單片機(jī)教學(xué)研究與實(shí)踐
——基于任務(wù)驅(qū)動和Proteus仿真

李 芳

（遼寧石油化工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

單片機(jī)是自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，既有一定的理論性，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性。任務(wù)驅(qū)動是實(shí)施探究式教學(xué)和協(xié)作學(xué)習(xí)的一種教學(xué)模式，其特點(diǎn)是“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”。教師通過對課程內(nèi)容整合提出具體任務(wù)，學(xué)生通過完成任務(wù)來掌握教學(xué)內(nèi)容，在思考問題、解決問題的動態(tài)過程中有機(jī)地進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)，也完成了對所要求知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，掌握了相應(yīng)的技能。因此，在單片機(jī)課程教學(xué)中，實(shí)施任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式，有利于真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立意識和協(xié)作精神。

一、單片機(jī)課程教學(xué)的現(xiàn)狀

目前，本門課程在教學(xué)中存在一些問題，主要表現(xiàn)在：一是教學(xué)方法與教學(xué)目標(biāo)不適應(yīng)。單片機(jī)作為大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，執(zhí)行過程看不到摸不著；課程新概念多，內(nèi)容抽象，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，因此應(yīng)用傳統(tǒng)的教學(xué)方法教師很難講得生動，學(xué)生對單片機(jī)知識的了解僅僅是通過教師的語言來實(shí)現(xiàn)。如果以教師講授為主，那么單片機(jī)產(chǎn)品本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，尤其是它在控制領(lǐng)域強(qiáng)大的功能均無法體現(xiàn)出來。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對單片機(jī)沒有任何感性的認(rèn)識，對于相關(guān)概念無法產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)物映像，對給定要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更是感覺無從下手，往往都是“紙上談兵”，因此學(xué)生理解起來全憑想象或者理所當(dāng)然，一些學(xué)生即使設(shè)計(jì)出來系統(tǒng)，也不知道是否正確，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)起來感覺枯燥乏味，這些嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。二是知識點(diǎn)多且各知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)相對獨(dú)立。在單片機(jī)課程的教學(xué)順序基本上都是單片機(jī)的基本概念、硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、中斷定時(shí)系統(tǒng)、串行口、A/D 和D/A 接口和人機(jī)接口，各個(gè)章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)相對獨(dú)立，學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)束后仍然不了解單片機(jī)開發(fā)的完整過程，以及各部分之間千絲萬縷的聯(lián)系。三是學(xué)生缺少動手機(jī)會，理論和實(shí)踐脫節(jié)，缺少感性認(rèn)識。單片機(jī)課程有一定的理論性，但實(shí)踐性很強(qiáng)，很顯然，僅僅依靠幾個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課無法做到讓學(xué)生完全理解相關(guān)知識，同時(shí)更無法滿足學(xué)生在課前自學(xué)、課上學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)中的學(xué)習(xí)需求。

二、單片機(jī)課程教學(xué)改革研究的思路與策略

為了提高教學(xué)效果，解決當(dāng)前學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)中遇到的實(shí)際問題，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生對新知識新技能的自主學(xué)習(xí)能力、分析問題能力和實(shí)際操作能力，課題組對課程教學(xué)模式進(jìn)行如下改革。

（一）改變教學(xué)方法，突出“學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式

單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容多，課程實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)，各個(gè)章節(jié)、各知識點(diǎn)之間聯(lián)系緊密，互相交叉。從硬件結(jié)構(gòu)介紹到指令系統(tǒng)、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口、總線等，每一部分都自成一章，知識分散，這使學(xué)生往往學(xué)了這章到下一章時(shí)就不會用了，特別是在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生對整個(gè)系統(tǒng)沒有概念，沒有思路，無從下手。傳統(tǒng)的教學(xué)方式使學(xué)生看不到摸不著，即使系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確的，對初學(xué)者而言，也不敢肯定自己，這也導(dǎo)致了學(xué)生沒有學(xué)習(xí)興趣，達(dá)不到教學(xué)目標(biāo)。

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式包括四個(gè)階段：提出任務(wù)、分析任務(wù)、完成任務(wù)、評價(jià)任務(wù)。教師把教學(xué)內(nèi)容隱含在每個(gè)任務(wù)之中。學(xué)生是完成任務(wù)的主體，教師起到組織、引導(dǎo)、答疑解惑、管理的作用。教師提出每個(gè)任務(wù)的設(shè)計(jì)要求，學(xué)生根據(jù)任務(wù)中的具體要求自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識，對每個(gè)任務(wù)提出自己的解決方法。每組學(xué)生都要討論、對比方案，選出最佳方案，并對最佳方案進(jìn)行仿真調(diào)試等。在任務(wù)實(shí)施的整個(gè)過程中，學(xué)生自主地探索學(xué)習(xí)，獲取知識，應(yīng)用知識，這樣的教學(xué)流程可以有效開發(fā)學(xué)生的智力，使學(xué)生充分發(fā)揮想象力，大膽提出自己的想法，培養(yǎng)了學(xué)生的主觀能動性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

采取任務(wù)驅(qū)動模式，教師在講授過程中，以“任務(wù)”為主線，采用學(xué)生自學(xué)、講解與教師講授相結(jié)合、課上提問和小組討論相結(jié)合、課堂教學(xué)和課下實(shí)踐相結(jié)合，通過課堂講授、討論以及任務(wù)訓(xùn)練，實(shí)行啟發(fā)式、參與式教學(xué)。學(xué)生為了完成具體任務(wù)，會主動根據(jù)實(shí)際問題查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，然后應(yīng)用Proteus 軟件仿真或者應(yīng)用開發(fā)板調(diào)試，對課程內(nèi)容從工程的方面進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，將知識在系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，這加深了學(xué)生對知識的掌握，同時(shí)也將各部分知識融會貫通，有利于學(xué)生對知識的深刻領(lǐng)會和綜合應(yīng)用能力的提高。

（二）設(shè)計(jì)任務(wù)

根據(jù)單片機(jī)課程的內(nèi)容，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，既要保證知識的完整，也要使學(xué)生在完成任務(wù)的過程中能夠有成就感，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。依據(jù)項(xiàng)目模塊中的任務(wù)體系結(jié)構(gòu)，將課程分為多個(gè)模塊，每一模塊由多個(gè)任務(wù)組成，將知識點(diǎn)分布在這些任務(wù)中。任務(wù)的設(shè)置從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，充分考慮學(xué)生的現(xiàn)有知識和技能，注意知識的前后聯(lián)系，設(shè)計(jì)出難度適中、規(guī)模適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)。通過完成任務(wù)，學(xué)生掌握了相關(guān)知識、學(xué)到技能，同時(shí)產(chǎn)生了成功的喜悅，從而始終保持旺盛的學(xué)習(xí)興趣。

將本課程分成流水燈的設(shè)計(jì)、秒表的設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、按鍵顯示電路的設(shè)計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)、數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)、低頻信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)、音樂播放器的設(shè)計(jì)等9 個(gè)項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目包括多個(gè)任務(wù)，例如流水燈的設(shè)計(jì)中就包括開關(guān)檢測、點(diǎn)亮第一只彩燈、流水燈循環(huán)點(diǎn)亮、開關(guān)控制的流水燈等多個(gè)任務(wù)，任務(wù)難度由淺入深。

入門階段，學(xué)生可選擇比較簡單的任務(wù)，教師確定任務(wù)的目的，以視頻及文字的方式給出任務(wù)的詳細(xì)描述，同時(shí)對任務(wù)涉及的相關(guān)知識給出講義中的位置，使學(xué)生能較快地熟悉單片機(jī)的相關(guān)知識。初始階段學(xué)生對Proteus軟件還不夠熟悉，所以在進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)時(shí)，教師可給出電路設(shè)計(jì)所用到的元器件。這樣的外圍電路的設(shè)計(jì)較簡單，容易理解，使學(xué)生能夠把精力集中在單片機(jī)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)上。

隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生對單片機(jī)的理解也逐漸深入，對仿真軟件的使用開始得心應(yīng)手，此時(shí)學(xué)生可以根據(jù)要求完成相關(guān)任務(wù)，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)。學(xué)生完成任務(wù)之后可以根據(jù)自己的興趣或問題進(jìn)行改寫，再完成一些其他的擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)。延展性的任務(wù)適合不同層次的學(xué)生，可以提高學(xué)生分析問題和獨(dú)立思考的能力，而復(fù)雜的任務(wù)由多個(gè)學(xué)生一起完成，可以提高學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。例如，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，教師只給出任務(wù)目的和簡單的任務(wù)功能描述，學(xué)生自己選擇通信的波特率和通信方式以及外圍電路，完成通信系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件流程圖的設(shè)計(jì)、軟件程序的編寫以及系統(tǒng)的調(diào)試，同時(shí)學(xué)會撰寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文檔。另外，學(xué)生也可以根據(jù)教師給出的任務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

（三）加入仿真軟件Proteus

單片機(jī)課程有一定的理論性，但實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)習(xí)本課程可以使學(xué)生具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用能力和形象思維能力?，F(xiàn)在課程中遇到的一個(gè)主要問題就是理論和實(shí)踐相脫節(jié)，雖然課程中有一定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，但是不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，可以利用仿真軟件彌補(bǔ)硬件條件的不足，提高學(xué)生的感性認(rèn)識和分析問題、解決問題的能力。

Proteus 軟件支持8051 單片機(jī)內(nèi)核，能夠完成原理圖的繪制、仿真單片機(jī)及外圍器件代碼調(diào)試等功能，同時(shí)也支持Keil 編譯器，這為仿真軟件引入課堂提供了可行方案。因此，可將先進(jìn)的單片機(jī)仿真軟件Proteus引入課堂，清晰呈現(xiàn)硬件電路的繪制、軟件程序的設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試運(yùn)行等，使學(xué)生對看不見摸不著的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)、程序運(yùn)行的流程、系統(tǒng)調(diào)試等重點(diǎn)和難點(diǎn)有了感性的認(rèn)識，同時(shí)學(xué)生也能按照自己想法去設(shè)計(jì)硬件電路和軟件程序并仿真調(diào)試運(yùn)行，這些內(nèi)容的完成無須限制在實(shí)驗(yàn)室里。

（四）任務(wù)實(shí)施方案

入門階段，教師將所有任務(wù)中都涉及的共性基礎(chǔ)知識制作成簡單的文檔，發(fā)送給學(xué)生，給學(xué)生確立一個(gè)學(xué)習(xí)的目標(biāo)。教師對主要知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，讓學(xué)生進(jìn)行歸納總結(jié)。在學(xué)習(xí)過程中，教師將難度適宜的任務(wù)穿插在教學(xué)中，詳細(xì)講解，但是此時(shí)的任務(wù)不宜太復(fù)雜，簡單易懂、理解夠用即可。擴(kuò)展時(shí)，要求學(xué)生對課上的案例進(jìn)行修改，以形成自己的案例。通過完成任務(wù)，學(xué)生能根據(jù)任務(wù)要求選擇芯片并進(jìn)行簡單的電路設(shè)計(jì)。

隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，任務(wù)的完成人由教師轉(zhuǎn)換為學(xué)生，實(shí)現(xiàn)了“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”。在每個(gè)任務(wù)實(shí)施初期，教師指出任務(wù)中涉及的相關(guān)知識，學(xué)生對相關(guān)知識進(jìn)行自學(xué)，并對任務(wù)進(jìn)行簡單的了解，根據(jù)任務(wù)要求選擇芯片并進(jìn)行簡單的電路設(shè)計(jì)；課上學(xué)生講解，師生共同討論，學(xué)生構(gòu)建完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，編寫對應(yīng)的程序，完成系統(tǒng)調(diào)試和故障的分析、查找和排除等。這樣的教學(xué)使學(xué)生既熟悉單片機(jī)基本知識，又提高了分析問題和解決問題的能力，同時(shí)通過完成每一個(gè)任務(wù)有了成就感和自信心，對課程產(chǎn)生了濃厚的興趣，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)意識。

三、教學(xué)效果

（一）提升教學(xué)質(zhì)量

采用任務(wù)驅(qū)動模式的教學(xué)法后，課堂氛圍明顯活躍了，學(xué)生在遇到問題時(shí)也能夠主動和同學(xué)討論或者向老師請教，班級學(xué)習(xí)氛圍明顯改善，圖1為自動化專業(yè)本課程近幾年的總成績，2019 年和2020 年為實(shí)施教學(xué)改革后的成績。改革后不及格率有了明顯的下降，良好和中等成績的學(xué)生比率有了明顯的上升。有部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不滿足于仿真，自己組裝了一個(gè)單片機(jī)開發(fā)板，開始著手調(diào)試元器件，做簡單的單片機(jī)系統(tǒng)，這不但提高了學(xué)生的動手能力，而且因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)過程中需要不斷地學(xué)習(xí)單片機(jī)相關(guān)知識，還提升了學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，讓學(xué)生講解任務(wù)提高了學(xué)生的語言表達(dá)能力、邏輯思維能力。每位學(xué)生都工作在一個(gè)小組中，通過分工合作，提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

圖1 2015—2020年學(xué)生成績對比圖

（二）對畢業(yè)設(shè)計(jì)的影響

隨著本課程改革的實(shí)施，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題等方面有了明顯的變化，以往進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)選題時(shí)，大部分學(xué)生對單片機(jī)方向的課題不感興趣，即使單片機(jī)課程學(xué)習(xí)比較好的學(xué)生信心也不足，從來沒有自己設(shè)計(jì)過一個(gè)完整的系統(tǒng)，所以不知道自己能做什么、該怎么做。以往，學(xué)生中僅有約20%選擇單片機(jī)應(yīng)用方向的課題，而今年單片機(jī)應(yīng)用方向的課題占將近50%?？梢?，本課程在進(jìn)行教學(xué)改革后，學(xué)生對單片機(jī)相關(guān)知識產(chǎn)生了濃厚的興趣，愿意繼續(xù)探索單片機(jī)的應(yīng)用。

從畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容來看，以往畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生多數(shù)做的是理論探討，很少想到做單片機(jī)仿真方面的內(nèi)容，而現(xiàn)在學(xué)生能主動將自己的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，并撰寫仿真調(diào)試過程文檔。尤其是在畢業(yè)設(shè)計(jì)中有些芯片是課堂教學(xué)內(nèi)容中沒有的，學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)找到相關(guān)案例或者參考芯片生產(chǎn)廠商的相關(guān)建議，根據(jù)自己的需求完成設(shè)計(jì)。從畢業(yè)設(shè)計(jì)的繪圖以及實(shí)物完成等方面都能看出，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了單片機(jī)的相關(guān)知識，同時(shí)對繪圖軟件應(yīng)用得比較熟練，對單片機(jī)的學(xué)習(xí)熱情很高，不局限于軟件仿真，部分學(xué)生自己組裝開發(fā)板，完成系統(tǒng)的組裝和調(diào)試?？梢?，通過單片機(jī)的學(xué)習(xí)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動手能力、實(shí)踐能力、分析問題、解決問題的能力都有了顯著的提升。

四、結(jié)論

基于任務(wù)驅(qū)動和Proteus 仿真的單片機(jī)課程教學(xué)模式明顯增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力，教學(xué)效果有了明顯改善。學(xué)生能夠?qū)⒗碚摵蛯?shí)踐相結(jié)合，提高了自己的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力。小組模式提升了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。實(shí)踐表明，這種多元化的教學(xué)方法在單片機(jī)課程中反映良好，取得了可喜的教學(xué)效果。