单片机课程任务驱动教学法的研究与实践

王玉琳， 陈甦欣， 卫道柱， 宋守许

(合肥工业大学 机械工程学院， 合肥 230009)

单片机以其功能强、体积小、功耗低、价格便宜、稳定可靠、面向实时控制等独特优点，已广泛应用于工业控制、仪器仪表、设备与产品的自动化、机器人以及家用电器等领域，成为工业技术改造和产品更新换代的理想“干将”[1]。

我校机械类专业“单片机与接口技术”这门课，主要基于目前国内使用最多、最成熟的MCS-51系列单片微型计算机，系统阐述MCS-51单片机的硬件结构、功能特点、指令系统、程序设计、中断技术、外部功能扩展以及工程应用等知识。该课程是培养机电一体化技术、测控技术与电气工程技术人才的重要专业基础课，是机械类专业学生学习机电控制的敲门砖。课程组实施本课程的教学时，以CPU芯片为基础，以接口设计为主线，以应用系统设计为目的。

目前，我校机械学院机械类专业分布在合肥和宣城两个校区，每年约有900多人选修“单片机与接口技术”这门课。该课为机械类专业必修的专业基础课，理论学时36，实验学时12，累计总学时48.3个学分。自2001年开课以来，师生们总是感觉“单片机与接口技术”既难教又难学，教学效果一直不尽人意，主要问题在于：

(1)采用大篇幅的原理介绍引导学生入门，学生听起来枯燥乏味。

(2)过分渲染单片机的工作原理，忽略了工程应用，激发不了学生的兴趣。

(3)过多讲解汇编指令，没有将软件指令与硬件电路相结合，学生感到很抽象。

(4)孤立地讲解每一条指令，学生听起来没有逻辑性，不理解一些指令的设计意图。

(5)学生缺少工程应用系统的系统化设计思想，设计应用系统时不会协调，常常顾此失彼。

可以看出，传统的“满堂灌”、“填鸭式”教学已经无法满足现代教学的需求[1-2]，教师在课堂上不能调动学生主动学习的积极性，学生始终处于被动接受知识的地位，教学效果自然差。因此，亟待寻求新的教学方法解决本课程目前存在的迫切问题。

1 任务驱动教学法

采用任务驱动教学法的三大因素介绍如下：

(1)单片机技术的迅速发展和快速更新，使单片机教学应接不暇，这是采用任务驱动法的第一因素。传统教学模式是将一个一个知识点串起来去构建知识体系，教学内容相对稳定，适合采用循序渐进的方式。而单片机教学则不同，其知识点呈网络型分布而不呈线性，即知识点之间的逻辑关系不是很强或者没有逻辑关系，学生可以从任意一点入门，先学什么、后学什么并无严格规定，这就使得单片机的知识体系较难把握[5]。

(2)随着互联网技术的飞速发展，学生获取单片机知识信息的渠道大大增多，且学生个体差异较大，这是采用任务驱动教学法的第二因素。以前，学生主要依靠教师在课堂讲授的方式获取单片机知识，现在情况则不同了，学生既可以在线下也可以在线上，通过各种各样的渠道获取与单片机课程相关的知识。

(3)素质教育的推进对单片机的教学提出了更高的要求，这是单片机教学采用任务驱动法的第三因素。

任务驱动教学使学习目标十分明确，使教与学双方都感到有利，易于接受。对教师而言，任务驱动教学使授课生动有趣，效果明显；从学生的角度来说，任务驱动具有很强的吸引力，适合需要学生动手的操作类知识和技能的学习[5-7]，尤其适用于学习“单片机与接口技术”这类直接面向控制工程的知识和技能。

2 任务驱动教学法的实施

2.1 总任务的设计

兴趣是一种魔力，兴趣决定一切，它可以创造奇迹。任务设计的出发点就是要激发学生的兴趣，满足学生的探究欲望，最终目标是完成教学任务，达到教学大纲要求。对于一门完整的课程来说，需要掌握的知识点非常多，我们需要首先确定一个总任务，然后对总任务进行分解，分成一个一个具体的子任务，当学生顺利完成每一个子任务后，这门课程的教学目标即可达到[8]。同样一门课程，针对不同专业的学生需要拟定不同的任务。本课程组的教师们在给机械类专业本科生授课时，将以下例子作为典型任务。

选择MCS-51系列的嵌入式单片机AT89S52作为CPU，设计一台数字控制系统用以控制两坐标的数控车床，要求如下：

(1)该系统需要配置64K字节的程序存储器和32K字节的数据存储器。

(2)车床纵向与横向拖板的运动采用步进电机拖动、滚珠丝杠传动。

(3)采用两只圆光栅分别检测纵、横两台步进电机的旋转角度。

(4)系统需要设置一个48按键的操作键盘。

(5)系统设有LCD高清显示屏。

(6)系统设有20路输入/输出信号。

(7)系统具有螺纹零件的切削功能。

(8)系统可以控制4～6工位的自动回转刀架。

(9)系统可以控制气动卡盘并可感知对工件的夹紧力。

(10)系统可以控制车床主电机的正转、反转、停止以及无级变速。

(11)当发生紧急情况时，系统可以接受紧急停车信号并具有超程保护功能。

(12)系统具有USB接口，可以与U盘方便地进行数据传输。

机械类的本科生通常以机为主、电控为辅，他们确实觉得自动控制是非常重要且十分实用的知识，所以，这一任务一布置下去，立即引起同学的极大兴趣。当他们听到教师说道：“你们只要认真完成这些任务，‘单片机与接口技术’这门课就可顺利过关”时，大家更是踌躇满志，信心百倍。

2.2 知识点的分解

(1)AT89S52单片机内含8K字节的EEPROM，系统现要64K字节的程序存储器，尚需扩展56K字节，可选用64K字节的W27E512芯片。

(2)系统的32K字节数据存储器可选用SRAM62256芯片。

(3)两只圆光栅4个方向的角度脉冲需要4个16位的计数器进行拾取，可以从AT89S52中选择T0进行一路计数，再扩展一片3通道的16位减法计数器8254，利用其引脚CLK0、CLK1和CLK2进行另三路计数。

(4)系统操作键盘的48个按键可由8位并行接口芯片NEC8279自动管理。

(5)系统的LCD高清显示屏可由SED1335液晶控制接口芯片进行管理。

(6)系统的20路I/O信号可由8位可编程接口NEC8255芯片来管理。

(7)系统切削螺纹时采用AT89S52的T1计数器，让其工作在“计数到中断”的方式；螺纹的零位信号可由CPU的P1口提供一位进行查询。

(8)车床气动卡盘的夹紧与松开可由74LS377进行控制。

(9)采用压力传感器和A/D转换器ADC0809来检测气动卡盘对工件的夹紧力大小。

(10)车床主轴电机的正转、反转、停止可由NEC8255来控制，电机无级变速可由D/A转换器DAC0832控制交流变频器来实现。

(11)数控系统的紧急停止和车床拖板的超程保护可由AT89S52的外部中断INT0进行检测，并借助74LS244引脚进行区分。

(12)数控系统通过D12接口芯片扩展USB接口，该芯片可与AT89S52的RXD、TXD引脚进行连接。

2.3 子任务的设计

(1)AT89S52最小模式系统实验：基于实验室现有的多功能单片机实验装置，选择AT89S52单片机搭建其最小模式系统电路。让学生熟悉DIP封装单片机40个引脚的功能，掌握单片机系统8根数据线和16根地址线的扩展方法，学会搭建晶振电路和复位电路，学习P0～P3四个端口的指令操作。

(2)程序存储器扩展实验：在上述数控系统中，程序存储器用来存储系统的底层程序，它决定了数控系统的功能属性。AT89S52虽然内含8KB的程序存储器，但对于较大的数控系统，尚需外扩一定容量的程序存储器EPROM。该实验的目的是让学生学会不同种类、不同容量程序存储器的选择、连接和编程。

(3)数据存储器扩展实验：当使用者操作数控系统时，需要设置参数、编制零件加工程序等，这些数据都将存储在数据存储器SRAM中。该实验训练学生使用不同种类、不同容量的SRAM芯片进行数据存储器的扩展，学会SRAM芯片与CPU的连接以及数据的读/写指令操作。

(4)矩阵键盘管理实验：让学生学会使用NEC8279芯片与CPU的连接，实现大型矩阵键盘按键动作的自动扫描，节省CPU的键查询与扫描时间。掌握NEC8279芯片控制字、命令字的格式及编程方式。

(5)LCD显示实验：要求学生掌握液晶显示控制器SED1335与单片机AT89S52的连接电路与编程方式，实现320×240分辨率液晶显示屏的点阵字符和图形显示编程操作。

(6)AT89S52单片机定时/计数实验：让学生熟练掌握AT89S52单片机T0、T1、T2计数器/定时器的“单纯计数”功能、“计数到中断”功能以及“定时到中断”功能，学会三个计数器/定时器与外设的连接以及编程设定方法。

(7)AT89S52单片机外部中断实验：让学生学会INT0和INT1两个外部中断引脚的连接方法和编程方式。

(8)AT89S52单片机扩展USB接口实验：要求学生掌握USB接口芯片D12如何与单片机AT89S52进行连接和编程，以实现单片机与外部设备之间的数据交换。

(9)外部计数器/定时器扩展实验：AT89S52只有3个16位的加法计数器/定时器，当需要外扩时，优先选择内含三个16位计数器/定时器的8254芯片，该实验要求学生掌握AT89S52如何扩展连接8254芯片，学会使用指令对8254进行控制和读写。

(10)8位可编程并行I/O接口芯片NEC8255扩展实验：要求学生学会将NEC8255芯片与AT89S52芯片进行连接并采用指令控制读写，掌握数字电机(如步进电机、伺服电机)的脉冲控制方式以及加减速运动控制方式，学会NEC8255芯片PC口的位控方式。

(11)8位简单I/O接口扩展实验：要求学生学会常用简单I/O接口芯片如74LS244、74LS377等如何与AT89S52芯片进行连接与编程，从而进行数字量的读取或输出。

(12)A/D转换实验：让学生学会A/D转换器ADC0809如何与AT89S52单片机进行连接和编程；了解常用工程物理量通过哪些传感器进行采集，这些传感器又是如何与ADC0809进行连接的。

(13)D/A转换实验：本实验将告诉学生如何将计算机的数字量转换成工程模拟量。首先要求学生学会8位并行D/A转换器DAC0832如何与AT89S52进行连接与编程，其次要求学生掌握2线串行D/A转换器MAX517如何与CPU进行连接与编程。

纵观上述的任务设计可以看出，一门抽象而又乏味的“单片机与接口技术”课程，被浓缩到了一台令学生兴趣倍增的机床微机数控系统上。而这台功能丰富的控制系统又被分解成13个具体而又详细的课程实验，这些实验本身也是令学生颇感兴趣的小任务。只要学生顺利完成这13个实验任务，他们就达到了这门课程的教学目标。令学生望而生畏的汇编语言融入到了一项项具体的实验任务，一条条抽象的汇编指令得到了具体的功能体现。

教学实践表明，“单片机与接口技术”课程采用任务驱动的教学方案，充分发挥了学生课程学习的主动性，既激发了学习兴趣，又降低了学习难度。一个个具体任务的顺利完成，让学生充满了成就感，大家摩拳擦掌、跃跃欲试，都想继续新的探索、接受新的任务。针对每一项子任务，都是学生通过实验亲自完成的，电路是他们自己设计的，器件是他们自己选择的，程序也是他们自己编制的。因此，他们对课程的知识点理解得清楚，掌握得透彻，应用得灵活。

3 需要注意的几个问题

3.1 师生角色与地位的转变

任务驱动教学法的特点是，学生在教师的帮助下，紧紧围绕一个共同的目标任务，在强烈的问题动机驱动下，充分利用各种资源，进行自主探索学习和同学之间进行互动协作，在完成既定任务的同时也得到了实践锻炼。在此过程中，要求转换师生以前的角色与地位。首先，教师不能再用“满堂灌”、“填鸭式”的教学方式，需要去组织和引导学生；其次，教师要走下讲台，走进学生，到学生中间去进行指导，答疑解惑；再次，学生不再处于被动接受知识的地位，而是处于主动参与、发现探究和建构知识的主体地位。

3.2 任务设计要注重与工程应用相结合

“单片机与接口技术”这门课程最终的目的是教会学生如何将单片机应用到工业现场，所以我们在设计总任务和子任务的时候一定要注重面向工业场景、针对工业控制，不要设计一些过于理论化的实验任务，需要最大程度激起学生的学习兴趣。

3.3 任务设计要注意分散重点和难点

“单片机与接口技术”这门课程内容非常繁杂，既包括单片机本身的内容又包括接口技术的内容。掌握单片机及其接口技术的应用是一个逐步积累的过程，所以我们在设计实验任务的时候，既要考虑任务的工作量、知识量、重要性、难易度以及前后知识的逻辑关系等因素，又要从不同专业学生的实际出发，充分考虑其现有的知识水平和动手能力，力争循序渐进，做到因材施教[9]。

3.4 任务设计要留出学生思考空间

在设计实验任务的时候尽量给学生留有独立思考、独立探索、自我拓展和创新创造的空间[10]，着力培养学生探究式学习的技能。对于一些综合性、设计性的实验，方案不是惟一的，只要学生最终达到目标即可，鼓励他们采用多种不同方法，触类旁通，举一反三。

3.5 认真设计课外任务

增设课外任务让学生获取更多的知识和能力，这本身就是任务驱动教学的延伸。课外任务的设计形式有多种，包括教师布置的设计报告，教师指导的各类科技竞赛、大学生创新创业训练计划项目以及“互联网+”大赛等。通过这些形式多样的课外任务，可以培养学生的创新精神，提升学生的创业意识，为今后顺利走向社会奠定坚实的基础。

4 结语

任务驱动教学法对传统教学法进行了诸多革新，该方法始终把学生作为学习的主体，以单个或多个任务作为驱动，让学生通过自主学习、独立实验，把书上死的理论变成活的应用。通过教师的引导、点拨，使学生能够触类旁通、点面结合、温故知新。近年来，作者所在课程组教师结合单片机技术与接口技术的最新应用成果，按照机电产品的开发思路对单片机课程内容进行了重新调整和规划，精心设计了大量的综合型、创新型实验，将最新的科研成果融入教学内容，采用任务驱动教学法提升了学生的学习主动性，保证了教学内容的实用性和先进性，使学生学到的知识“有用、有效、先进”。

该教学法2005～2008年期间在我校机电实验班开始试行，2009年至今已在我校合肥和宣城校区每届900多名机类专业学生中推广应用，教学效果显著，深受师生欢迎。该方法较好地解决了教与学的矛盾，充分体现了学生在学习中的主体地位和教师的主导作用，充分调动了学生学习的积极性和主动性。在培养学生分析复杂问题、解决实际问题、理论知识应用以及独立创新设计能力等方面具有一定的借鉴作用，该方法值得在工科类的课程教学中进行推广。