基于项目导向的单片机实践教学设计的实践与思考

江苏 张红霞

基于项目导向的单片机实践教学设计的实践与思考

江苏 张红霞

单片机近年来是使用最简单、应用最普遍的嵌入式智能芯片，被广泛用于仪器仪表、自动控制、通信和家用电器等领域。目前各类高职院校都开设了该课程。本文针对目前高职教育中单片机实践教学的特点及存在的问题，提出了基于项目导向的教学方法，提倡将仿真技术用于单片机课程实训中，激发学生的学习兴趣，培养学生的动手能力，提高教学质量。

项目导向；单片机；实践教学；Proteus；Keil

引言

随着计算机及其相关技术的发展，单片机在工业控制中的机电一体化系统、电气自动化控制系统、嵌入式系统以及智能仪表、家用电器等方面的应用不断深入，对高职学生单片机技术及应用能力的要求越来越高，单片机技术也成为机电一体化、电子技术应用、电气自动化等专业的重要课程。该课程涉及数字电路、模拟电路、计算机语言等多方面知识。单片机不像传统电子线路那样直观，它是一门软硬件相结合的技术。学生既要懂单片机的硬件结构，又要懂软件编程，必须具备这两方面的准备知识，才能很好的理解单片机的工作过程。通过学习，不仅使学生掌握单片机技术的基本理论、开发设计的基本方法，而且要全面培养学生分析系统、设计系统的能力，培养学生对单片机、嵌入式系统再学习的能力，为本专业后续有关知识和课程的学习打下良好的基础。

一、课程的特点及传统教学存在的问题

该课程是一门理论性与实践性相结合的课程。通过课程的教学和实践，既要使学生初步掌握有关单片机、嵌入式的基本概念，理解单片机的硬件结构及接口技术，对单片机系统的组成、原理、应用及开发设计过程从整体上有一个清晰的认识；还要使学生掌握单片机仿真开发系统的应用，掌握单片机应用系统软、硬件的调试开发方法；了解简单的单片机C语言程序的结构特点和编译过程，熟练使用仿真软件进行系统的设计与仿真。但目前教学中还存在以下几个问题：

（一）理论性与实践性结合不够紧密

传统的单片机理论教学，均是按照教材的内容以单片机的结构为主线，按单片机的内部结构、指令系统、软件编程、单片机的中断系统、各种外围设备接口电路的顺序来讲授，最后再对应用系统做简单介绍。这样的教学模式，侧重了课程本身的理论逻辑体系，但对于理论基础和理解能力较差的高职学生来讲感觉抽象，难以理解，更谈不上应用。现有的教材或偏重于理论教学，或仅侧重于实践能力培养而忽略系统的基本知识的掌握，缺乏符合理实一体、学做合一的系统的课程教学资源。

（二）实验环节不注重能力培养

目前很多院校在做单片机实验时，往往采用高度集成的实验箱，不仅学校在资金投入上花费很大，而且学生实验中的效果也不太理想。因为现有的实验箱硬件电路固定，实验内容难改动，学生做实验时只需连接几根导线，然后输入相关程序，最后等待观看实验结果。实验基本以验证性的实验为主，设计性、综合性、启发性的实验较少，各个实验之间几乎没有什么联系，学生只是片面地掌握某一方面知识，不能将整体内容贯穿起来，实验项目已经越来越无法满足教学和实际需求。

（三）考核机制无法全面反映能力

传统的单片机课程考核方法主要采用以卷面理论考试为主，其余结合一定比例的平时成绩。由于实验成绩只作为占比例较小的平时成绩记入，这种考核办法不能全面反映学生对该课程的掌握情况，尤其是学生的应用能力、动手能力和创新能力很难从试卷上反映出来。学生的实际应用能力不能得到客观的反映，违背了高职教育培养应用型、技能型人才的目标。

二、基于项目导向的单片机实践教学设计

基于以上情况，结合多年的教学经验，笔者提出了基于项目导向的单片机实践教学设计，将单片机的理论知识围绕项目展开分解，融合到不同的实训项目中，引导学生边做边学，在实践中完成知识的学习。

（一）设计思路

以项目为导向的单片机实践教学，打破课堂教学按教材章节顺序进行的方式，改为按预先设计的实验项目任务所需来安排教学内容，项目能够涵盖所有知识点，充分体现了“理论服务于实践”的思想。教师首先根据教学大纲要求的知识点，设计出有针对性的实训项目。然后围绕项目来确立教学目标，确定出每个项目包含的教学重点，设计与教材各部分内容相适应的实验内容，并编写出所配套的讲义和实验指导书。

项目由浅入深，循序渐进，由简单的基本项目逐步过渡到复杂的综合项目，通过比较项目之间的联系与区别，让学生更好地掌握知识。例如在介绍流水灯程序这一项目时，我们刚开始学习时可以使用简单的延时程序。在讲到定时计数器时，我们可以使用定时器设定流水点亮的延时时间间隔。当讲到中断技术时，我们可以让学生尝试使用中断程序来完成流水点亮的效果。通过这一系列具有连贯性的项目，我们可以将不同的知识点融会贯通，使学生在完成的项目过程中体会到成就感，获得激励，产生兴趣。在所有基础项目完成后，以完成一些贴近日常生活且具有实用性综合应用项目（如交通灯、数字温度计等）来检验学生的学习效果，真正做到学以致用。

（二）主要实训项目：

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（三）教学平台

针对课程“实践难”的特点，我们使用Proteus和Keil仿真软件搭建的实验虚拟平台几乎不作任何硬件投资，就能获得一个非常真实的实验环境。Proteus带有大量的库元件和仿真仪器及分析工具，因此可以随意更改硬件电路图，克服了用实验箱硬件固定的问题。通过选择不同类型的芯片，学生能够紧跟市场步伐，学习到最先进的技术，弥补了实验器材不足的问题。学生不用到实验室，不用花时间和金钱购买元器件，就可以自己设计硬件电路，将程序载入仿真系统后验证自己设计的电路和程序的正确性。利用软件仿真，学生不需要任何的硬件连线程序修改，编译后马上就可以看到效果。学生通过仿真实验熟悉了单片机系统的开发方法，对进一步培养学生的综合分析能力，排除故障能力和开发，创新能力具有重要意义。

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路设计、分析与仿真软件。功能极其强大，该软件的主要特点是：①可以完成从绘制原理图、仿真分析到生成印刷电路板图的整个硬件开发过程。②提供几千种电子元件、分立元件和集成电路、模拟和数字电路的电路符号、仿真模型和外形封装③支持大多数单片机系统以及各种外围芯片的仿真④提供各种虚拟仪器，如各种测量仪表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。⑤支持第三方的软件编译和调试环境，可与Keil C51μVision2等软件进行联调。

Keil软件是目前最流行的开发MCS-51系列单片机软件，近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。Keil支持汇编语言和C语言的程序设计，易学易用。

（四）教学过程

基于项目导向的单片机课程教学主要分为基础知识教学、项目演示、项目实施、项目拓展四个阶段。

1.基础知识教学阶段：由教师讲授本项目相关的基础知识，突出重点，提纲挈领。为了达到教学目的，提高教学效果，提倡教师提前给出教学项目的基本要求，引领学生有目的地进行预习。

2.项目演示阶段：教师通过局域网广播教学，演示关键知识点的应用实例，增加课堂信息量。对整个实验过程及难点加以说明，这一阶段可在仿真环境中让学生看到系统最后运行的结果，提升学生参与实践的欲望。

3.项目实施阶段，让学生自己动手独立完成硬件电路图的绘制、软件程序的编写、调试和验证，并尝试改变某些语句观察运行结果，实现对相关知识点的应用和创新能力的培养。本环节要求教师有较强的现场指导能力和课堂掌控能力。

4.项目拓展阶段，鼓励学生在完成教师布置的基础实训项目后，自主设计题目，并完成调试工作。如：对源程序进行修改，完成自己设计的新功能。这个训练可以培养学生的勇于实践、大胆创新的意识，培养学生应用单片机综合设计与开发系统的能力，为后面的综合应用技术的项目训练奠定基础。

（五）教学案例

下面通过项目实例流水灯（广告灯）来介绍如何在单片机教学中应用Proteus和keil软件实现仿真效果。首先，在Proteus软件中绘制如图1所示的硬件电路原理图，然后，在keil软件中根据项目要求编写流水点亮LED的软件程序，编译成功后生成hex文件。最后，在电路图中载入程序并运行程序，观察仿真结果。程序设计是学生学习单片机的难点。在教学中，我们巧妙设计项目的每个阶段，从简单到复杂，让学生在潜移默化中掌握技能。例如流水灯的项目层次分为3个阶段：第一个阶段让学生编写一个灯点亮的程序；第二个阶段编写一个灯闪烁的程序，利用在闪烁灯项目中学习到的延时子程序；第三个阶段才完成8个灯流水点亮的程序；第四个阶段完成8个灯分组流水点亮。当达到第三个阶段时，学生学习单片机的水平已经可以完成一个简单的项目。通过循序渐进的修改程序和电路图，逐步实现功能由简单到复杂的过渡，使学生更容易理解和掌握知识。

三、教学效果

通过基于项目导向的单片机教学实践，98%的学生掌握了运用仿真开发环境进行单片机应用系统开发的过程，普遍反映对单片机结构及工作原理有了更深的理解，课程的及格率达到99%。在较好完成本课程学习任务的同时，学生的自学能力、实践能力、创新能力也得到不断提高，收到了较好的教学效果。

四、结语

实践证明，让学生带着问题去学习和实验,能够提高自身主动思考和创造性思维能力；完善自身的知识体系，程序开发环节可实现看、听、做、思、练的有机结合,锻炼学生电路设计、程序调试、分析、解决问题的能力等各个方面的能力。学生通过主动参与和亲自实践，加深对新知识的理解。基于项目导向的在单片机实践教学设计，有助于学生快速掌握知识，大大提高了教学效率，对单片机教学具有指导意义。

（作者单位：南通市广播电视大学）

（编辑 李艳华）