“单片机原理及接口技术”课程“项目式”教学改革

王占光，江亚峰，袁明新

（江苏科技大学苏州理工学院，江苏 张家港 215600）

0 引言

应用型本科院校有别于学术型本科院校，前者在推进教学改革过程中，应加大实践教学环节力度，培养具有社会竞争力的应用技术型人才[1]。“单片机原理及接口技术”是机电、电子以及信息类专业均把单片机课程设为必修课，意在培养出具有工程意识的应用型人才[2]。在教学工作中，既要注意单片机的一般原理与方法，又要加强单片机的具体应用。所以在设计课程教学计划时，既要保证基本的理论教学，也要加强实践课时，使学生具备良好的硬件搭建和软件编程能力。项目式教学法是以项目为主线、教师为引导、学生为主体，由师生共同完成项目，共同总结进步的教学方法，有利于学生自学能力、创新能力的培养[3]。本文分析了目前单片机课程教学现状和不足，提出了项目式教学改革思路，举例说明了课程改革实施过程，为提高单片机课程教学质量、培养学生学习兴趣和积极性，提供了一种可行的方案。

1 传统教学的现状和不足

传统的单片机课程包括理论教学和实验教学两部分，其中理论课时占80%，实验课时占20%，理论课时占主导。传统教学采用先讲解理论，后进行实验的教学模式[4]，传统教学存在以下不足：

（1）理论教学抽象难懂

传统单片机教学理论内容偏多，教材内容大多是归纳总结性知识点，抽象的概念和原理让学生难以理解[5]。学生学习枯燥乏味，参与感差，从而影响学习积极性。

（2）理论与实验相分离

实验内容和理论课程进度存在对应关系，即完成章节的课程后进行对应的实验。由于理论课程和实验课程之间缺乏统一的规划，存在理论课结束后再集中安排实验的现象，导致理论与实验相分离[6]。

（3）实验教学内容死板

实验部分一般采用硬件实验箱，实验箱模块的电路已经集成好，实验内容也是固定的验证性实验，缺乏灵活性和开放性。学生按照要求简单连接导线即可，缺少调试设备的机会。学生按照实验指导书步骤操作，抄写实验程序完成实验，缺少设计电路、编程调试的平台，达不到培养学生实践创新能力的要求。

2 教改思路

2.1 引入常用电子元器件知识

项目式教学注重过程，这个过程是师生共同参与的实践活动。学生在实践过程存在不认识电子元器件，不懂得如何使用电子元器件的问题，所以引入常用电子元器件的知识来解决这一问题。从项目所使用到的电子元器件出发，将教学过程分3 个部分：（1）从电子元器件实物开始，介绍其工作原理和使用方法，引导学生学会使用操作说明书；（2）利用Proteus 软件练习元器件的接线和使用；（3）在课程设计环节进行实物的焊接实践。通过常用电子元器件知识的引入，帮助学生理解电路原理图，更好地完成实物的焊接任务，为电子电路设计打下基础。

2.2 调整教学计划，加强实践教学

在兼顾传统教学模式基础上，减少单片机课程理论部分课时，增加实践操作部分课时，对教学计划进行调整见表1，分成基础理论、应用任务和课程设计三部分。

表1 教学计划安排

基础理论部分20 学时，完成单片机结构原理、编程语言、功能模块和仿真软件的理论教学，为后续的设计和实践创新打好理论基础。应用任务部分24 学时，通过4 个应用案例来讲解，案例涵盖功能模块知识点和相关电子元器件知识，利用仿真软件完成案例的设计和验证。课程设计部分12 学时，由3～4 位同学组成一组，完成以下工作：（1）整理课程设计原理、内容和步骤；（2）使用Proteus 软件设计电路原理图；（3）使用Keil 软件设计程序；（4）进行PCB 板焊接和调试；（5）撰写课程设计报告和答辩PPT。单片机课程改革增加实践课时，引入Proteus 仿真软件的应用，增强课堂的生动性，摆脱传统实验教学硬件资源的限制，实现理论学习到综合实践的平稳过渡。

2.3 改革课程考核办法

传统课程考核由平时考核（20%）、实验考核（10%）和期末考试（70%）三部分组成，期末考试成绩占比高，注重结果性考核，导致学生不注重课堂的学习，不利于学生应用能力的培养，传统考核方式不能适应应用型高校实际情况。

如表2 所示，为了加强学生学习的过程性考核，培养学生在学习中积极参与、认真主动的态度，从基础理论、基本任务和课程设计3 个模块出发进行考核。基础考核内容是理论知识学习的基本要求，是学生进行设计和创新的前提条件。基本任务培养学生的应用能力，具备分析和解决问题的能力。课程设计从理论到应用，再到实践的逐步递进的关系，培养学生的自主学习、设计创新、实践动手能力和团队合作能力。课程设计以最终设计实物为评分重点，考察电子元器件的应用能力。学生的成绩= 基础考核成绩×30% + 基本任务成绩× 30% + 课程设计成绩×40%。这种过程式的考核方式将考核的重心由结果转到过程，注重过程学习，促进学生在平时保持良好的学习状态，避免死记硬背突击考试的学习方式。

表2 改革后课程考核办法

3 课程改革的实施过程

以“按键计数显示器”作为应用案例进行说明。通过应用案例，分析系统的开发流程，从具体的功能要求到软硬件设计分析，将理论与实践融合，培养学生实践能力为目标。

3.1 设计原理

按键计数显示器系统框架如图1 所示。以80C51单片机为核心，包含5 个分支电路（按键电路、时钟电路、复位电路和ROM 选择电路）作为输入，数码管的显示作为输出。设计电路和编写程序实现计数显示功能：统计按钮BUT 的按下次数，通过数码管显示；显示达到10 后自动清零，无限循环。要求学生完成电路原理图设计和分析、仿真运行截图和实验总结，提交实验报告。

图1 按键计数显示器系统设计框图

3.2 应用实验

应用实验以Proteus 和Keil 软件联合仿真为基础。利用Proteus 软件布置原理图，利用Keil 软件进行汇编语言或C 语言的程序设计，编译生产的hex 文件导入Proteus 软件中的单片机芯片，通过联合仿真完成项目的调试。Keil 软件仿真状态下，可以看到寄存器和程序状态字数值，也可以建立Watch 窗口，直观地看到变量状态。Proteus 软件提供一个图形显示功能，将元器件、线路连接、软件调试和运行结果运行过程形象化，一定程度上替代了传统的实验教学功能。仿真实验不受实际设备的限制，可以根据教学需要设计实验，学生可以大胆进行设计和训练，提高实践动手能力。

Proteus 软件仿真实验运行界面如图2 所示，共阴极数码管LED1 和LED2、P0 口、P2 口、上拉电阻RP1 以及+5V 组成的输出电路；按键开关BUT、P3.7和接地组成的输入电路；C1、C2、晶振X1、引脚XTAL1 和XTAL2 与接地组成的时钟电路；C3、R1、引脚RST 和+5V 组成的复位电路；引脚和+5V 组成的片内ROM 选择电路。引脚上不同的颜色代表电平状态，红色代表高电平，蓝色代表低电平，灰色代表输出不确定，这是传统实验室不具备的。

图2 仿真实验运行界面

3.3 扩展任务

扩展任务在应用实验的基础上完成功能的扩展，引入新的知识点，完成新旧知识的衔接。应用实验中的按键是单独接在一根I/O 口，构成独立按键，当需要多个按键时可能产生I/O 资源紧张问题。因此，引入占用I/O 口较少的行列式键盘方案。

在P2 口外接的4 × 4 行列式键盘，共16 个按键仅占用8 个I/O 口。行列式键盘的检测可以采用软件扫描查询法和中断方式。由于扫描查询法占用CPU时间，因此采用中断扫描方式提高CPU 的效率。扫描查询程序放在中断程序中，在由按键按下时触发中断请求，达到提高效率的目的。受到学时限制，把扫描查询方法布置给学生利用课外时间设计和调试，并完成小组的实验报告。

4 结语

为了培养应用型人才，单片机课程注重实践教学，在实践环节上不断与时俱进、不断总结，实现理论与实践相结合、学习与应用相结合的改革目标。基于“项目式”教学提出改革方案，在传统教学的基础上，更重视实践教学，将抽象的知识变为实例教学，以提高学生的学习积极性和创新能力，培养具有综合能力的应用型人才。