基于項(xiàng)目應(yīng)用的《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程研究與實(shí)踐

車(chē)守全 江偉 陳俊

摘 要：文章以提升《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程中學(xué)生理論知識(shí)點(diǎn)吸收率及創(chuàng)新應(yīng)用能力為目的，探討了面向項(xiàng)目應(yīng)用的教學(xué)方法，引入軟件聯(lián)合仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方式，實(shí)踐教學(xué)證明提高了課程教授的效率和質(zhì)量。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用；教學(xué)方法；實(shí)踐教學(xué)DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.1950 前言

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是機(jī)械電子工程核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]，基本的教學(xué)目標(biāo)是：通過(guò)本課程學(xué)習(xí)使學(xué)生對(duì)單片機(jī)的基本知識(shí)有認(rèn)識(shí)，對(duì)MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言及C51語(yǔ)言、單片機(jī)中的中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口應(yīng)用、接口技術(shù)有基本認(rèn)識(shí)和應(yīng)用能力，能夠設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單單片機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品、自動(dòng)化系統(tǒng)學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)的基本知識(shí)。該課程具有明顯的理論實(shí)踐相結(jié)合特征，理論部分出現(xiàn)了很多單片機(jī)系統(tǒng)概念以及計(jì)算機(jī)定義，學(xué)生往往在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)部分就會(huì)失去學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，最終只能以背誦知識(shí)點(diǎn)應(yīng)付考試。另一方面，學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力也是課程培養(yǎng)的重要方向[2-3]。文章認(rèn)為，對(duì)于《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的學(xué)習(xí)，理論學(xué)習(xí)、動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力并不是循序漸進(jìn)地完成的，基于面向項(xiàng)目應(yīng)用的觀點(diǎn)，在項(xiàng)目完成過(guò)程中，既可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力，也可以反饋增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。1 項(xiàng)目式教學(xué)主要內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容主要分為：課堂理論教學(xué)、課堂項(xiàng)目演示、課下課程項(xiàng)目、開(kāi)放性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、反饋補(bǔ)充，如圖1所示。主要的設(shè)計(jì)思想是以學(xué)生為主，以學(xué)生實(shí)踐促進(jìn)理論學(xué)習(xí)為主要手段，恢復(fù)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)活力，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)、創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方法。值得提出的是，面向項(xiàng)目實(shí)施的課程教學(xué)不僅可以應(yīng)用在具體章節(jié)的教學(xué)中，還可以應(yīng)用到整門(mén)課程中。在本校機(jī)械電子工程課程教學(xué)中，作者在課程開(kāi)始就引入基于單片機(jī)及Android系統(tǒng)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目，結(jié)合各個(gè)章節(jié)展開(kāi)教學(xué)任務(wù)。

課堂理論教學(xué)部分以理論知識(shí)點(diǎn)的講解為主，要求學(xué)生以抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等方法理清章節(jié)知識(shí)點(diǎn)脈絡(luò)。同時(shí)，課堂理論教學(xué)完成理論知識(shí)點(diǎn)的隨堂作業(yè)，包括課后選擇題、問(wèn)答題等知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容論述題目，以完成對(duì)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)感性認(rèn)知的考察。理論知識(shí)點(diǎn)講解占教學(xué)時(shí)間60%。

課堂項(xiàng)目演示主要以教師設(shè)置的項(xiàng)目為主線(xiàn)，演示項(xiàng)目突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，包含該章（節(jié)）大部分知識(shí)點(diǎn)。項(xiàng)目演示了理論知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際項(xiàng)目中可能的應(yīng)用方向和方式，驗(yàn)證抽象概念、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等過(guò)程。課堂項(xiàng)目演示的主要方式是項(xiàng)目KeilC51和Proteus聯(lián)合仿真以及便攜式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（IDE），Keil提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理以及強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等。Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助軟件工具（EDA），能夠完成原理圖布圖、系統(tǒng)代碼調(diào)試以及單片機(jī)的外圍電路協(xié)同仿真。依靠Keil C51和Proteus可以完成單片機(jī)系統(tǒng)的程序編寫(xiě)、電路布置以及協(xié)同仿真，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的快速開(kāi)發(fā)和調(diào)試。便攜式實(shí)驗(yàn)是依據(jù)課程安排定制的STC89C52單片機(jī)及外圍電路開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)板，包含了涵蓋教學(xué)任務(wù)中所有章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。該部分占教學(xué)時(shí)間的30%。

課下課程項(xiàng)目以學(xué)生為主體，以完成項(xiàng)目作業(yè)為方法進(jìn)行考核，進(jìn)行理論知識(shí)點(diǎn)的考察。主要的方式是：學(xué)生完成布置項(xiàng)目或以小組形式完成一個(gè)自選項(xiàng)目，項(xiàng)目包含該章（節(jié)）重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)和大部分理論知識(shí)，學(xué)生完成的自選項(xiàng)目要求列舉理論應(yīng)用清單。

開(kāi)放性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)學(xué)校機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室中的單片機(jī)實(shí)踐模塊，進(jìn)行設(shè)計(jì)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)板驗(yàn)證，該部分考察了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力。同時(shí)，將仿真過(guò)程移植到實(shí)體開(kāi)發(fā)板中，對(duì)學(xué)生掌握的理論知識(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證和鞏固。

反饋補(bǔ)充主要是采集之前教學(xué)、項(xiàng)目作業(yè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分學(xué)生的缺點(diǎn)、錯(cuò)誤，以課堂反饋教學(xué)的形式完成對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鞏固和提升。該部分占教學(xué)時(shí)間10%。2 項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐

本節(jié)以《單片機(jī)原理及應(yīng)用》中的串行工作方式1及其應(yīng)用一節(jié)為教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。該教學(xué)計(jì)劃為1課時(shí)，小節(jié)包含的知識(shí)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

大綱要求掌握的知識(shí)點(diǎn)有以下方面：（1）通信時(shí)間和波特率的理解；（2）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)端口；（3）數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；（4）寄存器配置；（5）邏輯過(guò)程的理解。學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解以指標(biāo)吸收率s作為評(píng)價(jià)指數(shù)，s表示學(xué)生能夠清楚解釋并示例應(yīng)用的知識(shí)點(diǎn)個(gè)數(shù)和大綱本節(jié)要求的知識(shí)點(diǎn)總數(shù)的比例，。2.1 課堂理論教學(xué)

按照通信時(shí)鐘計(jì)算——相關(guān)寄存器功能及配置——中斷功能——發(fā)送/接收邏輯單元——通信邏輯講解本節(jié)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生有較為全面的感性認(rèn)知。課堂時(shí)間為20分鐘。2.2 課堂項(xiàng)目演示

以雙機(jī)通信作為本次項(xiàng)目演示，甲機(jī)向乙機(jī)發(fā)送數(shù)字0-F，在數(shù)碼管上顯示發(fā)送數(shù)據(jù)，乙機(jī)顯示收到數(shù)據(jù)并向甲機(jī)返回收到的數(shù)據(jù)，項(xiàng)目演示使用Proteus創(chuàng)建仿真單片機(jī)及外圍電路，使用Keil編寫(xiě)C51程序編譯，得到Hex文件與Proteus聯(lián)合仿真。Proteus仿真如圖3所示。

通過(guò)該項(xiàng)目進(jìn)一步講解串口通信中串行工作方式1的原理及其應(yīng)用，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與小項(xiàng)目實(shí)施的細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)，理解理論應(yīng)用過(guò)程。該部分用時(shí)20分鐘。2.3 課下課程項(xiàng)目

教師布置課下課程項(xiàng)目為雙機(jī)通信在字符傳輸中的應(yīng)用，甲機(jī)向乙機(jī)發(fā)送英文字符密碼，與乙機(jī)中存儲(chǔ)字符串如果一致，則甲機(jī)數(shù)碼管顯示字符‘P表示驗(yàn)證正確，端口控制繼電器通路，用于模擬電子鎖中的密碼驗(yàn)證。該項(xiàng)目涵蓋了本節(jié)學(xué)習(xí)的所有知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)基于的現(xiàn)實(shí)意義，有一定的實(shí)踐應(yīng)用方向。要求學(xué)生使用Keil+Proteus聯(lián)合仿真，如圖4所示。2.4 開(kāi)放性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生能夠在開(kāi)發(fā)板上搭建電路并編寫(xiě)程序進(jìn)行驗(yàn)證，部分學(xué)生在完成本節(jié)學(xué)習(xí)后在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)板上作了單片機(jī)與PC端串口通信實(shí)驗(yàn)，通過(guò)PC端輸入控制字符，控制開(kāi)發(fā)板相應(yīng)端口，開(kāi)發(fā)板回顯控制指令。達(dá)到了學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練2.5 反饋補(bǔ)充

根據(jù)課堂作業(yè)掌握情況以及課下項(xiàng)目作業(yè)的反饋情況，對(duì)存在的問(wèn)題、理解錯(cuò)誤的概念、模棱兩可的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行清理和補(bǔ)充。如表1 所示。2.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)下的教學(xué)成果

以指標(biāo)吸收率s作為成果評(píng)價(jià)評(píng)估各個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)成果，隨機(jī)抽取20名學(xué)生作為樣本進(jìn)行大綱要求知識(shí)點(diǎn)考核，分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)下學(xué)生吸收率達(dá)70%以上的人數(shù)，用以顯示各環(huán)節(jié)教學(xué)后學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。結(jié)果如圖5所示，顯示在課程項(xiàng)目后，特別是課下課程項(xiàng)目之后，吸收率良好的學(xué)生人數(shù)增加幅度較大。另外，完成小組自選項(xiàng)目的學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的吸收和應(yīng)用也明顯高于其他學(xué)生。3 結(jié)束語(yǔ)

區(qū)別于傳統(tǒng)的理論講解和實(shí)驗(yàn)課結(jié)合的方式，文章引入面向項(xiàng)目應(yīng)用的教學(xué)方法，在《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程學(xué)習(xí)中引入針對(duì)本課程的項(xiàng)目應(yīng)用以及針對(duì)課程每個(gè)章節(jié)的小應(yīng)用項(xiàng)目，將課程教學(xué)分成5個(gè)部分，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)聯(lián)合仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，在完成項(xiàng)目實(shí)踐中完善對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，將主動(dòng)性回歸學(xué)生，并提升課程的趣味性，在此過(guò)程中提高學(xué)生的動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力。最終的教學(xué)調(diào)研顯示，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法對(duì)學(xué)生吸收理論知識(shí)、保持良好的學(xué)習(xí)動(dòng)力、提高學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力有較好的效果。參考文獻(xiàn)：[1]劉玉叢.單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用課程實(shí)踐化教學(xué)改革的探索[J].電子世界，2018（03）：97.[2]李敏，汪鑫等.基于應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)的單片機(jī)課程教學(xué)改革[J].課程教育研究，2018（15）：21-22.[3]丁小一，呂菲等.基于工作過(guò)程導(dǎo)向的“單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2018（09）：88-89.六盤(pán)水師范學(xué)院機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目（LPSSYzyzhggsd201802）作者簡(jiǎn)介：車(chē)守全（1992-），男，貴州納雍人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)械裝備自動(dòng)化和信息化。