單片機(jī)課程項(xiàng)目式教學(xué)方法研究*

董云橋

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖南衡陽(yáng) 421001）

引言

單片機(jī)課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)課，主要講授單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及原理、匯編語(yǔ)言及程序設(shè)計(jì)、中斷與定時(shí)、系統(tǒng)擴(kuò)展、接口技術(shù)等知識(shí)。通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能夠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的自動(dòng)化或智能化系統(tǒng)。以南華大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為例，本專業(yè)學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握程度較高，但是對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力較差，解決復(fù)雜機(jī)電工程問(wèn)題的能力不足。通過(guò)近幾年單片機(jī)課程教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，作者認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的主要原因有：首先，機(jī)械專業(yè)學(xué)生對(duì)電路知識(shí)較為陌生，課程自主學(xué)習(xí)興趣不高；其次，教師授課過(guò)程偏重理論知識(shí)教學(xué)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)不夠；第三，課時(shí)量較少是學(xué)生缺乏實(shí)踐能力綜合訓(xùn)練的客觀原因。因此，本文提出了單片機(jī)課程項(xiàng)目式教學(xué)改革方案，通過(guò)對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)安排、考核評(píng)價(jià)體系進(jìn)行改革研究，設(shè)計(jì)4至6個(gè)工程項(xiàng)目案例，全面提高學(xué)生的創(chuàng)造能力和綜合實(shí)踐能力。

項(xiàng)目式教學(xué)不是一種新的教學(xué)理念，在很多課程中得到了應(yīng)用與實(shí)踐。邱旋等結(jié)合現(xiàn)有機(jī)器設(shè)備，在工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)中實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力。來(lái)升等在汽車流體傳動(dòng)與控制課程中加入汽車液壓系統(tǒng)項(xiàng)目案例，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和實(shí)際動(dòng)手能力[1]。趙桂艷等在傳感器與檢測(cè)技術(shù)課中提出了基于項(xiàng)目式教學(xué)方法的課程教學(xué)改革方案，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力[2]。王振華等在數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)課程中實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)，實(shí)踐表明學(xué)生提高了解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[3]。于穎等在單片機(jī)課程中實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)，并且針對(duì)電氣專業(yè)的特點(diǎn)，優(yōu)化了項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和實(shí)踐能力[4]。

綜上所述，在機(jī)械專業(yè)單片機(jī)課程教學(xué)中實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)在理論上和實(shí)踐上是可行的。本文將針對(duì)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，依據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)，按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革。通過(guò)引入項(xiàng)目教學(xué)方法，加強(qiáng)校企合作協(xié)同育人，更加注重學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，最終目標(biāo)是培養(yǎng)出卓越拔尖人才，契合新工科建設(shè)需求[5]。

一、課程教學(xué)內(nèi)容體系改革

機(jī)械專業(yè)單片機(jī)課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及原理、匯編語(yǔ)言及程序設(shè)計(jì)、中斷與定時(shí)、單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展、接口技術(shù)。為了在授課過(guò)程理論與實(shí)踐并重，便于順利開展項(xiàng)目式教學(xué)，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑鰷p。

1.刪減的教學(xué)內(nèi)容

（1）刪除數(shù)制及其轉(zhuǎn)換教學(xué)內(nèi)容。

單片機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程中要能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換，因此，數(shù)制及其轉(zhuǎn)換是學(xué)生必須掌握的內(nèi)容。但是學(xué)生在高中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了數(shù)制及其轉(zhuǎn)換相關(guān)內(nèi)容，在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中也涉及了相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容。因此，數(shù)制及其轉(zhuǎn)換不是本門課程的教學(xué)重點(diǎn)，應(yīng)該予以刪除。上課時(shí)，僅需簡(jiǎn)單介紹不同數(shù)制，具體如何實(shí)現(xiàn)不同數(shù)制的轉(zhuǎn)換，由學(xué)生在課后自學(xué)，并布置相關(guān)作業(yè)，檢測(cè)學(xué)生是否已經(jīng)掌握二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換。

（2）刪除尋址方式教學(xué)內(nèi)容。

尋址方式，即如何找到操作數(shù)的地址，把操作數(shù)提取出來(lái)的方法。它是匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容。但是，我們后續(xù)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容是C51程序設(shè)計(jì)，使用C語(yǔ)言去解決較為復(fù)雜的機(jī)電工程問(wèn)題。因此，尋址方式教學(xué)內(nèi)容應(yīng)予以刪除，主要介紹匯編語(yǔ)言指令格式和描述操作數(shù)的簡(jiǎn)記符號(hào)。

（3）減少指令系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容。

MCS-51系列單片機(jī)總共有111條指令，逐條介紹這些指令會(huì)耗費(fèi)大量的課堂教學(xué)時(shí)間，并且會(huì)降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。因此，應(yīng)該減少指令系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)指令的功能把這111條指令分為數(shù)據(jù)傳送與交換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及移位和控制轉(zhuǎn)移四大類，每一類針對(duì)較為典型的、常用的指令進(jìn)行詳細(xì)介紹，其他相關(guān)的指令簡(jiǎn)單介紹，并布置相關(guān)課后自主學(xué)習(xí)任務(wù)和練習(xí)題。

2.增加的教學(xué)內(nèi)容

（1）增加電路相關(guān)知識(shí)。

由于機(jī)械專業(yè)學(xué)生對(duì)電路知識(shí)較為陌生，在講解單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及其電路原理時(shí)，學(xué)生對(duì)電路圖理解不夠，學(xué)習(xí)有困難。因此，在講解電路圖原理時(shí)，應(yīng)該增加電子電工技術(shù)相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生能夠更好地理解單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理。

（2）增加C51程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

匯編語(yǔ)言屬于低級(jí)編程語(yǔ)言，雖然能夠直接對(duì)相應(yīng)硬件進(jìn)行操作，但是編程時(shí)必須具體組織、分配存儲(chǔ)器資源和處理端口數(shù)據(jù)，這樣編程效率不高，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜機(jī)電工程問(wèn)題。而C51語(yǔ)言是基于51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的一種C語(yǔ)言，它是一種高級(jí)語(yǔ)言，編程方便，效率高，應(yīng)用十分廣泛，適合解決復(fù)雜機(jī)電工程問(wèn)題。C51語(yǔ)言已成為51系列單片機(jī)程序開發(fā)的主流軟件方法【6】。因此，為了能夠成功實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，需要增加C51程序設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。此外，本專業(yè)學(xué)生在大一階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語(yǔ)言，因此，學(xué)習(xí)C51程序設(shè)計(jì)并不存在較大困難。

二、工程項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)

工程項(xiàng)目案例是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，是成功實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)方法的關(guān)鍵。工程項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)時(shí)既不能直接照抄以往的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（問(wèn)題難度較低），也不能設(shè)計(jì)出學(xué)生在給定時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成的項(xiàng)目。通過(guò)與教研室其他授課老師討論，并且咨詢了湖南威頌電力科技有限公司、廣州粵嵌通信科技股份有限公司等相關(guān)企業(yè)專家，最終確定了以下5個(gè)工程項(xiàng)目案例。

1.計(jì)數(shù)顯示器設(shè)計(jì)

該案例的主要目的是使學(xué)生熟悉51單片機(jī)的基本輸入/輸出應(yīng)用，熟悉C51程序設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計(jì)及仿真方法。設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)顯示器應(yīng)該具有以下功能：可統(tǒng)計(jì)輸入按鈕的按壓次數(shù)，并將按壓結(jié)果已十進(jìn)制數(shù)顯示出來(lái)，當(dāng)顯示數(shù)值達(dá)到99以后可自動(dòng)從1開始，無(wú)限循環(huán)下去。最后需要完成計(jì)數(shù)顯示器實(shí)物的制作，并完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.電子秒表顯示器設(shè)計(jì)

該案例的主要目的是使學(xué)生掌握51單片機(jī)中斷與定時(shí)器的應(yīng)用，熟悉C51程序設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計(jì)及仿真方法。設(shè)計(jì)的電子秒表顯示器應(yīng)該具有以下功能：數(shù)碼管的初始值顯示為00，當(dāng)產(chǎn)生1秒的時(shí)間，秒計(jì)數(shù)器加1，秒計(jì)數(shù)器到60時(shí)清0，并從00重新開始，無(wú)限循環(huán)下去。最后需要完成電子秒表顯示器實(shí)物制作，并完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.數(shù)字式熱敏電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)

該案例的主要目的是使學(xué)生掌握LED顯示、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)的方法，熟悉C51程序設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計(jì)及仿真方法。設(shè)計(jì)的數(shù)字式熱敏電阻溫度計(jì)應(yīng)該具有以下功能：把熱敏電阻兩端的電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，然后通過(guò)軟件方法計(jì)算得到溫度值，再進(jìn)行顯示處理，溫度顯示范圍為+10～+150攝氏度。最后需要完成數(shù)字式熱敏電阻溫度計(jì)實(shí)物制作，并完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

該案例的主要目的是使學(xué)生掌握LED動(dòng)態(tài)顯示和接口設(shè)計(jì)的方法，熟悉C51程序設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計(jì)及仿真方法。設(shè)計(jì)的直流數(shù)字電壓表應(yīng)該具有以下功能：調(diào)解電位器可使其輸出電壓在0～5V之間變化，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)碼管以十進(jìn)制數(shù)形式動(dòng)態(tài)顯示電位器的調(diào)節(jié)電壓。最后需要完成直流數(shù)字電壓表實(shí)物制作，并完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該案例的主要目的是使學(xué)生了解步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理，掌握單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口電路設(shè)計(jì)，熟悉C51程序設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計(jì)及仿真方法。設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能：K1開關(guān)作為啟動(dòng)和停止鍵，高電平啟動(dòng)，低電平停止；K2開關(guān)作為方向鍵，高電平正向轉(zhuǎn)動(dòng)，低電平反向轉(zhuǎn)動(dòng)；能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速；各運(yùn)行狀態(tài)分別用LED燈進(jìn)行指示。最后需要完成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制，完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)時(shí)，每個(gè)班的學(xué)生分成4至5個(gè)項(xiàng)目小組，每個(gè)小組從上述5個(gè)工程項(xiàng)目案例中選取一個(gè)工程項(xiàng)目，然后各組成員分工合作，共同完成這一項(xiàng)目。通過(guò)項(xiàng)目的方式，讓學(xué)生能夠主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，提高他們的學(xué)習(xí)積極性和綜合實(shí)踐能力。

三、教學(xué)安排改革

因?yàn)閷?duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，尤其是增加了C51程序設(shè)計(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容和工程項(xiàng)目實(shí)踐課程，所以原有的教學(xué)課時(shí)量無(wú)法滿足改革后的教學(xué)要求。因此，必須對(duì)原來(lái)教學(xué)安排進(jìn)行改革，重新分配各教學(xué)內(nèi)容的課時(shí)量。單片機(jī)課程原來(lái)是2.5個(gè)學(xué)分，包含32個(gè)理論課時(shí)和8個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)。由于增加了理論課教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐課教學(xué)內(nèi)容，因此，需要增加8個(gè)理論課時(shí)和16個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)。其中增加的8個(gè)理論課時(shí)主要用于C51程序設(shè)計(jì)和C51仿真開發(fā)環(huán)境內(nèi)容講解，如果理論課教學(xué)中有涉及工程項(xiàng)目案例的知識(shí)點(diǎn)，也需要重點(diǎn)講解。新增的16個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)全部用于工程項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)。

四、課程考核評(píng)價(jià)體系改革

由于采用項(xiàng)目式教學(xué)模式，原有考核評(píng)價(jià)方式不再適用，與合作企業(yè)技術(shù)人員共同制定一種適合項(xiàng)目式教學(xué)的課程考核評(píng)價(jià)體系。由于每一位學(xué)生在項(xiàng)目中所擔(dān)任的角色不同，每一個(gè)項(xiàng)目組的研究進(jìn)度有差別。因此，需針對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目設(shè)定進(jìn)度表，建立平時(shí)成績(jī)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)仔細(xì)研究項(xiàng)目任務(wù)達(dá)成度和豐盈度，建立課程學(xué)習(xí)效果的總體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于同一項(xiàng)目組的不同成員的考核評(píng)價(jià)，則需研究任務(wù)的難易程度，并考慮任務(wù)之間的協(xié)同性，建立科學(xué)的考核評(píng)價(jià)體系。

基于上述原則，重新制定了單片機(jī)課程考核評(píng)價(jià)體系，各部分考核成績(jī)占比如下：期末考試成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的50%，課堂表現(xiàn)和作業(yè)成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的20%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括一般實(shí)驗(yàn)和工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，占總評(píng)成績(jī)的30%。期末考試、課堂表現(xiàn)、作業(yè)和一般實(shí)驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與之前一致。工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)需要重新制定，具體考核內(nèi)容如下。

1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

主要考查實(shí)驗(yàn)方案是否合理可行，能否達(dá)到項(xiàng)目任務(wù)書的要求，整體實(shí)驗(yàn)方案是否符合科學(xué)性，是否有完整的系統(tǒng)性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，成績(jī)分為五個(gè)等級(jí)，此項(xiàng)成績(jī)?cè)谡麄€(gè)工程項(xiàng)目成績(jī)中權(quán)重為0.2。

2.創(chuàng)新性

主要考查實(shí)驗(yàn)方案是否具有創(chuàng)新內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中、數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程中是否有創(chuàng)新活動(dòng)和結(jié)論。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，成績(jī)分為五個(gè)等級(jí)，此項(xiàng)成績(jī)?cè)谡麄€(gè)工程項(xiàng)目成績(jī)中權(quán)重為0.2。

3.實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

主要考查實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛨F(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，是否熟練使用相關(guān)儀器設(shè)備，團(tuán)隊(duì)協(xié)作是否有效運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)每組成員進(jìn)行評(píng)價(jià)，成績(jī)分為五個(gè)等級(jí)，此項(xiàng)成績(jī)?cè)谡麄€(gè)工程項(xiàng)目成績(jī)中權(quán)重為0.1。

4.問(wèn)題分析與解決能力

主要考查實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力，當(dāng)程序不能運(yùn)行或者運(yùn)行結(jié)果不正確時(shí)，是否能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并主動(dòng)查閱資料解決問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)每組成員進(jìn)行評(píng)價(jià)，成績(jī)分為五個(gè)等級(jí)，此項(xiàng)成績(jī)?cè)谡麄€(gè)工程項(xiàng)目成績(jī)中權(quán)重為0.1。

5.實(shí)驗(yàn)報(bào)告

主要考查實(shí)驗(yàn)報(bào)告是否規(guī)范、完整，能否體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的綜合性。課程完成后對(duì)每組成員的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)，成績(jī)分為五個(gè)等級(jí)，此項(xiàng)成績(jī)?cè)谡麄€(gè)工程項(xiàng)目成績(jī)中權(quán)重為0.2。

6.現(xiàn)場(chǎng)答辯

主要考查現(xiàn)場(chǎng)答辯是否流利，是否能清晰地闡述實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，是否能正確地回答與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的問(wèn)題。對(duì)每組成員的答辯進(jìn)行評(píng)價(jià)，成績(jī)分為五個(gè)等級(jí)，此項(xiàng)成績(jī)?cè)谡麄€(gè)工程項(xiàng)目成績(jī)中權(quán)重為0.2。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了基于項(xiàng)目式教學(xué)方法的改革方案。在項(xiàng)目式教學(xué)方案中，對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革，增加了電路知識(shí)和C51程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，并刪除了部分學(xué)生可以通過(guò)自學(xué)掌握的內(nèi)容；設(shè)計(jì)了5個(gè)難度適中的工程項(xiàng)目案例；針對(duì)增加的教學(xué)內(nèi)容和工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，重新分配了課時(shí)量；最后對(duì)課程考核評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了改革，制定了針對(duì)工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)方法，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。