们将来走向工作岗位打下坚实的基础。

b.绘制程序流程图及软件编写。程序流程图是程序的骨架，是程序分析中最基本、最重要的分析技术，它是进行程序流程分析过程中最基本的工具。因此在软件编写之前，要求学生运用Word、Visio等软件绘制程序流程，向教师阐述自己的编程思路，得到认可后才可以进入软件编写的环节。在软件设计，教师引导学生学会模块化设计的概念，即根据项目中软件承担的任务，结合硬件资源，掌握硬件中各I/O通道与外界的联系、定时器、中断等工作状态。可将任务分解成诸如键盘扫描、数码管显示、延时函数、A/D、D/A、外部中断、定时器及串口通信等几个相对较为独立的子任务，然后分配给项目组成员完成。

c.系统调试。把各成员的完成的子任务组合起来联调，在调试的过程中，一来学生对示波器、信号源、逻辑分析仪等常用的电子仪器更加熟悉，二来学会通过观察、比对、分析、讨论增强他们的团队合作意识。当某小组出现大偏差或者久久不能解决问题的时候，教师不直接给出答案，而是引导学生朝某一方向继续研究，自始自终让学生处在主体地位。那样反复的训练，一定会增加学生的耐心、自信心和创造力。

2.2.3完善评价体系

评价体系是评估总结是“项目化教学”的最后一环，也是重要的环节。学生要先进行自我评估，以小组为单位，每个学生分别介绍项目实施过程中的具体任务、方法、遇到的问题及解决方案，使大家可以看到别人的解决方案中汲取营养。教师要总结学生遇到的各种各样问题，讲解自己遇到类似问题时的解决方法。最后，教师要总结比较各个小组的特点，引导他们是否可以继续深入研究，鼓励学生永无止境的科研精神。

在整个评估过程中，每一个项目都要有完善的评分标准。按百分制，评价分为四个方面：功能实现（基本副本20分，提高部分25分，创新10分）、現场汇报及问答（15分）、撰写项目报告（20分）及综合表现（10分）。

3结束语

在单片机课程中开展基于仿真软件的项目化教学，有效地提高电子类专业学生工程实践能力，有效地推动了高校教学改革和向应用型高校转型的发展。近年来，该门课程的学生满意度都较高，提高了学生的自信心。同时，在国家级、省级各项学科竞赛诸如全国大学电子设计竞赛、全国“恩智浦”杯智能汽车竞赛中成绩逐年提升，学生在项目研究中能够独当一面，获得省、市级项目的项目数也节节攀升。

参考文献

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[2] 贡雪梅.项目化教学法在单片机原理课程设计中的应用[J].实验技术与管理，2009，7（26）：115-116.

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[4] 袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007，26（12）：75-78.

[5] 李芳，李家庆.基于Proteus+Keil的单片机实验仿真平台[J].中国技术教备，2009，157（04）：67-69.endprint