单片机教学研究与实践——基于任务驱动和Proteus仿真

李 芳

（辽宁石油化工大学土木工程学院，辽宁 抚顺 113001）

单片机是自动化专业的一门重要专业课程，既有一定的理论性，又有很强的实践性。任务驱动是实施探究式教学和协作学习的一种教学模式，其特点是“以学生为主体、教师为主导”。教师通过对课程内容整合提出具体任务，学生通过完成任务来掌握教学内容，在思考问题、解决问题的动态过程中有机地进行学习，学生在完成任务的同时，也完成了对所要求知识点的学习，掌握了相应的技能。因此，在单片机课程教学中，实施任务驱动的教学模式，有利于真正培养学生的创新能力、自学能力、实践能力，增强学生的独立意识和协作精神。

一、单片机课程教学的现状

目前，本门课程在教学中存在一些问题，主要表现在：一是教学方法与教学目标不适应。单片机作为大规模集成电路发展的产物，内部结构复杂，执行过程看不到摸不着；课程新概念多，内容抽象，逻辑严谨，因此应用传统的教学方法教师很难讲得生动，学生对单片机知识的了解仅仅是通过教师的语言来实现。如果以教师讲授为主，那么单片机产品本身内部结构、特点，尤其是它在控制领域强大的功能均无法体现出来。在学习过程中，学生对单片机没有任何感性的认识，对于相关概念无法产生相应的实物映像，对给定要求的系统设计更是感觉无从下手，往往都是“纸上谈兵”，因此学生理解起来全凭想象或者理所当然，一些学生即使设计出来系统，也不知道是否正确，导致学生学起来感觉枯燥乏味，这些严重影响了学生学习的积极性。二是知识点多且各知识点的学习相对独立。在单片机课程的教学顺序基本上都是单片机的基本概念、硬件结构、指令系统、中断定时系统、串行口、A/D 和D/A 接口和人机接口，各个章节内容的学习相对独立，学生在学习结束后仍然不了解单片机开发的完整过程，以及各部分之间千丝万缕的联系。三是学生缺少动手机会，理论和实践脱节，缺少感性认识。单片机课程有一定的理论性，但实践性很强，很显然，仅仅依靠几个学时的实验课无法做到让学生完全理解相关知识，同时更无法满足学生在课前自学、课上学习和课后复习中的学习需求。

二、单片机课程教学改革研究的思路与策略

为了提高教学效果，解决当前学生在本课程学习中遇到的实际问题，调动学生的学习积极性和主动性，培养学生对新知识新技能的自主学习能力、分析问题能力和实际操作能力，课题组对课程教学模式进行如下改革。

（一）改变教学方法，突出“学生为主体、以教师为主导”的教学模式

单片机课程的教学内容多，课程实践性和操作性较强，各个章节、各知识点之间联系紧密，互相交叉。从硬件结构介绍到指令系统、中断、定时/计数器、串行口、总线等，每一部分都自成一章，知识分散，这使学生往往学了这章到下一章时就不会用了，特别是在设计系统时，学生对整个系统没有概念，没有思路，无从下手。传统的教学方式使学生看不到摸不着，即使系统设计是正确的，对初学者而言，也不敢肯定自己，这也导致了学生没有学习兴趣，达不到教学目标。

任务驱动教学模式包括四个阶段：提出任务、分析任务、完成任务、评价任务。教师把教学内容隐含在每个任务之中。学生是完成任务的主体，教师起到组织、引导、答疑解惑、管理的作用。教师提出每个任务的设计要求，学生根据任务中的具体要求自主学习相关知识，对每个任务提出自己的解决方法。每组学生都要讨论、对比方案，选出最佳方案，并对最佳方案进行仿真调试等。在任务实施的整个过程中，学生自主地探索学习，获取知识，应用知识，这样的教学流程可以有效开发学生的智力，使学生充分发挥想象力，大胆提出自己的想法，培养了学生的主观能动性，提高了学生的学习兴趣，同时也提高了学生的团队协作能力。

采取任务驱动模式，教师在讲授过程中，以“任务”为主线，采用学生自学、讲解与教师讲授相结合、课上提问和小组讨论相结合、课堂教学和课下实践相结合，通过课堂讲授、讨论以及任务训练，实行启发式、参与式教学。学生为了完成具体任务，会主动根据实际问题查阅相关资料，学习相关内容，然后应用Proteus 软件仿真或者应用开发板调试，对课程内容从工程的方面进行系统学习，将知识在系统中进行应用，这加深了学生对知识的掌握，同时也将各部分知识融会贯通，有利于学生对知识的深刻领会和综合应用能力的提高。

（二）设计任务

根据单片机课程的内容，针对学生的学习需要，对教学内容进行整合，既要保证知识的完整，也要使学生在完成任务的过程中能够有成就感，提升学生学习的自信心。依据项目模块中的任务体系结构，将课程分为多个模块，每一模块由多个任务组成，将知识点分布在这些任务中。任务的设置从学生实际出发，充分考虑学生的现有知识和技能，注意知识的前后联系，设计出难度适中、规模适当的任务。通过完成任务，学生掌握了相关知识、学到技能，同时产生了成功的喜悦，从而始终保持旺盛的学习兴趣。

将本课程分成流水灯的设计、秒表的设计、通信系统设计、电机控制系统设计、按键显示电路的设计、数字温度计、数字电压表的设计、低频信号发生器的设计、音乐播放器的设计等9 个项目。每个项目包括多个任务，例如流水灯的设计中就包括开关检测、点亮第一只彩灯、流水灯循环点亮、开关控制的流水灯等多个任务，任务难度由浅入深。

入门阶段，学生可选择比较简单的任务，教师确定任务的目的，以视频及文字的方式给出任务的详细描述，同时对任务涉及的相关知识给出讲义中的位置，使学生能较快地熟悉单片机的相关知识。初始阶段学生对Proteus软件还不够熟悉，所以在进行硬件电路的设计时，教师可给出电路设计所用到的元器件。这样的外围电路的设计较简单，容易理解，使学生能够把精力集中在单片机相关知识的学习上。

随着学习的深入，学生对单片机的理解也逐渐深入，对仿真软件的使用开始得心应手，此时学生可以根据要求完成相关任务，教师负责引导学生完成任务。学生完成任务之后可以根据自己的兴趣或问题进行改写，再完成一些其他的扩展功能设计。延展性的任务适合不同层次的学生，可以提高学生分析问题和独立思考的能力，而复杂的任务由多个学生一起完成，可以提高学生团结协作的能力。例如，通信系统的设计中，教师只给出任务目的和简单的任务功能描述，学生自己选择通信的波特率和通信方式以及外围电路，完成通信系统的硬件电路设计、软件流程图的设计、软件程序的编写以及系统的调试，同时学会撰写系统设计的文档。另外，学生也可以根据教师给出的任务进行扩展训练，发现问题并解决问题。

（三）加入仿真软件Proteus

单片机课程有一定的理论性，但实践性很强，学习本课程可以使学生具备较强的实际应用能力和形象思维能力。现在课程中遇到的一个主要问题就是理论和实践相脱节，虽然课程中有一定的实验学时，但是不能满足学生学习的需求，可以利用仿真软件弥补硬件条件的不足，提高学生的感性认识和分析问题、解决问题的能力。

Proteus 软件支持8051 单片机内核，能够完成原理图的绘制、仿真单片机及外围器件代码调试等功能，同时也支持Keil 编译器，这为仿真软件引入课堂提供了可行方案。因此，可将先进的单片机仿真软件Proteus引入课堂，清晰呈现硬件电路的绘制、软件程序的设计、仿真调试运行等，使学生对看不见摸不着的内部结构、硬件电路设计、程序运行的流程、系统调试等重点和难点有了感性的认识，同时学生也能按照自己想法去设计硬件电路和软件程序并仿真调试运行，这些内容的完成无须限制在实验室里。

（四）任务实施方案

入门阶段，教师将所有任务中都涉及的共性基础知识制作成简单的文档，发送给学生，给学生确立一个学习的目标。教师对主要知识点进行详细讲解，让学生进行归纳总结。在学习过程中，教师将难度适宜的任务穿插在教学中，详细讲解，但是此时的任务不宜太复杂，简单易懂、理解够用即可。扩展时，要求学生对课上的案例进行修改，以形成自己的案例。通过完成任务，学生能根据任务要求选择芯片并进行简单的电路设计。

随着学习的不断深入，任务的完成人由教师转换为学生，实现了“以学生为主体、教师为主导”。在每个任务实施初期，教师指出任务中涉及的相关知识，学生对相关知识进行自学，并对任务进行简单的了解，根据任务要求选择芯片并进行简单的电路设计；课上学生讲解，师生共同讨论，学生构建完整的单片机应用系统，编写对应的程序，完成系统调试和故障的分析、查找和排除等。这样的教学使学生既熟悉单片机基本知识，又提高了分析问题和解决问题的能力，同时通过完成每一个任务有了成就感和自信心，对课程产生了浓厚的兴趣，增强了团队意识。

三、教学效果

（一）提升教学质量

采用任务驱动模式的教学法后，课堂氛围明显活跃了，学生在遇到问题时也能够主动和同学讨论或者向老师请教，班级学习氛围明显改善，图1为自动化专业本课程近几年的总成绩，2019 年和2020 年为实施教学改革后的成绩。改革后不及格率有了明显的下降，良好和中等成绩的学生比率有了明显的上升。有部分学生在学习过程中不满足于仿真，自己组装了一个单片机开发板，开始着手调试元器件，做简单的单片机系统，这不但提高了学生的动手能力，而且因为在学习过程中需要不断地学习单片机相关知识，还提升了学习效果。同时，让学生讲解任务提高了学生的语言表达能力、逻辑思维能力。每位学生都工作在一个小组中，通过分工合作，提高了学生的团队合作能力。

图1 2015—2020年学生成绩对比图

（二）对毕业设计的影响

随着本课程改革的实施，学生在毕业设计的选题等方面有了明显的变化，以往进行毕业设计选题时，大部分学生对单片机方向的课题不感兴趣，即使单片机课程学习比较好的学生信心也不足，从来没有自己设计过一个完整的系统，所以不知道自己能做什么、该怎么做。以往，学生中仅有约20%选择单片机应用方向的课题，而今年单片机应用方向的课题占将近50%。可见，本课程在进行教学改革后，学生对单片机相关知识产生了浓厚的兴趣，愿意继续探索单片机的应用。

从毕业设计的内容来看，以往毕业设计学生多数做的是理论探讨，很少想到做单片机仿真方面的内容，而现在学生能主动将自己的系统进行仿真实现，并撰写仿真调试过程文档。尤其是在毕业设计中有些芯片是课堂教学内容中没有的，学生通过互联网找到相关案例或者参考芯片生产厂商的相关建议，根据自己的需求完成设计。从毕业设计的绘图以及实物完成等方面都能看出，学生不仅学习了单片机的相关知识，同时对绘图软件应用得比较熟练，对单片机的学习热情很高，不局限于软件仿真，部分学生自己组装开发板，完成系统的组装和调试。可见，通过单片机的学习，学生的自主学习能力、动手能力、实践能力、分析问题、解决问题的能力都有了显著的提升。

四、结论

基于任务驱动和Proteus 仿真的单片机课程教学模式明显增强了学生的学习兴趣，提高了学生对知识的理解和应用能力，教学效果有了明显改善。学生能够将理论和实践相结合，提高了自己的实践操作能力和创新能力。小组模式提升了学生的团结协作能力。实践表明，这种多元化的教学方法在单片机课程中反映良好，取得了可喜的教学效果。