基于Proteus的單片機(jī)課程項(xiàng)目化教學(xué)研究與實(shí)踐

周強(qiáng)+蔣慧敏+李媛+劉楓

摘 要 單片機(jī)課程是電類專業(yè)的主干課程。本文介紹了在單片機(jī)課程中利用Proteus軟件開展項(xiàng)目化教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，著重從項(xiàng)目的確定、實(shí)施及最后評(píng)價(jià)三方面入手展開研究。實(shí)踐表明：電子類學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程學(xué)習(xí)滿意度提高，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 Proteus 單片機(jī) 項(xiàng)目化教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

2005年11月，《國務(wù)院關(guān)于大力發(fā)展職業(yè)教育的決定》要求高水平的培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才，拉開我國新時(shí)期高校教育人才培養(yǎng)模式改革的序幕。2014年6月，《國務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的決定》明確要求引導(dǎo)一批普通本科高等學(xué)校向應(yīng)用技術(shù)類型高等學(xué)校轉(zhuǎn)型，以就業(yè)為目標(biāo)，整合教育資源，改進(jìn)教學(xué)方式?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家教育事業(yè)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃》也明確指出地方高校教育改革的重點(diǎn)方向是“加快培養(yǎng)重點(diǎn)領(lǐng)域緊缺人才，優(yōu)化學(xué)科，辦出特色，服務(wù)地方”，高等教育轉(zhuǎn)型對(duì)于部分地方高校來說已是辦學(xué)的大勢(shì)所趨。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，諸如“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”“工業(yè)4.0”等名稱不斷涌現(xiàn)，企業(yè)對(duì)高素質(zhì)的電子類專業(yè)人才越加渴望。他們往往希望畢業(yè)生在很短的時(shí)間內(nèi)能夠勝任工作崗位的要求甚至是直接參與企業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)，因此高校的人才培養(yǎng)模式也應(yīng)該適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。

1“單片機(jī)課程”開展項(xiàng)目化教學(xué)的意義

項(xiàng)目化教學(xué)法是“行為導(dǎo)向”教學(xué)法的一種，往往由“內(nèi)容”“活動(dòng)”“情景”“結(jié)果”四大要素組成。項(xiàng)目化教學(xué)在國內(nèi)外的教育中被廣泛采用，教師根據(jù)課程特點(diǎn)認(rèn)知規(guī)律制定任務(wù)以項(xiàng)目的形式交給學(xué)生，學(xué)生可以工作小組的方式，分工合作，共同完成整個(gè)項(xiàng)目。其實(shí)質(zhì)是與企業(yè)需求相結(jié)合的，是針對(duì)具體崗位的。在不斷的教學(xué)實(shí)踐中“基于工作過程”和“行動(dòng)導(dǎo)向”的教學(xué)思想在職業(yè)教育的理論和應(yīng)用中逐漸清晰，用一種指向工作世界的“能力”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能力理念。在項(xiàng)目化的教學(xué)中，教師扮演著引導(dǎo)和把控全局的角色，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐的過程中，逐步會(huì)養(yǎng)成團(tuán)隊(duì)合作精神、培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，同時(shí)也會(huì)激發(fā)學(xué)生的潛能和創(chuàng)造力。

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”作為工科院校電類專業(yè)的重要專業(yè)必修課，是一門硬件電路和軟件編譯有機(jī)結(jié)合，具有很強(qiáng)應(yīng)用性的課程，可以較全面、較系統(tǒng)地錘煉學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。但該課程對(duì)于初學(xué)者來說相對(duì)抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)方式只是為了加深單片機(jī)基本原理及接口電路等，驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)課讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不夠深入，這與企業(yè)的要求相差甚大。近年來，單片機(jī)技術(shù)飛速向前發(fā)展，集成度越來越高，種類十分紛雜，學(xué)校在教學(xué)的過程中儀器、設(shè)備等方面總體偏落后，迫切需要在教學(xué)的過程中引入仿真軟件等現(xiàn)代教育技術(shù)。目前單片機(jī)仿真技術(shù)的軟件主要采用Proteus，它是英國Lab Center Electronics公司出版著名的EDA工具，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)合的較為出色，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。對(duì)于單片機(jī)初學(xué)者，仿真軟件是一個(gè)可以加快認(rèn)知周期、提高學(xué)習(xí)效率的工具。

2項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)踐

2.1項(xiàng)目的確定

確定項(xiàng)目是“項(xiàng)目化教學(xué)”的基石。單片機(jī)課程主要包括單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、編程調(diào)試方法及其接口應(yīng)用等，項(xiàng)目選取要以單片機(jī)課程必須要掌握的知識(shí)點(diǎn)為主線，站在初學(xué)者的角度上分層次逐漸遞進(jìn)，精心設(shè)計(jì)和安排項(xiàng)目內(nèi)容，選擇的教學(xué)項(xiàng)目如圖1所示。項(xiàng)目構(gòu)架可以包括基本部分、發(fā)揮部分和強(qiáng)化訓(xùn)練部分等三個(gè)層次。項(xiàng)目的基本部分要容易實(shí)現(xiàn)，那樣可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和信心；而項(xiàng)目的發(fā)揮部分要以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)造力和成就感為目的，從而激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

與此同時(shí)，強(qiáng)化訓(xùn)練需要教師要積極調(diào)研相關(guān)企業(yè)，邀請(qǐng)企業(yè)專家進(jìn)行研討，分析崗位需求，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)并開展拓展技能的強(qiáng)化訓(xùn)練，可以深入理解理論知識(shí)，學(xué)會(huì)單片機(jī)開發(fā)的實(shí)踐知識(shí)。項(xiàng)目教學(xué)輔助資源的構(gòu)建是實(shí)施教學(xué)的重要平臺(tái)，項(xiàng)目化教學(xué)需要提供給學(xué)生大量的相關(guān)文獻(xiàn)，需要學(xué)生在自學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)問題，然后解決問題。傳統(tǒng)教學(xué)模式下的教學(xué)資源較為單一落后，僅僅是教材或者是參考書等，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足開展項(xiàng)目化教學(xué)的要求。因此，需要整合文字教學(xué)資源（教材、學(xué)習(xí)指導(dǎo)書及參考書等），參考各知名單片機(jī)開發(fā)網(wǎng)站資源（尤其是國內(nèi)外知名院校的視頻課），利用軟件教學(xué)資源（Keil、Proteus以及Protel 軟件）和硬件教學(xué)資源（實(shí)驗(yàn)箱、仿真器、單片機(jī)開發(fā)板等），構(gòu)建豐富的課程資源庫。充分運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)和手段，使學(xué)生能夠按照自己的需要，方便地實(shí)現(xiàn)不同教學(xué)資源的切換，為開展項(xiàng)目化教學(xué)提供資源保證。教師先明確本次項(xiàng)目的目標(biāo)和要求，并先學(xué)生一步實(shí)施并完成項(xiàng)目。那樣既能保證教師能全面了解本項(xiàng)目，最終的成果展示又能給學(xué)生直觀的感知，讓學(xué)生明確項(xiàng)目最終的目標(biāo)。

2.2項(xiàng)目的實(shí)施

下面以“PWM調(diào)光”為例說明項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施過程。要求學(xué)生利用Proteus仿真軟件，搭建規(guī)范的系統(tǒng)原理圖；編寫程序使電路正常運(yùn)行；完成PCB的設(shè)計(jì)；撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。

2.2.1項(xiàng)目的要求

PWM脈寬調(diào)制是利用微處理器AT89C51的數(shù)字輸出，來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效手段。通過調(diào)整單片機(jī)I/O口輸出波形的占空比，來模擬不同電壓下，LED燈的發(fā)光情況。

a.基本部分：系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)某一I/O口輸出低電平，同時(shí)數(shù)碼管顯示“00”。endprint

PWM信號(hào)在示波器上顯示的頻率為2KHz。

b.提高部分：按鍵S1可控制該I/O口輸出的矩形波占空比，每按下一次，輸出波形占空比增加5%，由數(shù)碼管顯示占空比數(shù)值（省略百分號(hào)），當(dāng)占空比增加到100%時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，若此時(shí)再按下S1， 該I/O口持續(xù)輸出高電平。按鍵S2每按下一次時(shí)，輸出波形占空比減少5%。數(shù)碼管顯示當(dāng)前占空比數(shù)值，當(dāng)輸出波形占空比減小到0時(shí)，若再按下S2鍵，該I/O口持續(xù)輸出低電平。

c.創(chuàng)新發(fā)揮部分：長按按鍵實(shí)現(xiàn)連續(xù)加或者減等功能。

2.2.2項(xiàng)目實(shí)施的步驟

a.設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件框圖和電路原理圖。所謂硬件框體，是指實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目的所有功能所需的硬件電路模塊，它是電路原理圖的單元電路。學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，通過查閱文獻(xiàn)等相關(guān)方式完成電路原理圖的繪制，完成單元電路的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，列出元器件清單，由教師最后確認(rèn)。這一步驟是項(xiàng)目化教學(xué)的第一步，也是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過原理圖的設(shè)計(jì)，既能夠檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)模電、數(shù)電、單片機(jī)技術(shù)及常用電子元器件的熟悉程度，又可以讓學(xué)生更加懂得注重對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，為他們將來走向工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

b.繪制程序流程圖及軟件編寫。程序流程圖是程序的骨架，是程序分析中最基本、最重要的分析技術(shù)，它是進(jìn)行程序流程分析過程中最基本的工具。因此在軟件編寫之前，要求學(xué)生運(yùn)用Word、Visio等軟件繪制程序流程，向教師闡述自己的編程思路，得到認(rèn)可后才可以進(jìn)入軟件編寫的環(huán)節(jié)。在軟件設(shè)計(jì)，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)模塊化設(shè)計(jì)的概念，即根據(jù)項(xiàng)目中軟件承擔(dān)的任務(wù)，結(jié)合硬件資源，掌握硬件中各I/O通道與外界的聯(lián)系、定時(shí)器、中斷等工作狀態(tài)?？蓪⑷蝿?wù)分解成諸如鍵盤掃描、數(shù)碼管顯示、延時(shí)函數(shù)、A/D、D/A、外部中斷、定時(shí)器及串口通信等幾個(gè)相對(duì)較為獨(dú)立的子任務(wù)，然后分配給項(xiàng)目組成員完成。

c.系統(tǒng)調(diào)試。把各成員的完成的子任務(wù)組合起來聯(lián)調(diào)，在調(diào)試的過程中，一來學(xué)生對(duì)示波器、信號(hào)源、邏輯分析儀等常用的電子儀器更加熟悉，二來學(xué)會(huì)通過觀察、比對(duì)、分析、討論增強(qiáng)他們的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。當(dāng)某小組出現(xiàn)大偏差或者久久不能解決問題的時(shí)候，教師不直接給出答案，而是引導(dǎo)學(xué)生朝某一方向繼續(xù)研究，自始自終讓學(xué)生處在主體地位。那樣反復(fù)的訓(xùn)練，一定會(huì)增加學(xué)生的耐心、自信心和創(chuàng)造力。

2.2.3完善評(píng)價(jià)體系

評(píng)價(jià)體系是評(píng)估總結(jié)是“項(xiàng)目化教學(xué)”的最后一環(huán)，也是重要的環(huán)節(jié)。學(xué)生要先進(jìn)行自我評(píng)估，以小組為單位，每個(gè)學(xué)生分別介紹項(xiàng)目實(shí)施過程中的具體任務(wù)、方法、遇到的問題及解決方案，使大家可以看到別人的解決方案中汲取營養(yǎng)。教師要總結(jié)學(xué)生遇到的各種各樣問題，講解自己遇到類似問題時(shí)的解決方法。最后，教師要總結(jié)比較各個(gè)小組的特點(diǎn)，引導(dǎo)他們是否可以繼續(xù)深入研究，鼓勵(lì)學(xué)生永無止境的科研精神。

在整個(gè)評(píng)估過程中，每一個(gè)項(xiàng)目都要有完善的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。按百分制，評(píng)價(jià)分為四個(gè)方面：功能實(shí)現(xiàn)（基本副本20分，提高部分25分，創(chuàng)新10分）、現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)及問答（15分）、撰寫項(xiàng)目報(bào)告（20分）及綜合表現(xiàn)（10分）。

3結(jié)束語

在單片機(jī)課程中開展基于仿真軟件的項(xiàng)目化教學(xué)，有效地提高電子類專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力，有效地推動(dòng)了高校教學(xué)改革和向應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型的發(fā)展。近年來，該門課程的學(xué)生滿意度都較高，提高了學(xué)生的自信心。同時(shí)，在國家級(jí)、省級(jí)各項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽諸如全國大學(xué)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國“恩智浦”杯智能汽車競(jìng)賽中成績逐年提升，學(xué)生在項(xiàng)目研究中能夠獨(dú)當(dāng)一面，獲得省、市級(jí)項(xiàng)目的項(xiàng)目數(shù)也節(jié)節(jié)攀升。

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