基于卓越工程师背景的单片机课程教学改革*

◆陈瑞祥 周根荣 姜平

作者：陈瑞祥，南通大学电气工程学院讲师，研究方向为单片机、嵌入式系统的设计与开发；周根荣、姜平，南通大学电气工程学院（226019）。

“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是一种以工程素质和创新能力培养为核心的人才培养模式[1]。“卓越计划”明确提出对工程类专业学生需要重视工程教育的实际训练，由过去客观存在的理论教学为主实践为辅转变为基础理论与工程实践能力并重。在“卓越计划”指导下，高校的课程体系、教学思路、教学方法都需要做出很大改进。

单片机原理及应用课程是电气信息类专业中非常重要的一门专业课。但目前国内多数高校这门课程的教学内容和教学方法都比较传统，无法满足卓越工程师人才培养目标的需要。笔者根据多年的单片机教学经验，分析单片机课程教学现状，提出自己的改革方法。

1 单片机课程的现状

单片机原理及应用作为工科院校相关专业重要的专业必修课，是集电子技术、计算机技术等多门技术于一身，具有很强工程背景的一门课程。学生首次接触该课程，由于缺乏工程经验，感觉比较抽象，一时难以入门，从而对单片机失去学习兴趣，甚至失去信心。造成这种局面主要在于传统的教学方法存在不足。

传统的单片机教学分为理论教学和实验教学两部分。课堂理论教学普遍按照绝大多数教材所安排的顺序来安排教学内容。从单片机内部结构、引脚、指令系统、汇编语言程序设计、功能模块、存储器扩展、键盘与显示、I/O 接口扩展、A/D 和D/A 接口扩展，到最后的单片机应用举例，顺序讲解相关的概念、知识与应用方法。尤其是前半部分，枯燥乏味，学生和实际根本联系不起来，导致兴趣缺失，直至失去学习单片机的信心。

实验教学又分为课内实验和课程设计两部分，但这两部分实验大都是以现有的实验箱为平台来完成的。由于实验条件的限制，教师能安排的实验和学生可以自主发挥的实验都非常有限，大大限制了学生的自由发挥，缺乏主动性，更不要提创新性。

2 单片机教学改革

教学方式的改革，以项目教学为主线，充分利用多种现代教学手段，加强理论教学和实验教学的融合，充分调动学生的学习兴趣、主动性和创造性。

项目教学法项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论教学与实践教学有机地结合起来[2]。从项目出发，首先让学生观察项目实现的最终结果或现象，从而激发学生探究新知识的兴趣。接着提出项目的具体要求，明确项目的最终目标，引导学生组织已学知识及相关的新知识去分析项目的每一个要求、提出项目设计方案。在这个过程中，教师插入讲解新的知识，之后通过师生合作、不断探求和讨论来实现项目目标。最后对项目进行小结，帮助学生掌握和提高。

项目教学法让学生变被动接受为主动探究，从学生的角度出发，利用有意思的项目调动其学习的积极性、主动性，开拓学生的思维、发挥学生的潜能。理论知识和实践能力训练相辅相成，在实践过程中学习理论，既体现了教师的主导作用，又发挥了学生的主体地位，更体现了现代教育的教学模式与特征[3]。

项目教学法实施的关键是教学项目的选取。根据单片机课程大纲的要求，选取符合课程要求的项目，选择的项目要有实际意义，日常生活中有应用体现，学生不觉得枯燥，学习有兴趣和动力。如果所选项目有延续性，项目之间有层次，有递进关系，或是一个大项目的几个子项目，那效果将会更好。安排教学项目要简单容易，便于课堂实施，能自然引出新的相关知识点，使单片机教学环环相扣，最终系统地讲授单片机的知识体系。学生也能从中学到单片机开发过程中的每个环节，体会单片机的应用方式方法，感受单片机应用的乐趣。

现代教学手段的使用由于教学经费的限制，不可能把每一个教学项目都让学生制成PCB 硬件电路板来完成每一个项目。因此，可以充分利用现代教学手段来模拟实施每一个项目。

Keil 和Proteus 是两款优秀的单片机仿真调式软件，在教育经费有限的情况下，可以弥补传统教学方法存在的不足，大大增强课堂教学效果[4]。Keil 可以用来软件仿真，而Proteus 可以用来硬件仿真。值得庆幸的是，这两款软件不仅可以单独使用，还可以联合仿真。只要安装一个联合仿真的插件，通过相关的设置就完成完美的软硬件仿真。具体的设置步骤如下。

1）下载和复制文件。在网上下载VDM51.dll 文件，并分别复制到Proteus 的安装目录下和Keil 安装目录下的C51BIN 目录中。

2）修改Keil 的初始化配置文件。打开TOOLS.INI 文件，在[C51]栏目下加入“TDRV5=BINVDM51.DLL(Proteus VSM Monitor-51 Driver)”，TDRV后面的数字根据实际情况而定。

3）Keil 的设置。①选择硬件仿真，并使用Proteus VSM Monitor-51 Driver。此设置可在“Project 菜单/Options for Target”选项中找到。②进入setting 设置通信接口，如果在同一台电脑上，IP 设为127.0.0.1，端口为8000。如果把IP 地址改成其他电脑的IP，可实现Keil 与另一台电脑上的Proteus 进行远程联合仿真。

4）Proteus的设置。在Proteus的DEBUG菜单中选择“use remote debugger monitor”即可。

通过以上设置，就可以实现这两个软件的联合仿真。可以在Keil 中通过“单步”、设“断点”等各种调试手动，在Proteus 中观察每一步程序执行的结构，和调试硬件电路板一样。

除了这两个主要软件之外，还可以把其他常用的调试软件介绍给学生，比如“串口调试助手”，采用虚拟串口的形式，和Proteus 相连，来调试学习Uart 串口，可以得到形象直观的效果，降低学生理解的难度。

此外，在教学过程中还可以充分利用PPT、视频、网络软件在线答疑等多种现代教学手段为学生的学习服务。

工程实际训练然而，在单片机的实际教学中，不能用虚拟的实验环境来替代实际硬件电路。仿真软件是在理想条件下进行工作的，在实际应用中还会遇到很多新的问题，仅靠仿真软件而完全抛弃具有实际工程背景的硬件电路设计与调试训练是不可取的。只有将仿真结果应用于具体电路系统，才能真正提升学生的软硬件综合开发能力[5]。

因此，保留传统的课内实验和课程设计，并在此基础上加强学生的硬件训练。南通大学用的单片机学习板如图1所示，学生从原理图的设计到PCB 制版、焊接调试全程参与，熟悉和掌握整个单片机开发流程。基于此学习板，学生可以完成I/O、键盘与显示、A/D、D/A 等多个实验。几乎把每个教学项目都囊括进去，还增加了一些综合项目，使学生的单片机能力得到进一步的提高和升华。

3 总结

单片机原理及应用课程是电气信息类专业培养卓越工程师的一门非常重要的专业课。笔者在教学工作中，以实施卓越工程师教育培养计划为契机，积极将项目教学方法和多种现代教学手段有机地结合起来，对单片机课程进行教学改革与实践，取得显著的教学效果，为卓越工程师的培养奠定坚实的基础。

[1]于立君,田凯,王辉.自动化专业卓越工程师人才培养模式探索:以HEU 为例分析[J].黑龙江教育学院学报,2013,32(3):22-23.

[2]叶爱芬.项目式教学在单片机教学中的应用[J].科技信息,2010(16):102,105.

[3]杨波,肖杰.项目驱动模式在《单片机》课程教学中的应用[J].湖南第一师范学院学报,2012,12(4):63-66．

[4]李绍平,彭志平.仿真实例教学法在单片机理论教学中的应用[J].中国现代教育装备,2012(3):67-69.

[5]乔建华,李临生,田启川.Proteus 在单片机教学中的应用分析[J].电气电子教学学报,2008,30(3):70-73．