基于項目式高校單片機課程改革與實踐

孫媛 陳麗梅

摘 ?要： 針對傳統(tǒng)單片機課程教學中存在的弊端，提出了項目式教學方法。探討了在項目設計過程中項目的選擇、項目的情境設計、項目在教學過程中的實施等問題。以燃氣控制器為項目案例，介紹了如何將項目教學方法融入到單片機的硬件和軟件教學中。以項目為主線，逐層完成整個項目的開發(fā)，直觀地展示項目式教學方法在單片機教學中的優(yōu)越性。該教學方法能充分調(diào)動學生學習的積極性，激發(fā)其創(chuàng)新意識，幫助學生畢業(yè)之后更快地適應相關工作。

關鍵詞： 單片機課程; 項目式教學; 控制器; 創(chuàng)新意識

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2014）12-53-02

Reform and practice of SCM course in colleges based on project

Sun Yuan， Chen Limei

（Beijing Wuzi University， Beijing 101149， China）

Abstract： According to the disadvantages in the traditional SCM （single-chip microcomputer） courses， the project teaching method is proposed. The selection of project， the design of project and the implementation of project in the process of teaching are discussed.Take the gas controller as a project case， how to imbed the project teaching method into the teachingof the SCM hardware and software is introduced. With project as the main line， the entire project is gradually developed. It shows the superiority of project teaching method in SCM teaching. It can arouse students' interest and enthusiasm， stimulate their creativity， imagination and help them quickly adapt to the related work after graduation.

Key words： SCM course; project teaching method; controller; creativity

0 引言

單片機課程是我校信息學院計算機技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)基礎課。在傳統(tǒng)的授課模式中，教師一般都會采用“以講為主，實驗為輔”的方式，授課重點強調(diào)對原理性知識的理解和掌握，講解過程中涉及很多抽象的理論知識，一般先將單片機的各個環(huán)節(jié)如總線、并行接口、中斷、堆棧、地址、數(shù)據(jù)類型和語法等分開講解，各部分無論講得多么細致，學生還是很難建立起一個基于單片機測控器件的整體概念，這樣就把本來是一個合理的有機體變得支離破碎，學生普遍感到難學，導致課程變成了“天書”，學生逐漸失去了學習的信心和興趣。引入項目式教學方法可以大大改善單片機教學中“學”與“教”的關系，提高學生的學習興趣，為學生在學習和就業(yè)方面架起橋梁，增加畢業(yè)生就業(yè)機會。

1 項目式教學方法

項目式教學是師生通過共同實施一個完整的“項目”工作而進行的教學活動。在職業(yè)教育中，項目是指以生產(chǎn)一件具體的、具有實際應用價值的產(chǎn)品為目的的任務。在整個教學過程中體現(xiàn)了學生的主體作用，使課堂教學的質(zhì)量和效益得到更大幅度的提高。通過項目教學法學習的學生，他們的動手能力、解決實際問題的能力及創(chuàng)新能力將有很大的提高[1]。打破傳統(tǒng)的教學模式，將教學資源整合，引進“產(chǎn)品導向、項目遞進”式的項目教學，從成熟的生產(chǎn)或生活中基于單片機項目案例入手，讓學生首先看到結(jié)果是單片機能夠做什么，“原來單片機可以完成這么多功能”，很多學生在驚訝的同時會提出很多問題，自己想掌控單片機，如果自己學會了，那么也可以設計很多智能器件，這時老師可以將這些測控器項目一層一層打開，由淺入深，由深入淺，由整體到部分，由部分到整體，將單片機主要的內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣講給學生，學生可以在總體和細節(jié)上掌握單片機，而不是以前只見樹木不見森林的講解方法。項目式教學法使學生有獨立進行計劃工作的機會，在一定的時間范圍內(nèi)可以自行組織、安排自己的學習行為，使學生變被動灌輸為啟發(fā)求知。項目式教學不僅是已有知識、技能的應用，而且還要求學生運用新學習的知識、技能，解決過去從未遇到過的實際問題[2]。

2 項目式教學案例分析

2.1 如何進行項目總體規(guī)劃

本文以基于單片機天燃氣采集和泄露報警器為案例來介紹項目的總體規(guī)劃。天燃氣控制器除了用于常規(guī)的顯示等功能之外，還需要能夠?qū)崿F(xiàn)天燃氣的采集、存儲、調(diào)整、顯示、上傳和接收數(shù)據(jù)等，以及燃氣泄露報警等功能，如圖1所示。

[單片機][顯示][鍵盤][通信接口][天燃氣采集][天燃氣泄露][存儲擴展]

圖1 ?燃氣控制器功能圖

煤氣控制器外觀中主要分四個模塊：①信號輸入功能;②顯示功能;③存儲功能;④通信功能等。學生首先看到的是一個用于實際天燃器采集和泄露報警的產(chǎn)品，從這個產(chǎn)品的功能出發(fā)，對單片機系統(tǒng)案例進行剖析、總體講解。單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)是以單片機為核心，配合一定的外部電路及程序，從而實現(xiàn)特定測量及控制功能的應用系統(tǒng)。單片機的任務是指，以單片機為核心，構(gòu)建硬件部分和軟件部分組成，配以一定的外圍電路和軟件，實現(xiàn)某幾種功能，完成相應的任務。硬件是系統(tǒng)的基礎，軟件則是硬件的基礎上對其合理的調(diào)配和使用，從而完成應用系統(tǒng)所要完成的任務。單片機的設計應包括硬件設計和軟件設計兩大部分。

2.2 項目中硬件部分的講解方法

項目設計中硬件設計分兩部分。①單片機擴展部分設計：包括存儲器擴展和接口擴展。本控制器對存儲器進行擴展EEPROM，還有通信端口的擴展。從這個實際的擴展中講解單片機為什么擴展，如何擴展;再引申到存儲器的擴展，指EPROM、EEPROM和RAM的擴展。其接口擴展是8255、8155、8279以及其他功能器件的擴展。②各功能模塊的設計：燃氣控制器有輸入模塊、顯示模塊、通信模塊、存儲模塊。在硬件上如何擴展這些模塊，如信號測量功能模塊、信號控制功能模塊、人機對話功能模塊、通信功能模塊等，根據(jù)系統(tǒng)功能要求配置相應的A/D、D/A、鍵盤、顯示器、打印機等外圍設備。

在硬件設計時，注重總體方案，并需進行詳細的技術(shù)論證。硬件電路的總體設計比較重要的是硬件電路原理圖。在硬件系統(tǒng)中，電路的各部分都是緊密相關、互相協(xié)調(diào)，任何一部分電路的設計如果考慮的不充分，都會給整體方案帶來難以預料的影響，所以設計者應在總體方案設計時反復論證、比較，尋求最合理的總體方案。在硬件設計過程中要用到Protel等印制板輔助設計軟件，在Protel軟件中首先畫連接原理圖，然后再用Protel將原理圖轉(zhuǎn)換為印制板圖即PCB圖，檢查無誤后，交給印制板生產(chǎn)廠家，印制板生產(chǎn)調(diào)試好后，將元器件焊接到印制板上就完成了硬件系統(tǒng)的設計，具體部驟如下：

⑴ 繪電路圖。教學中要求學生利用最少的知識完成電路圖的繪制;

⑵ 生成網(wǎng)絡表，檢查錯誤;

⑶ 規(guī)劃電路板并手工布局;

⑷ 自動布線，并輸出各層圖紙。

學生完成這四個任務后，基本了解了硬件設計中設計電路板的全過程。盡管每個任務看上去都很簡單，但過程是完整的，學生完成這個項目，就已完全掌握了設計過程，盡管項目完成得還不是很完美。如果課時不夠充分，對于電路板的制作過程可以放到實踐周中集中講解效果會更好，但在通常的單片機課程講解中，整個硬件的設計應該講解清楚，還要通過這個控制器的案例將硬件布局優(yōu)化和調(diào)試講給學生，由一個單片機控制器硬件的設計引申出同一類的硬件設計[3]。

2.3 項目中軟件部分的講解方法

一個單片機能夠聰明地執(zhí)行某種任務，除了它們強大的硬件外，還需要它們運行的軟件。其實單片機并不聰明，它們只是完全按照人們預先編寫的程序而執(zhí)行之。燃氣控制器中的程序根據(jù)硬件的特點，采用模塊化的編寫方法，將程序的功能分成幾大模塊，例如初始化模塊、燃氣泄露報警模塊、讀表模塊、寫入24C16模塊、鍵盤模塊、通信模塊等。在每個功能模塊的基礎上再細分幾個子模塊，在程序的編寫上采用分層的方法處理，由于單片機有主程序較短的特點，主要的處理工作分層展開，通過子程序的調(diào)用一層一層地實現(xiàn)程序的功能，逐步細化、求精，使程序清晰、可讀性強、可重用性強、便于調(diào)試擴展。通過燃氣控制器軟件部分的講解將程序設計方法和思想滲透到各個程序的編寫中。硬件設計之后，軟件的任務是合理有效地驅(qū)動這些硬件，讓硬件充分有效地分發(fā)揮其功能。在軟件的設計中通過軟件可以更好地理解硬件是如何使用和工作的。

MCS-51單片機的程序設計通常分為下面三個步驟。

⑴ 制作程序流程圖

對所提出的算法找出最合理、最簡便的解決方法并作出程序流程圖，程序流程圖用以表示人們利用一定的算法解決問題的思路。流程圖有粗略和詳細兩種，粗略的流程圖可以給出解題的大致步驟，而詳細的流程圖則給出每一步驟的細節(jié)。對一些大的問題，應先給出粗略的流程圖以得出總體概念，然后作詳細的流程圖對每一步驟作具體的描述。

⑵ 資源分配

根據(jù)算法的要求合理地分配系統(tǒng)資源，如存儲器分配、輸入輸出接口的分配等。在MCS-51系統(tǒng)中，程序和數(shù)據(jù)存儲器分別編址，而存儲器又分為內(nèi)部和外部存儲器，又有位尋址的存儲器，因此資源分配得合理，將會給編制程序帶來方便，不然可能會增加麻煩，甚至使程序產(chǎn)生錯誤。

⑶ 源程序編制及調(diào)試

源程序編制就是將流程圖表達的算法用程序?qū)崿F(xiàn)，MCS-51系統(tǒng)的程序可用編輯器編輯，在集成的調(diào)試環(huán)境中讀入，也可直接在集成的調(diào)試環(huán)境中輸入，集成調(diào)試環(huán)境包括了程序的調(diào)試工具，如單步、斷點、全速運行程序，還能實現(xiàn)寄存器檢查、存儲器內(nèi)容檢查等功能。

通過總體論證之后，將燃氣控制器的程序讓學生花一段時間略讀，使學生可以大致了解一個成熟的單片機控制器程序的整體模塊框架。接下來，教師引導學生從總體上掌握程序的主框架，包括在此框架下如何擴展更多功能。總框架了解之后，再精講各個模塊，對典型的有代表的模塊仔細講解。類似的程序讓學生自己消化，可以讓學生采用查閱資料、研討、和教師討論等形式完成。這時教師將單片機中存儲器分配、定時計數(shù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、看門狗、中斷系統(tǒng)、外圍擴展等與程序處理相結(jié)合，讓學生充分了解單片機的各模塊是如何有條不紊地工作的，以及如何擴展功能等。

在整個軟件的講解中將單片機匯編語言或者C語言融入到各個環(huán)節(jié)中，使計算機語言更生動、更有生命力，學生學習語言時關注點在其應用而不側(cè)重語法，語言用得多了自然就熟能生巧了[4]。

3 結(jié)束語

采用單片機課程項目式教學方法能夠克服以往知識點散亂，單片機的各個環(huán)節(jié)不能有機結(jié)合的缺點，力求做到圍繞單片機系統(tǒng)項目開發(fā)而展開教學，使學生通過典型案例的學習了解同一類項目的開發(fā)過程從而能夠?qū)W會應用單片機解決實際問題[5]。我校開展與企業(yè)“一來二去”合作模式，“一來”即把企業(yè)家引進學校來， “二去”即老師去企業(yè)學習，學生去企業(yè)鍛煉。通過此合作模式，在加強校企合作的同時，為學生的實踐、實習和創(chuàng)新能力培養(yǎng)搭建了良好的平臺。有了這樣的校企合作平臺，可以將企業(yè)中的成型項目帶到教學中來進行研究和講解消化，再到企業(yè)中創(chuàng)新地應用到新的項目中去。此合作模式可以提高學生的學習興趣，希望可以為同類型的課程探索提供參考。

參考文獻：

[1] 蔣國金.項目式教學中教師如何扮演好各種角色[J].職業(yè)教育，

2011.10：140-141

[2] 韓黨群，楊勇.項目式教學人才培養(yǎng)模式[J].西安航空技術(shù)高等?？?/p>

學校學報，2011.9（5）：90-91

[3] 孫媛，劉丙午編著.單片機技術(shù)及應用[M].機械出版社，2009.

[4] 秦學禮，楊儒亮等.高職計算機應用專業(yè)課程體系建設與探索[J].計

算機時代，2009.5：68-70

[5] 王霞.高校教育創(chuàng)新的探索與思考[J].中國成人教育，2013.3：17-19