基于“項目驅動法”的單片機課程一體化教學的探索與實踐

摘要:“單片機應用技術”課程具有很強的技術性、工程性和實踐性。文章針對課程教學中普遍存在的問題，結合多年的教學與科研經(jīng)驗，提出以學生為中心，以單片機應用能力為核心，將多種單片機開發(fā)工具引入課程教學的全過程，構建由網(wǎng)上教學資源、實驗箱、軟硬件仿真平臺及在線仿真器組成的項目教學資源庫，實施基于“項目驅動法”的單片機課程一體化教學。

關鍵詞:項目驅動法;單片機;教學

“單片機應用技術”課程是機電一體化專業(yè)的主干課程，也是多年來公認的“問題課程”，學生普遍感到難學。主要表現(xiàn)在課程內容抽象、邏輯性強、與其他課程的關聯(lián)度大。教學過程極易陷入難教、難學的境地并形成惡性循環(huán)。隨著計算機網(wǎng)絡與通信技術、集成電路技術和計算機軟、硬件軟件技術的飛速發(fā)展，單片機應用技術的內容與教學手段和方法都發(fā)生了很大的變化。如何充分利用多種單片機開發(fā)工具，掌握綜合運用單片機的軟硬件實用技術，為工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和實驗設備等領域的單片機應用開發(fā)，培養(yǎng)具有技術應用能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)精神的高素質人才，是高職單片機課程教學面臨的新挑戰(zhàn)[1]。目前國內多數(shù)高職院校單片機課程存在理論與實踐嚴重脫節(jié)的現(xiàn)象，本文針對目前國內高職機電一體化專業(yè)單片機應用技術課程教學中普遍存在的問題和不足進行深入探討，結合多年的教學經(jīng)驗，提出基于“項目驅動法”的單片機課程一體化教學的新思路，以期為單片機課程教學的改革提供參考。

1高職單片機教學中存在的主要問題

目前多數(shù)單片機課程教學普遍存在以下的問題:

(1) 教材結構未考慮學生的接受能力。教材內容主要依照單片機硬件結構→指令系統(tǒng)→匯編語言設計→系統(tǒng)擴展→接口技術→應用系統(tǒng)設計的順序編寫的，注重課程的學科性與系統(tǒng)性，而未考慮學生的認知特點;教學過程也是以單片機的結構為主線，先介紹單片機的硬件結構，接著是指令和軟件編程，然后是單片機系統(tǒng)的擴展和外圍器件的應用，最后是應用實例。按此教學結構，單片機課程就演繹為以單片機知識為藍本的微機原理課程，高職學生理解力和邏輯思維能力較薄弱，對復雜的電路和抽象的指令往往不知所云，學習過程枯燥乏味，學生大多產(chǎn)生厭學情緒。

(2) 教材內容陳舊，單片機課程教學缺乏技術性、工程性和實踐性。如在單片機接口中主要以并行擴展為主，介紹74LS273/373鎖存器，74LS138/139譯碼器，74LS244/245總線驅動器，8155/8255I/O擴展接口，以及鍵盤顯示器接口8279等，而這些在單片機實用系統(tǒng)開發(fā)中早已不用了。如今CPLD器件已被廣泛應用于單片機應用系統(tǒng)，根據(jù)實際需要可通過對CPLD器件的編程實現(xiàn)鎖存器、譯碼器、存儲器、I/O接口以及各種邏輯控制電路功能。CPLD作為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計的必備技術，在單片機應用系統(tǒng)設計實例中卻鮮有介紹。此外，抗干擾技術、SPI擴展、ONE-WIRE擴展、多狀態(tài)多任務處理問題等許多實際開發(fā)設計中不可回避的問題卻很少涉及。

(3) 普遍存在理論與實踐嚴重脫節(jié)的現(xiàn)象。在教學形式上，單片機課程多以課堂理論教學與少量硬件仿真實驗相結合，實驗教學也多為驗證性實驗[2-3]。先理論后實踐教學，或理論與實踐教學分階段交叉進行，造成長期以來單片機教學理論與實踐的嚴重脫節(jié)。加之許多學校單片機實踐教學資源相對比較匱乏，多以單片機實驗箱為主，實踐教學環(huán)節(jié)也僅僅體現(xiàn)在為數(shù)不多的幾個驗證性實驗上。許多情況下，學生只是依照老師給出的實驗電路進行簡單連線，有些同學直接將實驗系統(tǒng)中的源程序調出來運行一下就算完成任務了。整個課程結束后，許多學生也未能真正了解清楚單片機應用系統(tǒng)開發(fā)的全過程，不會使用仿真軟件調試程序的同學也不在少數(shù)，甚至連單片機開發(fā)工具如硬件仿真器、編程器的用途都不知道，更不用說掌握單片機應用系統(tǒng)設計的一般性方法。

(4) 教師缺乏應有的工程素質。長期以來總有一種觀點認為，教師受傳統(tǒng)教學模式影響，輕視實踐教學環(huán)節(jié)，不注重學生實踐能力的培養(yǎng)。事實上，大多數(shù)高職工科類專業(yè)技術課程的教學缺乏技術性、實用性和工程實踐性，并不是教師不重視實踐解學環(huán)節(jié)，而是我們的教師本身就缺乏應有的工程素質。所以才會出現(xiàn)如將單片機課程教學演繹為以單片機為藍本的微機原理課程教學的誤區(qū)，而傳統(tǒng)的教學模式又使這樣的誤區(qū)成為了一種極為普遍的現(xiàn)象，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，紙上談兵使得許多教師喪失了提高自身技術應用能力、工程實踐能力和科研開發(fā)能力的動力，致使課堂教學無法跳出傳統(tǒng)教學模式的怪圈。

2基于“項目驅動法”的單片機課程一體化教學

傳統(tǒng)的單片機教學模式以“知識為本位”，強調以教材為中心、以教師為中心、以課堂為中心，教學上注重知識的系統(tǒng)性與邏輯性，但卻忽視了對學生能力和創(chuàng)造性的培養(yǎng)，收效甚微。單片機課程的學習過程實質上是一個以單片機為工具進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過程，“項目驅動法”打破原教學結構框架(即硬件結構+軟件編程+系統(tǒng)設計)，將單片機課程的核心技術分解為一個個的知識點，并通過具體實例(即項目)來體現(xiàn)[4]。一個項目需要用不同的知識點去組合和搭建，每一個項目又分解為若干任務，項目的完成是在教師主導下以學生為主體的一次完整的教學活動，當所有項目任務完成后，知識點也就全學完了。“項目驅動法”設計過程具體如下。

2.1項目的選取準則

項目選取要以單片機技術應用為主線，分層次精心編寫項目內容——包括基礎訓練項目、技能訓練項目和綜合應用項目?；A訓練項目的選取應根據(jù)學生的認知特點，教師要站在初學者的角度來編寫項目內容，項目功能簡單益實現(xiàn)，增強學生學習的積極性和信心;技能訓練項目的選取應體現(xiàn)項目的靈活性。鼓勵學生嘗試用不同方法實現(xiàn)項目功能，通過對比不同實現(xiàn)方法，增強師生之間的互動，加強學生之間的協(xié)作與交流，提高學生的技術應用能力，進一步激發(fā)學生的學習熱情和成就感;在綜合應用項目的選題上，應注重典型單片機應用系統(tǒng)的設計，項目設置上包括基本要求和發(fā)揮部分，以此激發(fā)學生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)造力和成就感。在項目實施的過程中，教師扮演教練的角色，起指導作用。

2.2項目內容構建

項目內容構建是“項目驅動法”實施的基礎，在項目內容選取中，教師應依據(jù)學生認知特點，充分分析本專業(yè)對單片機應用技術能力的具體要求，及本專業(yè)學生學習的前后課程之間的關聯(lián)，由簡單到復雜，層次分明、科學合理的進行規(guī)劃。如機電一體化專業(yè)“單片機應用技術”課程項目內容及任務描述如表1所示。

2.3項目教學資源構建

項目教學資源的構建是實施“項目驅動法”一體化教學的基礎[5]。傳統(tǒng)教學模式下的教學資源較為單一落后，不適應“單片機應用技術”課程教學。整合文字教學資源(教材、學習指導及習題)，參考各知名單片機開發(fā)網(wǎng)站資源，利用軟件教學資源(WAVE和Proteus以及Protel軟件)和硬件教學資源(實驗箱、仿真器、單片機開發(fā)板、雕刻機等)，構建以先進的軟硬件資源為基礎的豐富的網(wǎng)上課程資源庫[3]。充分運用現(xiàn)代教育技術和手段，使學生能夠按照自己的需要，方便地實現(xiàn)不同教學資源的切換，為實現(xiàn)基于“項目驅動法”的一體化教學提供資源保證。

2.4項目實施過程

“項目驅動法”一體化教學的實施主要包括:項目導入→項目剖析→任務分解→知識點導學→知識點應用→目標搭建→目標組合→項目完成。具體地講，項目導入即是發(fā)揮教師的主導作用，引導學生明確本次教學任務，在這里教師要努力為學生創(chuàng)設當前所學內容與真實環(huán)境基本相接近的學習情景，充分發(fā)揮學生的主體作用，采用啟發(fā)式教學對項目功能進行剖析，并分解成為一個個相對獨立的任務。在教師指導下進入當前知識點學習，學習中注重引導學生獨立思考，對知識點自行理解和消化，在此基礎上，鼓勵學生獨立探索解決問題的方法，即如何應用知識點及其組合來完成一個個目標任務，再將各目標任務按照邏輯關系組合起來，形成此項目完整的解決方案。

值得注意的是:首先，一個項目的完成可能需要多個知識點的組合，實現(xiàn)多個目標任務的過程要考慮各目標任務間的邏輯關系，并將這種關系通過軟硬件手段來實現(xiàn)。其次，每一個項目的完成都離不開軟硬件仿真(只有在綜合應用項目中，才會使用硬件仿真器和雕刻機)，所以對WAVE軟件仿真軟件和Proteus硬件仿真軟件的學習將貫穿整個教學過程。也就是說，在項目2“了解教學做一體化教學平臺”完成之后，WAVE和Proteus軟件就作為單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)工具，始終伴隨著學生的學習，并且隨著項目內容的多功能化和復雜化，對WAVE和Proteus開發(fā)工具的學習也將越來越深入，其優(yōu)勢也將越來越明顯。

2.5項目學習評價

在“項目驅動法”教學中，學習效果主要由完成項目工作的質量來衡量，主要包括教師評價、學習小組評價和自我評價。圍繞學生在項目設計過程中，從項目剖析→任務分解→知識點學習→知識點應用→目標搭建→目標組合→項目完成的一些列活動中，通過師生間的互動交流、學生間的互助協(xié)作，考察學生對項目任務的理解、知識點的學習領悟及應用單片機開發(fā)工具完成相應項目設計的能力。項目學習的最終目的是通過知識點的組合與搭建，完成知識向能力的轉換，在教師評價中應以激勵、鼓勵為主，以增強學生的信心;對學習小組的評價應側重于學生在完成項目目標構建中所起的作用，如該學生是否為學習小組的核心，其學習行為及協(xié)作精神是否具有示范性;自我評價不僅要能反映學生學習過程遇見的困難，還要將學習中獲取成功的思路，以及對本次項目教學的建議和意見一并表達出來，目的是為了通過師生的共同努力，將項目內容不斷充實與完善，使項目教學法質量進一步提高。

3效果分析

3.1教學效果顯著

基于“項目驅動法”的單片機課程一體化教學，打破理論與實踐教學的界限，課堂教學從原來的教學區(qū)搬至單片機實訓中心，利用實訓中心強大的軟硬件資源、網(wǎng)上課程資源及網(wǎng)上科研資源的優(yōu)勢，采用多媒體教學手段，并以網(wǎng)絡學習管理系統(tǒng)為平臺，方便地實現(xiàn)了多種教學資源之間快速的無縫鏈接。如在學生初識單片機時，可先通過實驗箱大致了解單片機應用系統(tǒng)的結構，利用WAVE軟件完成簡單的程序編寫和調試;接下來根據(jù)項目內容學習Proteus設計與仿真，并以此為工具對較為抽象的知識點，如中斷優(yōu)先級和中斷嵌套是教學難點，以往課堂教學中許多同學對此不理解，用Proteus進行仿真，變抽象為形象化解了難點，激發(fā)了學生的學習興趣。

3.2提高了學生的技術應用能力

將單片機開發(fā)工具引入并貫穿于課程教學的全過程。如在學生初識單片機時，可打開實驗箱大致了解單片機應用系統(tǒng)的組成，并利用WAVE軟件完成簡單的程序編寫和調試，加強學生對單片機應用系統(tǒng)的感性認識;接下來學習使用Proteus 軟件設計電路原理圖并對按項目要求進行先期軟硬件仿真調試，觀察電路的工作狀態(tài)及軟件運行后的變化情況，逐步掌握用Proteus和WAVE仿真軟件從事單片機軟硬件設計調試的全過程;在單片機技術綜合應用階段，若仿真結果基本理想可用Protel軟件和雕刻機制作出實際硬件電路，并用下載線將程序寫入AT89S51單片機，完成整個單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)過程?？梢钥闯?，單片機課程的教學就是熟悉和初步掌握單片機應用系統(tǒng)開發(fā)的過程，在課程教學的每一個環(huán)節(jié)，都要由學生自己動手完成，極大地提高了學生的技術應用能力。

3.3增強了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

Proteus仿真軟件是一款包含大量系統(tǒng)資源、豐富硬件接口電路，具有強大調試功能和軟硬件相結合的仿真系統(tǒng)，在單片機應用系統(tǒng)開發(fā)中占有重要地位[6]。在單片機教學中引入Proteus，充分利用其形象性、交互性、安全性、節(jié)約性、可移植性和高效性的特點，通過具體的工程項目，培養(yǎng)了學生的工程實踐能力和創(chuàng)造性思維，為學生畢業(yè)后從事單片機控制技術或智能儀表開發(fā)做好準備。

3.4提高了教師的科研能力

在“項目驅動法”的單片機課程一體化教學中，教師從項目內容選題→項目剖析→任務分解→知識點學學習→知識點應用→目標搭建→目標組合→項目完成的一系列教學活動中，教師從原來的知識的傳授者變?yōu)閷W生學習的合作者。在與每個學生的的交流互動中，發(fā)現(xiàn)學生共性的問題、個性的問題以及自身的問題，并與學生一起尋求解決問題的方法，并通過實踐將教師自身的技術應用能力、工程實踐能力和科研開發(fā)能力得到了鍛煉和提高，實現(xiàn)真正意義上的。

4結語

本文分析了當前單片機課程教學中普遍存在的問題及深層次的原因，提出基于“項目驅動法”的單片機課程一體化教學的思路。教學實踐證明，將多種單片機開發(fā)工具引入課程教學的全過程，以教師為主導、學生為主體進行從項目導入→項目剖析→任務分解→知識點導學→知識點應用→目標搭建→目標組合→項目完成的一系列教學活動，激發(fā)學生的學習興趣、主動性和創(chuàng)造力，為學生單片機應用能力的培養(yǎng)提供了一種新思路。

本研究得到上海工程技術大學教育科學研究項目“機電一體化專業(yè)高職教育模式研究”的資助，在此表示感謝。

參考文獻:

[1] 高林，鮑潔. 加強基礎建設、深化教學改革、提高教學質量——教育部高職高專電子信息類專業(yè)教學指導委員會的工作思路[J].計算機教育，2009(16):12-13.

[2] 黃勤，李楠，谷振宇. 構建全新的實踐教學模式，培養(yǎng)綜合素質及創(chuàng)新能力[J]. 計算機教育，2004(10):23-24.

[3] 余小瀅，卞魚池，殷為真. 電子設計競賽促進實踐教學改革[J]. 實驗技術與管理，2007，24(6):107-110.

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[5] 姚福安，周常森，萬鵬，等. 建設電子設計立體化教學平臺[J]. 實驗室研究與探索， 2006，25(6):688-691.

[6] 張靖武，周靈彬. 單片機系統(tǒng)的PROTEUS 設計與仿真[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2007.

Exploration the Course Integrated Teaching for Principles and Application of

MCU Based on Project-driven Method

PENG Yuan-fang， LU Qin， HU Ning， YANG Yang

(Advanced Vocational Technical College， Shanghai University of Engineering Science ， Shanghai 200437，China)

Abstract: The single-chip computer application technology possesses highly technical， engineering and practical. Some common problems in teaching are discussed in this paper. With many years of teaching and research experience， many reform measures are proposed. The project teaching resource libraries including Online teaching resources， laboratory boxes， hardware and software simulation platform and emulators are constructed. In the whole teaching process， integrated teaching based on project-driven method of MCU is implemented， with student-centered as the teaching process， application capabilities on MCU as the core， and applying the kinds of development tools for MCU in the course teaching.

Key words: project-driven method; MCU; teaching

(編輯:彭遠紅)