單片機(jī)課程教學(xué)改革的研究與探索

（大連大學(xué) 信息工程學(xué)院 遼寧 大連 116622）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能家電、工業(yè)自動化控制、智能化儀器儀表、汽車和通信等領(lǐng)域，單片機(jī)開發(fā)能力的強(qiáng)弱已經(jīng)成為學(xué)生尋找理想工作的必備技能之一，因此單片機(jī)應(yīng)用方面的相關(guān)課程目前成為工科院校電信、通信和自動化等各類專業(yè)的必修課程。

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》把微機(jī)原理、模擬電路、數(shù)字電路、接口技術(shù)、通信技術(shù)等知識綜合在一起，具有很強(qiáng)的技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性，但是卻存在著理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐脫節(jié)、仿真實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單等許多問題，學(xué)生上課效果不太理想，因此單片機(jī)應(yīng)用課程的教學(xué)改革就成為很重要的教研課題。

為了適應(yīng)新形勢下本科教育的培養(yǎng)目標(biāo)，筆者結(jié)合自己多年的單片機(jī)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、帶領(lǐng)學(xué)生的參賽經(jīng)驗(yàn)以及目前通信專業(yè)大學(xué)生的就業(yè)現(xiàn)狀，在此淺談一下對單片機(jī)這門課程的教改研究和探索。

1 單片機(jī)教學(xué)改革的必要性

首先，傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)一般是按照教學(xué)培養(yǎng)計劃和大綱，參考教材章節(jié)順序，再配以少量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時，理論教學(xué)基本上還是以教師講學(xué)生聽的方式為主[1]。我校通信專業(yè)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》經(jīng)過教學(xué)計劃的調(diào)整，學(xué)時上比原來減少8學(xué)時，而且還去掉了先修課程《微機(jī)原理與接口技術(shù)》，導(dǎo)致課堂上要求講解的知識點(diǎn)增多，造成學(xué)生遇到的問題無法在課堂上得到一一解決，致使學(xué)生學(xué)得很吃力，老師教得很辛苦。

其次單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱自身開發(fā)能力較弱，大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，想安排由學(xué)生自己獨(dú)自編程完成的設(shè)計性和綜合性實(shí)驗(yàn)，設(shè)備受限不易開展，因此影響了學(xué)生實(shí)踐思考的深度及廣度。

因此傳統(tǒng)模式的單片機(jī)教學(xué)已經(jīng)不能滿足學(xué)生的實(shí)踐需求，軟硬件綜合設(shè)計能力無法提高，無法培養(yǎng)高能力高素質(zhì)的應(yīng)用型人才，所以對單片機(jī)應(yīng)用的課程教改是十分必要的。

2 教學(xué)改革方法探索

筆者針對目前我?！秵纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用》在教學(xué)過程中存在的問題，嘗試將單片機(jī)的理論課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課外實(shí)踐項目活動結(jié)合起來，進(jìn)行改革的初步探索，從而提高學(xué)生的獨(dú)立分析問題、解決問題的能力和實(shí)踐動手能力。

2.1 引入實(shí)踐項目教學(xué)法

實(shí)踐項目教學(xué)法是以課外實(shí)踐項目為中心，以proteus、protel、keil等軟件平臺為手段，以教學(xué)的內(nèi)容為依據(jù)，以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)。根據(jù)理論課程的不同章節(jié)內(nèi)容，引用一些知識點(diǎn)相關(guān)的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例作為實(shí)踐項目題目，以這些實(shí)踐項目的開發(fā)過程和方法為主線，重點(diǎn)研究實(shí)踐項目與書本理論的知識鏈接和知識拓展關(guān)系。

項目基本涵蓋《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程所涉及的大部分教學(xué)目標(biāo)規(guī)定內(nèi)容，而且多選擇一些與實(shí)際生活很貼近、學(xué)生比較感興趣、有一定的難易區(qū)分度的工程項目，與教學(xué)同步，將單片機(jī)課程的主要知識點(diǎn)融入到一個個具體的項目中，整個項目的完成過程與教學(xué)流程同步進(jìn)行[2]。

在整個項目設(shè)計過程中，先由學(xué)生獨(dú)立提出項目設(shè)計方案，由教師組織各項目小組對設(shè)計方案進(jìn)行分析和論證[3]，確定方案后開始進(jìn)行設(shè)計，再通過仿真軟件對電路進(jìn)行仿真，最后撰寫項目總結(jié)報告，也可以進(jìn)行實(shí)際電路硬件的安裝調(diào)試。

實(shí)踐項目完成后，進(jìn)行項目考核，評判依據(jù)可以按完成實(shí)踐項目的先后順序、完成的質(zhì)量、項目總結(jié)答辯時提出問題回答情況及學(xué)生表達(dá)能力等幾個方面，并將考核情況納入《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程考核中。

2.2 結(jié)合proteus與protel等軟件平臺的教學(xué)手段

學(xué)生根據(jù)實(shí)踐項目的設(shè)計內(nèi)容，用Protel軟件或者Proteus軟件繪制電路原理圖，利用Proteus軟件平臺對程序和電路進(jìn)行軟件仿真調(diào)試。Proteus仿真軟件非常適合課堂上的項目設(shè)計運(yùn)行結(jié)果演示，將proteus和理論教學(xué)相結(jié)合，可以增強(qiáng)教學(xué)的生動性和直觀性，加深學(xué)生對理論知識的理解和軟件控制的實(shí)現(xiàn)過程。

個別有能力的小組，在軟件仿真調(diào)試成功后，可以用protel軟件繪制電路原理圖后再進(jìn)一步生成PCB板，然后采購芯片和元器件，焊接硬件電路，燒寫程序，進(jìn)行實(shí)際電路的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，最終完成設(shè)計產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)設(shè)計任務(wù)。

因此結(jié)合實(shí)踐項目教學(xué)方法，有效引入這些軟件平臺工具，是本項目的一個主要改革內(nèi)容，重點(diǎn)研究項目教學(xué)中的項目設(shè)計及演示方法。

2.3 發(fā)揮團(tuán)隊協(xié)作的教學(xué)方式改革

針對每個實(shí)踐項目，使學(xué)生采取分組的方式來完成，每個小組成員根據(jù)不同的能力和優(yōu)勢各自負(fù)責(zé)不同的工作。在整個教學(xué)周期內(nèi)，讓小組團(tuán)隊提出項目設(shè)計方案，教師以啟發(fā)引導(dǎo)為主，鼓勵學(xué)生相互談?wù)?，加?qiáng)團(tuán)隊合作，對出現(xiàn)的問題，給出解決問題的思路，最終完成項目總結(jié)報告，并在課堂上演示運(yùn)行。

2.4 與大學(xué)生科技競賽和課外興趣小組相結(jié)合

組織學(xué)生參加單片機(jī)應(yīng)用課外興趣小組，定期組織活動，進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)知識的針對性訓(xùn)練，并從中挑選動手能力強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生去參加全國性的電子設(shè)計大賽等比賽，將課堂上所學(xué)的理論知識充分地應(yīng)用到實(shí)踐和比賽項目中，這樣做不僅可以滿足優(yōu)秀學(xué)生的學(xué)習(xí)渴求，也激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)主動思考的熱情。

通過這些科技競賽，可以使學(xué)生在短時間內(nèi)對單片機(jī)和電路知識進(jìn)行快速吸收、提煉和升華，也使他們的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)能力達(dá)到一個新的境界和高度。

3 教改的實(shí)施結(jié)果

教改在通信15級中開始嘗試實(shí)施，首先在單片機(jī)未開課之前，先安排學(xué)生按照能力分組，并自學(xué)相關(guān)軟件。在單片機(jī)開課后根據(jù)難度系數(shù)選擇實(shí)踐項目題目，開始以小組為單位進(jìn)行項目設(shè)計。

下面列舉其中幾個項目的設(shè)計要求、涉及到的知識點(diǎn)、項目的難度系數(shù)（星號數(shù)量），以及學(xué)生經(jīng)過設(shè)計后實(shí)現(xiàn)的軟件仿真圖。

題目一：基于單片機(jī)的電子時鐘設(shè)計（*****）

設(shè)計要求：用六位數(shù)碼管顯示電路，設(shè)計一個電子時鐘，顯示格式如下：XX.XX.XX，由左向右分別顯示時.分.秒功能。

知識點(diǎn)：單片機(jī)最小系統(tǒng)、定時器中斷、數(shù)碼管顯示

軟件仿真圖如圖1。

圖1 基于單片機(jī)的電子時鐘設(shè)計項目仿真圖

題目二：方波--三角波信號發(fā)生器（*****）

設(shè)計要求：利用D/A轉(zhuǎn)換芯片，用兩個按鍵分別實(shí)現(xiàn)三角波、方波信號的輸出，并用軟件平臺上的示波器顯示出來

知識點(diǎn)：單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵編程、D/A轉(zhuǎn)換

軟件仿真圖如圖2。

圖2 方波--三角波信號發(fā)生器項目仿真圖

題目三：交通燈的仿真設(shè)計（*****）

設(shè)計要求：紅綠燈交替亮；當(dāng)綠燈亮的時間還剩5秒時，黃燈同時亮；5秒后，紅燈亮。紅綠燈亮的時間分別可任意調(diào)整（＜100秒）。

知識點(diǎn)：單片機(jī)最小系統(tǒng)、定時器中斷、I/O口輸出

軟件仿真圖如圖3。

圖3 交通燈的仿真設(shè)計項目仿真圖

通過教改項目，大部分學(xué)生提高了對單片機(jī)學(xué)習(xí)的興趣，積極參加嵌入式工作室或者是單片機(jī)課外興趣小組，在近兩年的大學(xué)生電子設(shè)計大賽和全國嵌入式設(shè)計大賽中，取得了很好的成績。

另外，通信15級幾名學(xué)生申請的大創(chuàng)課題《基于stm32的藍(lán)牙遙控仿生六足機(jī)器人》項目，方案是基于stm32單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、android控制端對六足機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)控制，通過設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一個控制系統(tǒng)靈活、自主性強(qiáng)、功能全面的仿生六足機(jī)器人，因?yàn)橥瓿沙錾尚＜壵n題升格為省級和國家級課題。

硬件展示如圖4、5、6所示：

圖4 蜘蛛趴下動作展示

圖5 蜘蛛站立動作展示

圖6 蜘蛛行走動作展示

4 結(jié)論

通過對單片機(jī)教學(xué)的改革，以實(shí)踐項目教學(xué)法為核心開展教學(xué)、充分發(fā)揮計算機(jī)仿真平臺輔助教學(xué)的作用，同時結(jié)合課外大賽與興趣小組，采用這樣的教學(xué)手段，可以使教學(xué)內(nèi)容更加生動豐滿，有效增強(qiáng)教學(xué)效果。不僅可以使學(xué)生掌握開發(fā)技巧，學(xué)會由簡單到復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，單片機(jī)開發(fā)思路逐步變得清晰；也可以讓學(xué)生課堂上學(xué)習(xí)的內(nèi)容有實(shí)踐應(yīng)用背景，學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)[4]，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考能力、獨(dú)立解決問題能力和獨(dú)立開發(fā)應(yīng)用能力。

通過總結(jié)多年來教學(xué)過程中的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有不斷改進(jìn)教學(xué)方法和手段，及時了解教學(xué)發(fā)展動態(tài)，與時俱進(jìn)，及時更新理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，才能提高教學(xué)質(zhì)量。