基于項目驅(qū)動的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)實踐

江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 王照偉 王 博 陳 前

本文針對《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程實踐性強(qiáng)、知識點多但邏輯關(guān)聯(lián)性弱、過于抽象等特點，立足于自動化專業(yè)創(chuàng)新型、實踐型、知識型復(fù)合人才培養(yǎng)目標(biāo)，基于項目驅(qū)動理念，重新構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容，將理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化教學(xué)過程，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式重理論輕實踐、理論與實踐結(jié)合不夠緊密的問題。教學(xué)實踐結(jié)果表明，學(xué)生應(yīng)用性和創(chuàng)新性能力得到顯著提高，專業(yè)知識體系得到了完善。

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程是自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，是理論基礎(chǔ)課程走向工程實踐應(yīng)用的橋梁，在自動化專業(yè)課程教學(xué)中起著重要的銜接作用。課程內(nèi)容包括單片機(jī)工作原理、硬件結(jié)構(gòu)、外圍接口、匯編/C51語言程序設(shè)計、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等，涉及數(shù)字電路、模擬電路、微機(jī)原理、C語言編程等先修課程，呈現(xiàn)出知識點多、分散、關(guān)聯(lián)性弱等特點。傳統(tǒng)教學(xué)過程中，多采用專業(yè)理論知識講授先行、課程設(shè)計實踐集中教學(xué)后之的方式。但因?qū)W生缺乏實際的開發(fā)經(jīng)驗和應(yīng)用背景，對于抽象的單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理、枯燥的程序語言，往往隨著課程的推進(jìn)，其學(xué)習(xí)興趣逐漸喪失。加之課時壓縮、學(xué)生課后學(xué)習(xí)主動性不足、課程前后知識點邏輯性差等，學(xué)生學(xué)習(xí)效果并不好。雖然通過集中復(fù)習(xí)，學(xué)生也可通過課程終結(jié)性考核，但在后續(xù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)的知識點擴(kuò)展應(yīng)用時，就會暴漏出對于關(guān)鍵知識點掌握嚴(yán)重不足的問題。

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》的課程目標(biāo)是使學(xué)生在理解單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事控制工程的計算機(jī)檢測與控制、智能儀表、運(yùn)動控制等相關(guān)工作奠定理論與實踐基礎(chǔ)。傳統(tǒng)教學(xué)方式側(cè)重于以教師為主導(dǎo)的單片機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識的講授，缺乏學(xué)生參與的主觀性引領(lǐng)教學(xué)，課程實踐與理論教學(xué)銜接關(guān)系薄弱，造成學(xué)生在課程結(jié)束后獲得的能力不能有效達(dá)到既定教學(xué)目標(biāo)。針對《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的特點，我們立足于課程目標(biāo)達(dá)成，結(jié)合新時代單片機(jī)應(yīng)用實例，基于項目驅(qū)動重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容，寓教于學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和解決實際控制問題的能力。

1 項目驅(qū)動教學(xué)理念分析

傳統(tǒng)側(cè)重于理論教學(xué)、以教師引導(dǎo)為主的講授過程，立足于選定教材，通過PPT、板書等形式講解理論知識，按照教材章節(jié)安排順序講授單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計、外圍接口芯片擴(kuò)展、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等知識。但過于抽象的概念、知識體系的邏輯性差、脫離課程實踐的關(guān)聯(lián)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大、聽課過程枯燥，進(jìn)一步造成其無法深入理解相關(guān)知識點。

項目驅(qū)動教學(xué)方法通過設(shè)計完整的學(xué)習(xí)情境，將理論與實踐互聯(lián)，重新構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容，通過實際的應(yīng)用范例將知識點嵌入到項目功能實現(xiàn)中。課程知識不再是空中樓閣，而是可看、可觸、可控。教師通過設(shè)置問題“What”、“Why”、“How”，引導(dǎo)學(xué)生層層推進(jìn)知識的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將教師的被動講授變?yōu)閷W(xué)生的主動學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不再是漫無目的學(xué)習(xí)，而是帶著實踐任務(wù)去學(xué)習(xí)，提高了解決實際工程問題的能力。

2 課程教學(xué)目標(biāo)

江蘇大學(xué)自動化專業(yè)旨在培養(yǎng)專業(yè)知識扎實、富有創(chuàng)新能力、具有國際視野的復(fù)合型人才。具體到《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程，則期望通過該課程的深入學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，使學(xué)生具備精益求精的大國工匠精神和百折不撓的抗挫能力。

此外，要求掌握單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，包括I/O口、定時器/計數(shù)器、串行接口、中斷系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)等工作原理和應(yīng)用方法；掌握單片機(jī)的程序設(shè)計方法，涉及存儲器擴(kuò)展、并行接口的擴(kuò)展、A/D接口、D/A接口等設(shè)計和編程方法；掌握單片機(jī)鍵盤接口、LED顯示器接口、LCD接口等工作原理和編程方法，如圖1所示。

圖1 《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程目標(biāo)及知識結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步掌握基本的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計過程和技巧，以及基本方法和常用接口的使用方法；能夠針對自動控制系統(tǒng)的特定需求，分析關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)的作用，開發(fā)、設(shè)計硬件系統(tǒng)和軟件程序。達(dá)到能夠使用單片機(jī)的相關(guān)知識對目標(biāo)系統(tǒng)方案進(jìn)行分析、判斷和評價的能力。同時具備自主拓展學(xué)習(xí)、可創(chuàng)造性解決工程實踐問題的能力。

課程目標(biāo)明確要求教師在教學(xué)過程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的實際工程應(yīng)用能力，寓用于教、寓教于樂，加強(qiáng)學(xué)生對單片機(jī)軟、硬件結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的掌握和認(rèn)識，夯實進(jìn)一步學(xué)習(xí)ARM嵌入式系統(tǒng)、人工智能、過程控制等相關(guān)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。

3 項目驅(qū)動教學(xué)實踐

如圖1所示，項目驅(qū)動教學(xué)方法著力于培養(yǎng)學(xué)生軟硬件設(shè)計、關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)分析與設(shè)計的自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計開發(fā)能力。在實踐教學(xué)中，課程團(tuán)隊從實際案例出發(fā)，采用自頂向下的步驟，重新組織教學(xué)內(nèi)容。課程以嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程為起點，從具體的硬件功能設(shè)計到抽象的軟件系統(tǒng)分析，將實踐與理論充分融合，緊扣培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的目標(biāo)，具體實施過程如下。

3.1 項目引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

課程開始，通過項目案例，分析具體的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程，包括明確系統(tǒng)任務(wù)需求；設(shè)計硬件電路，以及元器件選擇；基于硬件基礎(chǔ)和應(yīng)用需求編寫軟件控制系統(tǒng)；軟硬件調(diào)試，完成功能設(shè)計。

以“履帶式機(jī)器人循跡控制”為例，向?qū)W生講授完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)所涉及到的單片機(jī)相關(guān)知識，包括“What（單片機(jī)是什么？）”，奠定學(xué)生的單片機(jī)概念，與微機(jī)原理課程做出有效區(qū)分，避免學(xué)生對二者產(chǎn)生混亂；“Why（為什么學(xué)習(xí)單片機(jī)？）”，從就業(yè)、高端電子技術(shù)的學(xué)習(xí)等角度引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入理解課程學(xué)習(xí)目標(biāo)；“How(怎么學(xué)習(xí)單片機(jī)？)”，涉及硬件電路設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、集成開發(fā)環(huán)境使用等知識點，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程知識奠定初步基礎(chǔ)。

3.2 需求牽引，模塊化硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

以“循跡控制”為例，其硬件結(jié)構(gòu)組成主要包括單片機(jī)控制板、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等，功能實現(xiàn)流程為：由傳感器模塊智能探測路線，并向單片機(jī)控制板輸出感知信號；單片機(jī)控制版基于收到的感知信息，向電機(jī)驅(qū)動模塊輸出命令，從而控制履帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和方向，實現(xiàn)機(jī)器人智能循跡。在此過程中，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，并熟練使用相關(guān)模塊。

單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)要與芯片內(nèi)部實際的物理結(jié)構(gòu)和布局區(qū)分開，從應(yīng)用角度展開進(jìn)行講授，引導(dǎo)學(xué)生通過開發(fā)者的視角來學(xué)習(xí)。同時，單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)則應(yīng)從外到內(nèi)逐步展開，其外圍引腳可分為電源、時鐘、控制和I/O等四大類，其分類可用于學(xué)習(xí)其他同類型芯片的引腳。通過引腳的學(xué)習(xí)，近一步延伸到單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括：用于存儲數(shù)據(jù)、指令的程序/數(shù)據(jù)存儲器；與外圍芯片連接的I/O口；串行通信口；定時/計數(shù)器；中斷系統(tǒng)等。需要注意，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍引腳互聯(lián)互通，二者之間的學(xué)習(xí)需要緊密聯(lián)系起來。

3.3 強(qiáng)化功能，擴(kuò)展硬件接口

在“履帶機(jī)器人循跡控制”項目開發(fā)中，單片機(jī)開發(fā)板需要提供傳感器接口、舵機(jī)接口。此外，為了豐富其功能，還提供了藍(lán)牙接口、紅外接口、按鍵接口、手柄接口等。以51單片機(jī)為例，其提供了32根I/O引腳線，其中P0口和P2口一般多作為地址線和數(shù)據(jù)線，P3口為控制線，可用于外圍硬件使用的只有P1口。因此，基于單片機(jī)構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)往往不能滿足實際的應(yīng)用需求，在實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要擴(kuò)展單片機(jī)硬件接口。

布置硬件接口擴(kuò)展任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生對比學(xué)習(xí)單片機(jī)硬件接口的擴(kuò)展，其中需要擴(kuò)展的硬件包括程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、數(shù)/模和模/數(shù)（D/A和A/D）轉(zhuǎn)換、并行接口、鍵盤、LED/LCD顯示器等接口芯片。在外圍芯片擴(kuò)展時，通過三總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)外圍芯片與單片機(jī)芯片的互聯(lián)，其中P0口和P2口構(gòu)成地址總線，P0口復(fù)用為數(shù)據(jù)總線，P3口復(fù)用控制線和單片機(jī)獨(dú)立控制線一起構(gòu)成控制總線。

3.4 軟件支撐，驅(qū)動硬件功能

運(yùn)行于單片機(jī)硬件平臺上的軟件系統(tǒng)，是硬件功能的支撐，提供了系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)以及單片機(jī)與外部設(shè)備通信的功能。軟件與硬件相輔相成，共同構(gòu)成完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。軟件編程流程包括分析問題明確功能需求、確定算法并繪制程序流程圖、編制源程序、程序調(diào)試。在“智能循跡”控制中，需要首先明確檢測以及控制邏輯算法，在此基礎(chǔ)上基于Keil開發(fā)工具編寫源程序。

在授課過程中需要重點提醒學(xué)生，程序的編寫離不開硬件的支持。硬件平臺變化，程序設(shè)計也要做出相應(yīng)調(diào)整。而一段完整的程序由一條條指令組成，指令的執(zhí)行包括取指令、指令譯碼、取數(shù)據(jù)執(zhí)行、存結(jié)果。其中，如何存儲、查找數(shù)據(jù)是指令執(zhí)行的關(guān)鍵，因此，需要重點講解指令和數(shù)據(jù)的存儲，即尋址方式。同時根據(jù)功能需求，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計順序程序、分支程序、循環(huán)程序或子程序。而程序的編寫離不開編程語言的支持，常用的編程語言有匯編語言和C51語言。

3.5 啟發(fā)教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力

最后，鑒于學(xué)生已完成課程理論學(xué)習(xí)和初步實踐項目開發(fā)，利用“履帶機(jī)器人”開發(fā)平臺提供的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)及外圍功能擴(kuò)展模塊，設(shè)置多個綜合能力提升課題。將課堂延伸至課下，其目的在于提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)、團(tuán)隊合作、創(chuàng)新實踐等能力。

首先，通過網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)的技術(shù)資料，讓學(xué)生提前自主學(xué)習(xí)，鍛煉其資料查閱能力。在課堂上，學(xué)生3人一組自由組隊，自行討論設(shè)計課題方案。教師需關(guān)注每組方案設(shè)計的進(jìn)展與正確性，進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。其次，學(xué)生根據(jù)方案思路，設(shè)計硬件和軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)功能調(diào)試。最后，學(xué)生進(jìn)行小組答辯和功能展示。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)新性思維，方案設(shè)計不拘一格，不限于已學(xué)習(xí)的知識。學(xué)生則利用網(wǎng)絡(luò)、課堂、MOOC等多種途徑查詢資料，完成方案設(shè)計和功能演示。

本課程通過采用項目驅(qū)動教學(xué)理念，使得《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)內(nèi)容與項目案例有機(jī)結(jié)合，課程內(nèi)容各知識模塊的層次和邏輯更加清晰，變抽象的知識學(xué)習(xí)為具體的實例教學(xué)，進(jìn)一步加深了學(xué)生對理論知識的理解。同時，動態(tài)交互式教學(xué)模式提高了學(xué)生的參與度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。從課后調(diào)研情況看，學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力得到了顯著提高，對于知識的掌握和理解也有了明顯提升。