單片機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究

吉鶴　孫秀玲

摘 要：嵌入式技術(shù)是當(dāng)今電子信息領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。作為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)和核心的單片計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)，有著自身特殊性。本文在分析單片機(jī)教學(xué)特點及現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，介紹了在單片機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)相關(guān)的宏觀問題、教學(xué)改革的核心思想、單片機(jī)理論和實踐教學(xué)等方面的改革探索，提出從知識點講授到以項目為主線的教學(xué)改革、注重單片機(jī)課程與相關(guān)課程的良性互動等觀點，介紹教學(xué)內(nèi)容和體系調(diào)整、基于項目引領(lǐng)的實踐教學(xué)模式和多種實驗手段綜合運用的實踐教學(xué)方法以及實施過程和取得的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 基礎(chǔ)課程 教學(xué)改革 教學(xué)效果

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0118-02

單片機(jī)基礎(chǔ)課程涉及計算機(jī)原理、電子、感測和控制等多學(xué)科技術(shù)，要求較高的電子技術(shù)、數(shù)字邏輯和程序設(shè)計能力。課程內(nèi)容抽象，實踐依賴性強(qiáng)。從經(jīng)典課程的公式推理演算到單片機(jī)的數(shù)字邏輯、軟硬件結(jié)合，是一種全新的學(xué)習(xí)方式，傳統(tǒng)的教學(xué)方式在這門課中表現(xiàn)出較多的不適應(yīng)性。以下是在單片機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革實踐中的若干體會。

1 單片機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的核心思想

1.1 從知識點講授到以系統(tǒng)設(shè)計為主線的教學(xué)改革

我國高校在20世紀(jì)80年代初開始在少數(shù)高校開設(shè)單片機(jī)課程，面向電子和計算機(jī)專業(yè)高年級本科生和研究生，教材內(nèi)容基本是單片機(jī)生產(chǎn)商提供的技術(shù)手冊、匯編程序設(shè)計和計算機(jī)原理與接口技術(shù)的綜合體。目前單片機(jī)教材雖然較多，但基本延續(xù)了這種傳統(tǒng)的教學(xué)思路，即以單片機(jī)的知識點為主線進(jìn)行單元技術(shù)教學(xué)。隨著單片機(jī)教學(xué)在各層次學(xué)校的廣泛普及，這種教學(xué)思路顯現(xiàn)了明顯的不適應(yīng)。系統(tǒng)設(shè)計性內(nèi)容缺失和細(xì)節(jié)內(nèi)容深度不夠，使一般學(xué)生在實際應(yīng)用過程中仍然會遇到許多迷茫的問題。

目前單片機(jī)基礎(chǔ)課教材的一個普遍性的問題是教學(xué)集中在分散的各個點，而對單片機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)性考慮不夠；重在局部和單元模塊，缺乏組織成項目的考慮。這種問題嚴(yán)重地體現(xiàn)在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，一般學(xué)生會做例題和作業(yè)，不會設(shè)計解決實際任務(wù)的系統(tǒng)軟件。因此，單片機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的一個重點就是從知識點講授到以系統(tǒng)設(shè)計為主線，基于課程整體性并結(jié)合項目系統(tǒng)整體性考慮實施單元教學(xué)，重點提升學(xué)生系統(tǒng)性、綜合性設(shè)計能力。

1.2 單片機(jī)與其它課程教學(xué)形成良性互動

在目前課程體系中，考慮到知識銜接關(guān)系，單片機(jī)課程在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路、計算機(jī)組成（微機(jī)原理與接口）、匯編程序設(shè)計等課程之后，一般安排在第6學(xué)期。這個安排的問題是學(xué)生實際綜合應(yīng)用及拓展學(xué)習(xí)的時間較短。這在單片機(jī)進(jìn)入我國高校的早期階段僅高端學(xué)生學(xué)習(xí)的情況下是合理的，在目前單片機(jī)普及教學(xué)情況下，作為工具和重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，單片機(jī)課程應(yīng)盡早讓學(xué)生掌握，對其熟練和提高系統(tǒng)設(shè)計能力、提高學(xué)習(xí)興趣、結(jié)合和促進(jìn)其它課程學(xué)習(xí)將產(chǎn)生良好作用。

單片機(jī)基礎(chǔ)課程涉及到的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路等知識，是相對簡單的，在課程中從應(yīng)用的角度介紹即可，對單片機(jī)課程的教學(xué)沒有影響。實際上，有些同學(xué)從大一就開始自學(xué)單片機(jī)而且都取得了很好的效果，這對我們教學(xué)是一個很好的啟示。

2 單片機(jī)理論教學(xué)的改革

單片機(jī)教材最初源于單片機(jī)生產(chǎn)廠家技術(shù)手冊、匯編語言程序設(shè)計和計算機(jī)組成與接口技術(shù)的綜合。單片機(jī)應(yīng)用初期面向?qū)ο笫侵攸c院校電子和控制專業(yè)的學(xué)生和科研人員。傳統(tǒng)的授課方式是以知識為驅(qū)動，知識點之間比較分散，學(xué)生學(xué)完之后沒有系統(tǒng)的概念，缺乏貫穿所有知識的主線，形成不了體系。這種教學(xué)方法亟待改革。

2.1 以項目為主線

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性設(shè)計是一個重要的教學(xué)內(nèi)容。從宏觀教學(xué)的角度考慮，我們將整個教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成基本涵蓋了本課程全部教學(xué)內(nèi)容的一個項目，基于課程整體性并結(jié)合項目系統(tǒng)整體性考慮實施單元教學(xué)。對結(jié)構(gòu)性的適當(dāng)變化和局部內(nèi)容的取舍，即可衍生和變化為其它的應(yīng)用系統(tǒng)。通過這樣的教學(xué)設(shè)計，學(xué)生加大了對課程的興趣，逐漸地積累成就感，并最終能較快地進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計者的角色，能較好地完成實際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。

2.2 整體與局部關(guān)系

基于項目為主線的教學(xué)設(shè)計，在講述局部技術(shù)的同時進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性的教學(xué)，使系統(tǒng)整體性的考慮體現(xiàn)在局部中。

例如LED數(shù)碼管動態(tài)顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動等技術(shù)，在目前教材中基本都是完成單一這類功能的小程序，而在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，這些功能要與系統(tǒng)核心任務(wù)并行執(zhí)行，是一個“多任務(wù)”的概念，不能簡單地將教材示例的單一的小程序搬到應(yīng)用系統(tǒng)中。其它如結(jié)合鍵盤掃描和多級LCD菜單形成多任務(wù)下的人機(jī)交互通道這些系統(tǒng)性內(nèi)容的考慮，在單元教學(xué)中都要考慮到。

2.3 教學(xué)內(nèi)容和體系調(diào)整

調(diào)整應(yīng)用匯編和C語言教學(xué)的比例。匯編指令有助于對單片機(jī)硬件的學(xué)習(xí)，程序代碼短、速度快，較多地應(yīng)用在對時序有嚴(yán)格要求的測控系統(tǒng)中。隨著單片機(jī)硬件和軟件編譯技術(shù)的發(fā)展，代碼長度和速度已不是主要問題，重在軟件質(zhì)量、開發(fā)周期和開發(fā)維護(hù)成本，大多數(shù)場合應(yīng)用匯編的必要性已不存在。因此教學(xué)應(yīng)以C語言為主，匯編只講解指令原理、尋址方式、必要的指令和在C語言中嵌入?yún)R編程序的方法和實例。

調(diào)整單元模塊教學(xué)順序?，F(xiàn)有教材中一般將人機(jī)交互設(shè)計的內(nèi)容放在最后，這不利于學(xué)生自主實踐。由于無法實施對運行過程必要的監(jiān)測，使其在沒有仿真系統(tǒng)情況下調(diào)試有相當(dāng)?shù)碾y度。因此，將人機(jī)交互部分盡可能地提前可達(dá)到很好的效果。

單片機(jī)基礎(chǔ)課程傳統(tǒng)教學(xué)對新機(jī)型和新技術(shù)介紹較少，應(yīng)做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。增加IIC、SPI、PS/2等相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的介紹、對其它典型單片機(jī)如AVR簡要的介紹，使學(xué)生在掌握基本單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，能更容易地進(jìn)入到高級層次的應(yīng)用。

2.4 挖掘基本知識內(nèi)容的深度

把MCS-51單片機(jī)基礎(chǔ)知識講透徹，對后續(xù)嵌入式系統(tǒng)深層次學(xué)習(xí)可打下良好的基礎(chǔ)。以外中斷的重復(fù)響應(yīng)和堆棧的溢出問題為例，學(xué)生在實際應(yīng)用中經(jīng)常遇到，但在教材中沒有相應(yīng)的說明。前者是由于外中斷請求信號有毛刺，即使在進(jìn)入中斷立即屏蔽中斷，且中斷請求信號已經(jīng)撤銷的情況下，在退出中斷后還將引起此中斷的重復(fù)響應(yīng)。問題在于對中斷請求信號、請求標(biāo)志和響應(yīng)過程這些基本知識講述不到位；后者是對堆?？臻g位置、容量及系統(tǒng)對堆棧使用沒有準(zhǔn)確概念。類似的因基本知識講述深度不夠，導(dǎo)致學(xué)生困惑的問題還有很多。因此要注重研究實際應(yīng)用中典型問題背后的原因，深化和細(xì)化基本知識的講授，這對實際應(yīng)用和提高可起到至關(guān)重要的作用。endprint

2.5 理論課中的實踐內(nèi)容

單片機(jī)是一門實踐性極強(qiáng)的課程，該理論課不講授實驗實際是一個誤區(qū)。在理論課應(yīng)用Proteus做部分仿真實驗，實驗效率高、理論教學(xué)效果好，并可達(dá)到擴(kuò)展學(xué)習(xí)到課外的效果。因此，需協(xié)調(diào)好理論與實驗課關(guān)系，對仿真實驗學(xué)時做一定的硬性要求。

另一個問題是系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)的教學(xué)。系統(tǒng)調(diào)試是初學(xué)者開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一個難點，特別是在無仿真器情況下進(jìn)行軟件調(diào)試。因此，在理論課中講述初等調(diào)試技術(shù)是有必要的，例如用示波器、LED顯示測信號、串行通信監(jiān)測程序流程等。使學(xué)生提高系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試技能的同時，提高了實驗課效率，使實驗課有更多的時間用于綜合性實驗中。

3 實踐教學(xué)模式的改革

3.1 基于項目引領(lǐng)的實驗?zāi)Ｊ?/p>

我們許多課程的實驗課教學(xué)模式，基本上都出于傳統(tǒng)的公共基礎(chǔ)課實踐教學(xué)。其特點是對單一某個理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實驗演示和驗證。由于思維的慣性，這種傳統(tǒng)自然也延續(xù)到單片機(jī)實驗課中，致使學(xué)生綜合性實驗?zāi)芰^弱，完成課程設(shè)計和實際應(yīng)用設(shè)計的難度較大。

作為嵌入式基礎(chǔ)和初級應(yīng)用的單片機(jī)基礎(chǔ)課程，其最大特點是工程性。單片機(jī)本身是一個強(qiáng)大的系統(tǒng)集成工具，學(xué)生在專業(yè)知識基礎(chǔ)上用單片機(jī)及相關(guān)器件進(jìn)行綜合分析和設(shè)計，最終要制作出滿足用戶要求的產(chǎn)品。因此，單片機(jī)實驗課的主體思路是綜合性、工程性。

基于這一點，我們對實驗課在宏觀上調(diào)整為基于項目引領(lǐng)的實驗?zāi)Ｊ?。首先是將基礎(chǔ)性實驗以Proteus軟件仿真形式在理論課上實驗和演示；其次是配合理論課將整個學(xué)期的實驗課安排成一個應(yīng)用項目，將整個項目按照內(nèi)部資源、擴(kuò)展資源、前向通道、后向通道和人機(jī)通道等部分分解成各個模塊作為每次試驗課的內(nèi)容。學(xué)生在完成單次試驗的基礎(chǔ)上，從軟硬件的角度對項目整體架構(gòu)不斷地加深認(rèn)識和理解，最后完成一個項目的全過程實驗。在這個過程中，學(xué)生不斷地積累系統(tǒng)級分析設(shè)計的能力，不斷地積累著成就感。學(xué)生增強(qiáng)了對實驗課的興趣，大幅提高了單片機(jī)實驗課的效率和效果。

3.2 多種實驗手段的綜合運用

現(xiàn)在高校學(xué)生基本上都基于實驗箱做實驗。相對于傳統(tǒng)實驗手段（手工焊接或用面包板），實驗箱在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件實驗方面具有優(yōu)越性，但在硬件實驗方面，則現(xiàn)出其明顯的弊端。學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的指示在實驗箱上連接各端子，學(xué)生大多不去了解這種連接后形成的電路；沒有從設(shè)計、元器件連接、調(diào)試到完成全過程的鍛煉；實驗箱資源有限；不能進(jìn)行多種硬件方案的試驗、硬件電路的優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新。

我們根據(jù)實驗不同分別采用不同的實驗手段。應(yīng)用面包板的實驗，側(cè)重于自己設(shè)計電路實驗方案、創(chuàng)新潛能的開發(fā)和硬件系統(tǒng)級調(diào)試技術(shù)的學(xué)習(xí)；手工焊接的實驗側(cè)重于實際動手技能和模塊及硬件調(diào)試方法的學(xué)習(xí)和鍛煉；應(yīng)用試驗箱的實驗則重點側(cè)重于復(fù)雜系統(tǒng)的編程和軟件調(diào)試。同時，這些實驗手段的綜合應(yīng)用，給學(xué)生創(chuàng)造了一個寬松的軟硬件實驗環(huán)境和發(fā)揮創(chuàng)造性的空間，增大了實驗課的吸引力，促進(jìn)了對理論教學(xué)的理解，達(dá)到了很好的效果。

3.3 發(fā)掘第二課堂的深度和廣度

單片機(jī)課外教學(xué)活動是可行和必要的。組織成立學(xué)生課外活動小組，為學(xué)生設(shè)計階段性任務(wù)。這些任務(wù)可以是承擔(dān)科研項目的分解部分，也可以是有意義和價值的小題目。學(xué)生的任務(wù)可以指標(biāo)化，小組實行優(yōu)勝劣汰。這對學(xué)生提高課程興趣、加深理解、拓展知識和帶動整體學(xué)習(xí)起到了重要作用。

每年一次由教育部和信息產(chǎn)業(yè)部共同舉辦的大學(xué)生電子設(shè)計競賽，是一次極好的單片機(jī)實踐教學(xué)活動。要進(jìn)行規(guī)范整理，優(yōu)化模塊設(shè)計，使之成為標(biāo)準(zhǔn)件，進(jìn)而成為教學(xué)資源，進(jìn)而促進(jìn)教學(xué)教改工作進(jìn)展和良好學(xué)風(fēng)校風(fēng)的建設(shè)。

4 結(jié)語

單片計算機(jī)是技術(shù)發(fā)展快速的IT前沿技術(shù)。要改變思路，以特別的眼光研究這門特殊的課程。我們從教學(xué)體系、理論教學(xué)、實踐教學(xué)和自主學(xué)習(xí)等全方位進(jìn)行的研究探討，在教學(xué)實際中呈現(xiàn)了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

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