基于模块化和项目化的单片机实验教学改革

韩慧敏+梁妍+施金妹

摘要：本文提出了将模块化与项目化实验教学模式相结合，形成一种创新型、实用型的单片机实验教学改革模式的思路，以期将理论学习、实践应用、产品制作有机地合为一体。

关键词：模块化；项目化；单片机

中图分类号：G642 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）06-0087-04

● 引言

单片机是目前各类智能产品中经常选用的微处理器之一，也是现在电子类高校技能竞赛中常运用的技术之一。因此，单片机课程是电子技术、计算机、电气、自动化、机电一体化、信息工程等专业的主干专业课程，并且是一门实践性、应用性很强的课程，这也说明了单片机课程的实验教学尤其重要。

传统的单片机实验教学主要是采用高度集成的实验箱进行实验教学，但实验箱价格昂贵、操作繁琐、结构复杂，所以这种方式不仅实验成本高，而且学生的实验效果也不理想。因为实验的电路都是已经制作好的现成品，学生在做实验时只需机械地按照图纸在实验板上连接几根导线，然后录入程序，最后观察实验结果即可，整个过程耗时仅需10～25分钟。[1]这样的实验只属于验证性实验。

由于控制电路和实验电路集成在一起，所以学生很难了解所做实验的实际工作电路，对电路的原理根本无法获知，这样的实验教学方式很难锻炼学生的实际应用能力，由此可见，实验设备的高度集成化已经渐渐不适应现代化单片机实验教学的要求。随着单片机技術的不断更新和广泛应用，单片机实验教学系统采用模块化设计，价格低，普及性高，能培养学生的动手能力和创新能力；同时，采用项目化的实验教学模式，能够以工作过程为导向，培养学生的工程意识和解决实际问题的能力。[2]

● 单片机模块化实验教学设计

改革单片机实验教学模式，是指不再采用传统的实验箱设备，而是采用一种学生自主、自行制作，开放式、模块化的实验板来进行单片机实验教学。

该实验板主要由基础模块和扩展模块两部分组成。其设计思路是基础模块为系统核心模块，扩展模块为系统子模块。基础模块（核心模块）搭架上任何一个扩展模块（子模块）可完成一个特定的子功能，形成一个产品。所有的扩展模块（子模块）还可以按照某种方式多个组合在一起，再搭架上基础模块（核心模块）形成一个更大的系统和有更多复杂功能的产品。扩展模块（子模块）是可组合、分解和更换的单元，但基础模块（核心模块）是必不可少的单元。具体的框架图如下页图1所示。

该实验板的优点是价格低（根据配置扩展模块不同，价格在十几元到几百元不等），而且省去了中间通过编程器或开发板来烧录程序的环节，采用ISP直接下载，十分方便。此模块化实验板可以完全由学生自己焊接、制作，体积较小，携带方便，学生可以人手一套，满足在线仿真调试、开发设计单片机系统以及制作小产品的需要。此外，它还可以为以后的课程设计、电子设计竞赛、机器人竞赛、技能大赛等活动提供技术准备。[3]

1.基础功能模块设计

基础模块为单片机最小系统，也可称为CPU控制模块，主要由单片机芯片、复位电路、晶振电路和电源电路组成。它是做任何一个单片机实验或产品必不可少的部分，也是系统的核心部分，如图2所示。

为了方便后续搭架基础模块与扩展模块，可以将单片机的32个I/O（P0-P3口）全部引出，将单片机的引脚与2.54mm间距的单排排针焊接在一起，通过排针将引脚引出。然后通过杜邦线，把基础模块排针与扩展模块排针相连接，实现搭架组合。

2.扩展功能模块设计

扩展模块主要包括流水灯模块，数码管显示模块，点阵显示模块，LCD显示模块，蜂鸣器模块，键盘模块，红外收发模块，传感器模块，A/D、D/A模块，电机控制模块，时钟模块和E2PROM模块。这些扩展模块不仅可以使学生基本掌握单片机的输入、显示、控制、数据采集和转换、储存等相关技能，还可以使学生在熟悉和掌握以上扩展模块的电路原理、制作和编程的基础上，根据自身需求自行设计和制作新的扩展功能模块，学习到更多的知识，掌握单片机更多的运用技能。

通过“基础模块+扩展模块”可以制作和实现的功能如下：

广告牌的设计与制作：单片机最小系统（基础模块）+点阵显示模块（扩展模块）。

功能：通过编程实现单片机控制点阵模块显示相应的汉字、图形、数字等广告信息。

抢答器的设计与制作：单片机最小系统（基础模块）+键盘模块（扩展模块）+流水灯（扩展模块）。

功能：通过编程实现当有按键按下时（有人抢答时），将信号反馈给单片机，然后单片机做出相应的反应动作，如小灯点亮，说明抢答成功，并显示抢答成功相对应的位置。

智能温度测控系统的设计与制作：单片机最小系统（基础模块）+传感器模块（扩展模块）+数码管显示模块（扩展模块）+流水灯（扩展模块）+蜂鸣器（扩展模块）。

功能：通过编程实现当温度传感器模块采集到温度后，将温度信号发送给单片机，单片机接收到信号后，由数码管显示模块显示出当前温度。若温度超过了预先设定的最高温度值，流水灯模块亮起，表示启动降温控制操作；若温度低于预先设定的最低温度值，蜂鸣器模块响起，表示启动升温控制操作。

● 单片机项目化实验教学设计

面对高职教育培养高级技能型、应用型人才的目标，理论与实验相分离的教学模式已不再适应当前职业教育发展的需要。针对竞争日益激烈的就业市场和企业对人才的需求，笔者提倡一种以工作为导向的新教学模式，其本质是让学生在学习中感受到实际工作环境，教师充当需求者或管理者，给学生（工作者）下达任务或订单，学生从接到任务到制作产品整个过程都全程参与。[4]

这样的模式也称为项目化教学模式，即学生和教师一起实施一个工作任务或项目而进行的教学活动，它能实现学生“学中做，做中学”[5]，实现课程设置职业化、理论实践教学一体化、技能训练岗位化、素质训练企业化[6]，提高学生的工程意识和解决实际问题的能力。

对于单片机这门实践性、应用性要求都很强，且易制作产品的课程，采用项目化教学模式，能够让学生通过教师下达的实际工作任务，学会Protel99se等仿真软件的理论知识，然后通过实践实现电路板绘制、系统仿真、电路板印制、焊接、调试等，掌握一套完整的单片机硬件电路设计和制作过程，同时学习汇编语言或C语言编程的理论知识，通过实践实现对单片机程序编辑、调试、烧录等，掌握一套完整的单片机软件设计过程，最终做到将理论学习、实践应用、产品制作有机地合为一体。

单片机项目化实验教学的思路和实施步骤具体如下：

第一步，提出任务，选择方案。

掌握技能：能提出至少3种以上方案，通过对比、论证选出最优方案；能利用网络、图书馆等查阅资料和分析资料。

第二步，硬件电路设计。

掌握技能：能利用protel99se或其他绘制电路板仿真软件，绘制出对應的电路原理图、PCB封装图。

第三步，电子元器件采购计划。

掌握技能：能识别、筛选电子元器件；能统筹和规划采购计划，制作采购清单，实施采购任务，进行成本统计；能检测电子元器件的性能指标。

第四步，制作电路板（手工焊接）。

掌握技能：能将之前绘制的PCB封装图，通过刻版机雕刻法或化学药剂腐蚀法制作出PCB电路板；能将电子元器件焊接到PCB电路板上；能检测PCB电路板和电子元器件。

第五步，软件设计。

掌握技能：①设计程序。能分析任务或项目需求、设计程序算法以及画程序流程图。②开发程序。能使用Keil编程软件、录入程序和编译程序。③调试程序。能调试程序，查找错误，修正错误；能生成可下载到单片机的.hex文件。④烧录程序。根据不同的下载工具，能采用不同的烧录方式；能使用烧录程序的软件，了解烧录程序的步骤，实现将.hex文件烧录到单片机。可以利用基础模块（单片机最小系统）实现烧录程序。

第六步，上交产品及编写项目报告。

这包括PCB电路原理图、封装图，采购耗材清单，手工焊接电路板及软件程序清单。

掌握技能：能制作产品使用说明书；归纳、总结产品制作全流程的步骤；利用单片机的知识和技能，分析和解决一定的工程实际问题。

在项目化教学中，教师根据实际工作需求的项目，给学生下发任务。学生自行组队，通过网络、图书馆等资源多方面搜集资料，小组讨论，师生互动，讨论方案的可行性，这样能留给学生发挥的空间，激发他们的创造性思维。对于确定后的方案，学生开始展开硬件电路、软件程序的设计与制作。在这个过程中，教师只需要针对项目进展和实施，在适当的时候引导学生进行相关理论知识的链接，做到理论与实践相结合。每个小组独立完成项目后，上交产品和项目报告，并进行集体点评。

● 结论

实践证明，采用模块化的单片机实验教学，能够提高学生识别电路结构的能力，从而提高他们的动手能力和创新设计能力。并且模块化电路板较为灵活、普及性高，各个模块都相对独立，在出现故障时易于检测。由于价格较低，学生能够人手一套，自行设计各类扩展功能模块。采用项目化的单片机实验教学，能够培养学生的工程意识和解决实际问题的能力。在项目化教学过程中，教师通过角色扮演，给学生下达工作任务，这样能激发学生的学习兴趣和积极性，开拓学生的思维，从而提高教学效率。同时，项目的实施和完成能将理论和实践融为一体，让学生学以致用。将模块化与项目化教学模式相结合，是一种创新型的单片机实验教学改革模式，它能通过设计和制作模块化的单片机实验板，实现项目化教学过程。

参考文献：

[1]殷士勇.Keil和Proteus在单片机实验教学中的应用[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2009（6）：567-570.

[2]刘升.模块化单片机课程实验教学系统[J].淮北煤炭师范学院学报：自然科学版，2010（2）：40-43.

[3]张宏伟，阎有运，王新.单片机实践教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索，2009（4）：206-208.

[4]韩慧敏，陈亮，柏乃琳.电子类专业实践教学改革的探索[J].科技视界，2014（5）：54.

[5]沈培锋.《单片机原理与应用》项目化教学改革案例浅谈[J].中国科技信息，2012 （18）：137.

[6]孙凤芹.单片机课程教学改革探析[J].科协论坛：下半月，2012（9）：177-178.

作者简介：韩慧敏（1987—），女，汉族，海南人，博士在读，讲师，研究方向为电子信息、计算机辅助设计与制造、3D打印技术。