項(xiàng)目教學(xué)法在單片機(jī)課程中的規(guī)劃與實(shí)施——以湖南人文科技學(xué)院為例

朱高峰，張艷蕾

(湖南人文科技學(xué)院 物理與信息工程系，湖南 婁底 417000)

項(xiàng)目教學(xué)法是指師生通過共同實(shí)施一個(gè)個(gè)完整的“項(xiàng)目”工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”的新型教學(xué)模式。將其應(yīng)用在我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的單片機(jī)課程教學(xué)中，結(jié)果表明能顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的分析、軟硬件開發(fā)和團(tuán)體協(xié)作能力。

一 項(xiàng)目規(guī)劃

項(xiàng)目任務(wù)的設(shè)計(jì)是運(yùn)用項(xiàng)目教學(xué)法的前提和基礎(chǔ)。授課教師既要考慮教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)課時(shí)，又要注意學(xué)生的興趣愛好和可操作性，對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置和歸納，所規(guī)劃的項(xiàng)目要根據(jù)教學(xué)大綱由淺入深，循序漸進(jìn)，由簡單的基本項(xiàng)目逐步過渡到復(fù)雜的綜合項(xiàng)目。湖南人文科技學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)結(jié)合Proteus 和Keil 軟件，編寫出了單片機(jī)項(xiàng)目實(shí)施課程講義，其項(xiàng)目任務(wù)如表1 所示。

表1 單片機(jī)教學(xué)項(xiàng)目任務(wù)分配表

二 項(xiàng)目實(shí)施案例

現(xiàn)以“LED 顯示原理”的教學(xué)內(nèi)容為例，闡述項(xiàng)目教學(xué)法在單片機(jī)課程中的具體實(shí)施過程。

(一)教學(xué)說明

本課堂的教學(xué)目的是理解LED 顯示器的結(jié)構(gòu)和顯示原理，掌握單片機(jī)控制多位數(shù)碼管顯示的設(shè)計(jì)方法。將班級(jí)學(xué)生進(jìn)行分組，每組2 人，教學(xué)場(chǎng)地定在裝有Proteus 和Keil 軟件的計(jì)算機(jī)房。教學(xué)時(shí)間為4 課時(shí)，第一課時(shí)安排為主要知識(shí)點(diǎn)講解、項(xiàng)目布置，第二課時(shí)安排為項(xiàng)目資料搜集、總體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)，第三課時(shí)安排為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，第四課時(shí)安排為系統(tǒng)仿真調(diào)試、綜合評(píng)價(jià)。其中知識(shí)點(diǎn)的講解主要包括LED 顯示器的結(jié)構(gòu)及相關(guān)驅(qū)動(dòng)碼，多個(gè)LED 顯示的2 種顯示方式，講授時(shí)間約40 分鐘。接下來布置項(xiàng)目，設(shè)計(jì)的基本任務(wù)為要求學(xué)生利用51 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)4 個(gè)七段數(shù)碼管同時(shí)顯示數(shù)字，學(xué)生可以根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和興趣進(jìn)行功能擴(kuò)充，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生采用多種方法和不同的編程語言來完成設(shè)計(jì)。

(二)項(xiàng)目分析

充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目分析和資料查詢。首先要確定所用的數(shù)碼管是共陰極還是共陽極，共陰極的位線接地，共陽極的位線接高電平5V。同時(shí)為了使數(shù)碼管足夠亮，可考慮段碼線外接三級(jí)管或其他邏輯門驅(qū)動(dòng)，接下來要思考單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。

方式一最基本的驅(qū)動(dòng)方法是單片機(jī)的4 個(gè)8 位的I/O 口分別連接4 個(gè)數(shù)碼管，由于各位的數(shù)據(jù)輸出口不同，在同一時(shí)間里，每一位顯示的數(shù)據(jù)也可以不同。但實(shí)際開發(fā)表明，當(dāng)此方式顯示變化的數(shù)據(jù)時(shí)，LED 有閃爍感，且亮度不夠。

方式二在方式一的基礎(chǔ)上考慮增加鎖存器，同樣采用靜態(tài)顯示方式，如在每路I/O 口線上增加一片74LS373，LED 顯示的字符驅(qū)動(dòng)碼一經(jīng)送出，相應(yīng)鎖存器將鎖存其段碼而維持不變，直至送入另一個(gè)字符的段碼為止。但仍然無法克服占用單片機(jī)口線太多的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中也不可取。

方式三采用前面講授過的LED 動(dòng)態(tài)顯示方式，這樣能簡化硬件電路。將所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由單片機(jī)的1 個(gè)8 位I/O 口控制，形成段碼線的多路復(fù)用，而各位的共陽極或共陰極引腳分別由單片機(jī)相應(yīng)的I/O 線控制，形成段碼線的分時(shí)選通。即在任一時(shí)刻，只讓其中一個(gè)數(shù)碼管的位選線處于選通狀態(tài)，字符驅(qū)動(dòng)碼同時(shí)送往段碼線而顯示相應(yīng)的字符，其他3 位是熄滅的。而在其下一個(gè)時(shí)刻讓下一個(gè)數(shù)碼管的位選線處于選通狀態(tài)，相應(yīng)的字符驅(qū)動(dòng)碼也送往段碼線，則下一個(gè)數(shù)碼管被點(diǎn)亮，其他3 位是熄滅的。由于LED 的余暉和人眼的視覺惰性，當(dāng)各位顯示的時(shí)間間隔足夠的短，則可以達(dá)到同時(shí)顯示的假象［1］。

方式四還有一種更經(jīng)濟(jì)有效的方式是利用串行口擴(kuò)充輸出，通過移位寄存器如74LS164 實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的串口由P30(RXD)和P31(TXD)組成，當(dāng)串口以方式0 工作的時(shí)候就是以SPI 的方式工作。用此方式來拓展低速的I/O 口，尤其是作為顯示的控制，可以節(jié)省大量的P 口。為了擴(kuò)充教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，可以在設(shè)計(jì)好的電路圖中再加入中斷電路，由按鈕BUTTON1、BUTTON2 來產(chǎn)生不同的中斷信號(hào)，顯現(xiàn)出不同的數(shù)值。

(三)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真

在查閱和論證了相關(guān)資料后，學(xué)生要針對(duì)自己所選用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，用Proteus 仿真軟件繪制電路原理圖。接下來的關(guān)鍵就是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，對(duì)于知識(shí)掌握扎實(shí)的學(xué)生，鼓勵(lì)他們用匯編語言和C語言分別進(jìn)行編程。先根據(jù)所采用的驅(qū)動(dòng)方式和項(xiàng)目要求，約定好輸出形式和速度，確定算法。其次再將任務(wù)具體化，畫出程序流程圖。最后編程前還要進(jìn)行資源分配，如內(nèi)存工作區(qū)、變量名稱、堆棧區(qū)等。用Keil 軟件編寫好源代碼后進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試范圍可以由小到大、逐步增加，通常交叉使用單步運(yùn)行、斷點(diǎn)運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行等。每次調(diào)試過程中要注意RAM 中的相關(guān)內(nèi)容、I/O 口的狀態(tài)是否正確，最后結(jié)合Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)仿真［2］。對(duì)于提前完成基本功能的同學(xué)可以適當(dāng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，比如用方式四進(jìn)行數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，采用共陰極的數(shù)碼管，再加入按鍵觸發(fā)中斷的知識(shí)點(diǎn)，從而提高學(xué)生的綜合能力。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖1 所示，按下BUTTON1 后將顯示2008，按下BUTTON2 后將顯示0808，項(xiàng)目任務(wù)順利完成。

圖1 系統(tǒng)仿真圖

(四)項(xiàng)目評(píng)價(jià)

為增加學(xué)生的成就感和學(xué)生的鑒定能力，顧及“知識(shí)與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度和價(jià)值觀”三個(gè)方面［3］，項(xiàng)目總評(píng)采用學(xué)生自評(píng)(30%)、互評(píng)(30%)和教師總評(píng)(40%)相結(jié)合的方式。項(xiàng)目評(píng)分細(xì)節(jié)可考慮資料收集是否準(zhǔn)確(5%)、系統(tǒng)方案是否可行(10%)、硬件電路是否正確(15%)、程序調(diào)試是否成功(15%)、實(shí)現(xiàn)方法是否單一(15%)、系統(tǒng)功能是否多樣(20%)、項(xiàng)目完成是否及時(shí)(10%)、回答問題是否正確(10%)。

三 結(jié)論

實(shí)踐證明，將項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用在我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的單片機(jī)課程教學(xué)中，最終提高了學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力和綜合素質(zhì)，滿足了社會(huì)需求。但同時(shí)對(duì)教師有了更高的要求，要求教師在精通項(xiàng)目設(shè)計(jì)的同時(shí)能有機(jī)聯(lián)系理論知識(shí)點(diǎn)，不斷總結(jié)項(xiàng)目實(shí)施過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，與傳統(tǒng)教學(xué)相互補(bǔ)充，才能達(dá)到更好的教學(xué)效果。

［1］張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［2］李學(xué)禮.基于Proteus 的8051 單片機(jī)實(shí)例教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［3］孫凱.項(xiàng)目教學(xué)法在電氣控制技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.信息系統(tǒng)工程，2011(12)：138－139.