基于项目应用的《单片机原理及应用》课程研究与实践

车守全 江伟 陈俊

摘 要：文章以提升《单片机原理及应用》课程中学生理论知识点吸收率及创新应用能力为目的，探讨了面向项目应用的教学方法，引入软件联合仿真和实验验证结合的方式，实践教学证明提高了课程教授的效率和质量。关键词：单片机原理及应用；教学方法；实践教学DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.1950 前言

《单片机原理及应用》是机械电子工程核心专业基础课[1]，基本的教学目标是：通过本课程学习使学生对单片机的基本知识有认识，对MCS-51单片机系统、汇编语言及C51语言、单片机中的中断系统、定时/计数器、串行口应用、接口技术有基本认识和应用能力，能够设计开发简单单片机系统。通过课程学习，学生掌握复杂机电产品、自动化系统学习、开发的基本知识。该课程具有明显的理论实践相结合特征，理论部分出现了很多单片机系统概念以及计算机定义，学生往往在理论知识的学习部分就会失去学习的兴趣和动力，最终只能以背诵知识点应付考试。另一方面，学生的创新能力和动手能力也是课程培养的重要方向[2-3]。文章认为，对于《单片机原理及应用》课程的学习，理论学习、动手能力以及创新能力并不是循序渐进地完成的，基于面向项目应用的观点，在项目完成过程中，既可以培养学生的创新和应用能力，也可以反馈增强对理论知识的学习。1 项目式教学主要内容

课程教学内容主要分为：课堂理论教学、课堂项目演示、课下课程项目、开放性验证实验、反馈补充，如图1所示。主要的设计思想是以学生为主，以学生实践促进理论学习为主要手段，恢复《单片机原理及应用》课程的教学活力，培养学生自学、创新的学习方法。值得提出的是，面向项目实施的课程教学不仅可以应用在具体章节的教学中，还可以应用到整门课程中。在本校机械电子工程课程教学中，作者在课程开始就引入基于单片机及Android系统的家居环境监测系统项目，结合各个章节展开教学任务。

课堂理论教学部分以理论知识点的讲解为主，要求学生以抽象、数学推导等方法理清章节知识点脉络。同时，课堂理论教学完成理论知识点的随堂作业，包括课后选择题、问答题等知识点内容论述题目，以完成对学生对理论知识感性认知的考察。理论知识点讲解占教学时间60%。

课堂项目演示主要以教师设置的项目为主线，演示项目突出重点、难点，包含该章（节）大部分知识点。项目演示了理论知识点在实际项目中可能的应用方向和方式，验证抽象概念、数学推导等过程。课堂项目演示的主要方式是项目KeilC51和Proteus联合仿真以及便携式实验平台演示。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言集成开发系统（IDE），Keil提供了C编译器、宏汇编、链接器、库管理以及强大的仿真调试器等。Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的系统设计辅助软件工具（EDA），能够完成原理图布图、系统代码调试以及单片机的外围电路协同仿真。依靠Keil C51和Proteus可以完成单片机系统的程序编写、电路布置以及协同仿真，实现项目的快速开发和调试。便携式实验是依据课程安排定制的STC89C52单片机及外围电路开发实验板，包含了涵盖教学任务中所有章节知识点的开发实验。该部分占教学时间的30%。

课下课程项目以学生为主体，以完成项目作业为方法进行考核，进行理论知识点的考察。主要的方式是：学生完成布置项目或以小组形式完成一个自选项目，项目包含该章（节）重难点知识点和大部分理论知识，学生完成的自选项目要求列举理论应用清单。

开放性验证实验主要依据学校机电一体化实验室中的单片机实践模块，进行设计项目的开发板验证，该部分考察了学生的实践动手能力以及创新能力。同时，将仿真过程移植到实体开发板中，对学生掌握的理论知识进一步验证和巩固。

反馈补充主要是采集之前教学、项目作业和实验验证部分学生的缺点、错误，以课堂反馈教学的形式完成对知识点的巩固和提升。该部分占教学时间10%。2 项目式教学实践

本节以《单片机原理及应用》中的串行工作方式1及其应用一节为教学实践环节。该教学计划为1课时，小节包含的知识结构示意图如图2所示。

大纲要求掌握的知识点有以下方面：（1）通信时间和波特率的理解；（2）发送和接收数据端口；（3）数据帧结构；（4）寄存器配置；（5）逻辑过程的理解。学生对于知识点的理解以指标吸收率s作为评价指数，s表示学生能够清楚解释并示例应用的知识点个数和大纲本节要求的知识点总数的比例，。2.1 课堂理论教学

按照通信时钟计算——相关寄存器功能及配置——中断功能——发送/接收逻辑单元——通信逻辑讲解本节知识点，让学生有较为全面的感性认知。课堂时间为20分钟。2.2 课堂项目演示

以双机通信作为本次项目演示，甲机向乙机发送数字0-F，在数码管上显示发送数据，乙机显示收到数据并向甲机返回收到的数据，项目演示使用Proteus创建仿真单片机及外围电路，使用Keil编写C51程序编译，得到Hex文件与Proteus联合仿真。Proteus仿真如图3所示。

通过该项目进一步讲解串口通信中串行工作方式1的原理及其应用，学生能够将理论知识与小项目实施的细节对应，理解理论应用过程。该部分用时20分钟。2.3 课下课程项目

教师布置课下课程项目为双机通信在字符传输中的应用，甲机向乙机发送英文字符密码，与乙机中存储字符串如果一致，则甲机数码管显示字符‘P表示验证正确，端口控制继电器通路，用于模拟电子锁中的密码验证。该项目涵盖了本节学习的所有知识点，同时基于的现实意义，有一定的实践应用方向。要求学生使用Keil+Proteus联合仿真，如图4所示。2.4 开放性验证实验

开放实验室让学生能够在开发板上搭建电路并编写程序进行验证，部分学生在完成本节学习后在开放实验板上作了单片机与PC端串口通信实验，通过PC端输入控制字符，控制开发板相应端口，开发板回显控制指令。达到了学生动手和创新能力的训练2.5 反馈补充

根据课堂作业掌握情况以及课下项目作业的反馈情况，对存在的问题、理解错误的概念、模棱两可的知识点进行清理和补充。如表1 所示。2.6 评价指标下的教学成果

以指标吸收率s作为成果评价评估各个环节的教学成果，随机抽取20名学生作为样本进行大纲要求知识点考核，分别统计各个环节下学生吸收率达70%以上的人数，用以显示各环节教学后学生对于理论知识点的掌握程度。结果如图5所示，显示在课程项目后，特别是课下课程项目之后，吸收率良好的学生人数增加幅度较大。另外，完成小组自選项目的学生对于知识点的吸收和应用也明显高于其他学生。3 结束语

区别于传统的理论讲解和实验课结合的方式，文章引入面向项目应用的教学方法，在《单片机原理及应用》课程学习中引入针对本课程的项目应用以及针对课程每个章节的小应用项目，将课程教学分成5个部分，引导学生通过联合仿真以及实验验证的方法，在完成项目实践中完善对理论知识的学习，将主动性回归学生，并提升课程的趣味性，在此过程中提高学生的动手能力以及创新能力。最终的教学调研显示，项目驱动的教学方法对学生吸收理论知识、保持良好的学习动力、提高学生应用创新能力有较好的效果。参考文献：[1]刘玉丛.单片机技术应用课程实践化教学改革的探索[J].电子世界，2018（03）：97.[2]李敏，汪鑫等.基于应用技术型大学的单片机课程教学改革[J].课程教育研究，2018（15）：21-22.[3]丁小一，吕菲等.基于工作过程导向的“单片机技术与应用”课程开发与实践[J].无线互联科技，2018（09）：88-89.六盘水师范学院机械工程专业综合改革试点项目（LPSSYzyzhggsd201802）作者简介：车守全（1992-），男，贵州纳雍人，硕士，讲师，主要研究方向：机械装备自动化和信息化。