“單片機(jī)原理與應(yīng)用”在我校機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的改革與探索研究

于淼

摘要：“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程是工科電類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)很重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。本文提出了在本課程教學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，指出了教學(xué)改革和探索的思路；最后在基于AT89C51單片機(jī)的城市交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)施本教學(xué)方法，并得出結(jié)論：與同類(lèi)項(xiàng)目相比，本教學(xué)方法具有很強(qiáng)的教學(xué)方法先進(jìn)性，可操作性強(qiáng)，把提出的相關(guān)教學(xué)方法運(yùn)用到課程教學(xué)中也是目前相關(guān)教學(xué)研究工作的進(jìn)一步深入和拓展。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；單片機(jī)；課程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）46-0168-03

一、引言

“單片機(jī)原理和應(yīng)用”課程將匯編語(yǔ)言、微機(jī)接口知識(shí)、通信技術(shù)等知識(shí)相結(jié)合在一起，是一門(mén)重要的工程電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，技術(shù)性、工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)，具有很高的理論性與實(shí)踐性。該課程作為機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)最重要的核心課程之一，具有相當(dāng)重要的地位[1，2]。雖然針對(duì)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革的方法有很多，但總體上在我校機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)教育教學(xué)中，其可操作性較差，大部分方法僅僅是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)法做一些皮毛上的改進(jìn)或是徹底顛覆傳統(tǒng)的學(xué)科教育體系。這些改革可以作為學(xué)習(xí)和借鑒的模板，因此本文針對(duì)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式和手段上的不足，提出新的解決思路和解決方法，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[3，4]。

二、教學(xué)難點(diǎn)

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是一門(mén)非常實(shí)用的價(jià)值課程：從工業(yè)控制到民用電子產(chǎn)品，從大功率電力設(shè)備到微弱信號(hào)高精度快速采集等，都有單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的身影。但通過(guò)教學(xué)反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們都認(rèn)為這門(mén)專(zhuān)業(yè)課程難學(xué)，難懂。筆者在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)過(guò)程中體會(huì)到本課程有下面三個(gè)教學(xué)難點(diǎn)：

1.傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)過(guò)程是將系統(tǒng)作為一個(gè)起點(diǎn)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邏輯連接前后對(duì)課程本身的過(guò)分強(qiáng)調(diào)，導(dǎo)致了大部分學(xué)生的恐懼，影響了他們的學(xué)習(xí)積極性。

2.長(zhǎng)期以來(lái)單片教學(xué)過(guò)程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，分開(kāi)進(jìn)行。理論講授以老師為主，學(xué)生作為一個(gè)聽(tīng)眾，被動(dòng)地跟著老師走，在課堂上，學(xué)生處于被動(dòng)模式，不能積極參與整個(gè)教學(xué)活動(dòng)，無(wú)法達(dá)到教學(xué)的目的，即以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的操作技能。

3.實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)和課堂教學(xué)環(huán)節(jié)沒(méi)有相互連貫和相互印證，低層次的實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)相關(guān)內(nèi)容的培訓(xùn)是不夠的，學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)與實(shí)踐未能實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，未能充分體現(xiàn)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，抑制了學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式不能更好地適應(yīng)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)，為了適應(yīng)新形勢(shì)下機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)，需要致力于改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，必須嘗試新的模式和方法。

三、一些課程改革和創(chuàng)新探索的想法

1.改革課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容組織模式?！皢纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容是高度抽象的，因此對(duì)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)上的思辨能力要求相對(duì)較高。目前的教學(xué)內(nèi)容很少體現(xiàn)出單片機(jī)知識(shí)在相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生學(xué)習(xí)與使用脫節(jié)。另外，在實(shí)踐教學(xué)中，不同學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)需求沒(méi)有給予足夠的重視，所以有必要對(duì)單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行必要的選擇和更新。作者以近五年的“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，把教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新為“模塊—主題—任務(wù)”，即首先將整個(gè)課程分為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊設(shè)有多個(gè)主題，每個(gè)主題由一個(gè)或多個(gè)任務(wù)組成，每個(gè)任務(wù)和任務(wù)目標(biāo)又分解為任務(wù)分析和相關(guān)部分知識(shí)。針對(duì)在如何開(kāi)展單片機(jī)學(xué)習(xí)方法的研究，為學(xué)生提供有針對(duì)性的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力以及今后加強(qiáng)教學(xué)改革必要性方面，作者提出以學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐為中心的教學(xué)方法，即在老師授課的過(guò)程中，學(xué)生需要在電腦軟件上直接驗(yàn)證編程結(jié)果，并要求學(xué)生對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和操作，對(duì)課堂授課的電路和程序進(jìn)行局部修改，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主掌握單片機(jī)電路的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)與開(kāi)放運(yùn)營(yíng)相結(jié)合的管理模式。對(duì)于“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這一應(yīng)用方面非常強(qiáng)大的課程，雖然課內(nèi)實(shí)驗(yàn)配備了實(shí)驗(yàn)管理教師，但理論課教師也需要走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，加強(qiáng)理論與實(shí)驗(yàn)的溝通環(huán)節(jié)，這樣才能使學(xué)生將課堂所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，并將實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題帶回課堂討論。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，實(shí)驗(yàn)主題可分為基本設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)，也可由學(xué)生自主選擇。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)編程語(yǔ)言采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言來(lái)保證學(xué)生的編程能力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)也提供了一種開(kāi)放式的建設(shè)和管理新模式，為學(xué)生準(zhǔn)備、復(fù)習(xí)、電子設(shè)計(jì)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)提供了良好的環(huán)境。同時(shí)也充分利用實(shí)驗(yàn)室資源調(diào)動(dòng)教師的積極性，在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)與學(xué)生的交流和討論，發(fā)現(xiàn)有潛力的優(yōu)秀學(xué)生，逐漸參與教師的科研項(xiàng)目，并發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽。

3.改革考試形式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的統(tǒng)一。“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的考核機(jī)制在過(guò)去是比較單一的，雖然有些學(xué)生在單片機(jī)測(cè)試中有很高的分?jǐn)?shù)，但在實(shí)踐中不會(huì)使用。因此，有必要對(duì)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的考核形式進(jìn)行改革，以恢復(fù)這門(mén)課程的生命力，從而滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需要。因此，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)考核，注重應(yīng)用，淡化死記硬背的測(cè)試方法。充分利用試題收集和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與應(yīng)用的統(tǒng)一。作者以“專(zhuān)業(yè)知識(shí)評(píng)估+實(shí)踐評(píng)估”的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，20%-30%的比例來(lái)評(píng)估學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)，70%-80%的比例在實(shí)踐中評(píng)估和檢驗(yàn)，主要考查學(xué)生熟練運(yùn)用單片機(jī)Proteus仿真軟件和Keil編譯軟件的能力，使學(xué)生掌握先進(jìn)的單片機(jī)編程工具和設(shè)計(jì)方法，由幾個(gè)學(xué)生組成一個(gè)考核小組，給每個(gè)考核小組一個(gè)測(cè)試題目，在以小組為考核單元的情況下，每個(gè)學(xué)生都應(yīng)該解決題目中相關(guān)的問(wèn)題，這樣可以區(qū)分并促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的統(tǒng)一。

四、基于AT89C51單片機(jī)的城市交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)研究實(shí)例

下面，結(jié)合筆者在指導(dǎo)學(xué)生基于AT89C51單片機(jī)課程實(shí)際教學(xué)案例來(lái)說(shuō)明如何進(jìn)行教學(xué)改革以及培養(yǎng)學(xué)生思考的獨(dú)立性。教學(xué)系統(tǒng)主要以DB-52EH萬(wàn)能單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為平臺(tái)，使其能夠模仿城市十字路口交通燈的功能，并且能夠滿(mǎn)足特殊的控制要求。設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的智能交通燈控制系統(tǒng)，使得東西和南北兩個(gè)方向的交叉路口所行進(jìn)的車(chē)輛分時(shí)準(zhǔn)行與禁行，并且兩個(gè)方向能夠根據(jù)車(chē)流量的大小來(lái)自行智能調(diào)節(jié)通行時(shí)間，車(chē)流量大的方向，則通行時(shí)間長(zhǎng)；反之，車(chē)流量小的方向則通行時(shí)間短。

筆者在講解中，首先給與充分的時(shí)間來(lái)讓學(xué)生們自行了解AT89C51單片機(jī)的工作原理，讓學(xué)生們將單片機(jī)理論與十字路口交通燈實(shí)踐相結(jié)合，并讓學(xué)生們了解AT89C51單片機(jī)應(yīng)用的前景，讓學(xué)生們清楚AT89C51單片機(jī)重難點(diǎn)的劃分，并注意不同學(xué)生之間理解能力的層次差別等。在學(xué)習(xí)AT89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，包括十字路口交通燈部分、人行道紅綠燈部分、緊急情況控制系統(tǒng)部分以及通行時(shí)間調(diào)節(jié)電路部分。理論與實(shí)踐的結(jié)合不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有課堂教學(xué)手段的補(bǔ)充，還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模教學(xué)，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的教學(xué)過(guò)程和認(rèn)真制作的教學(xué)資源，使得教學(xué)效率更高。

在講解AT89C51單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在學(xué)生思維受卡處提供思維誘因，在學(xué)生思維狹窄時(shí)培養(yǎng)他們思維的廣闊性，在學(xué)生思維膚淺時(shí)發(fā)展他們思維的深刻性。然后設(shè)計(jì)各種單片機(jī)實(shí)驗(yàn)功能，將單片機(jī)各知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合于軟件程序設(shè)計(jì)中，這些程序設(shè)計(jì)結(jié)合著硬件設(shè)備要帶有最大可能的興趣性，而不是枯燥的軟件編，這可以極大地激發(fā)學(xué)生的興趣和想象力，化被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。最終指導(dǎo)學(xué)生們完成如表1所示的程序執(zhí)行表達(dá)表格。

經(jīng)過(guò)硬件系統(tǒng)的元件選擇和軟件系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計(jì)以及各種數(shù)據(jù)的計(jì)算，學(xué)生們大多數(shù)得出圖2的結(jié)果，筆者進(jìn)而對(duì)其打分并完成整個(gè)系統(tǒng)的模擬仿真和設(shè)計(jì)工作。

在學(xué)生了解了硬件及軟件的使用后，學(xué)生順利地得出仿真結(jié)果，從圖2中可以看出各個(gè)參數(shù)仿真結(jié)果和變化，圖中的數(shù)據(jù)也很直觀。但是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能還是不夠完善，在將來(lái)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)還將增加更多功能，比如對(duì)于時(shí)間的隨意控制調(diào)節(jié)，加入攝像頭監(jiān)控的檢測(cè)方式，以及盲人在通過(guò)時(shí)對(duì)交通燈的控制等，另外隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，還可以將無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用到智能交通的控制系統(tǒng)中，以使系統(tǒng)更加智能和完善。

五、結(jié)論

單片機(jī)技術(shù)已成為目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速的一項(xiàng)前沿技術(shù)領(lǐng)域，是機(jī)械電子工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生需要具備的一項(xiàng)實(shí)用技能，本文針對(duì)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式和手段的不足，針對(duì)性地提出了新穎的教改思路，主要解決在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)過(guò)程中的教學(xué)難點(diǎn)，本教學(xué)改革具有很強(qiáng)的教學(xué)方法先進(jìn)性，可操作性強(qiáng)，通過(guò)實(shí)際教學(xué)案例說(shuō)明該方法具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。最后以實(shí)際問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，旨在為智能交通領(lǐng)域做出一小步的突破，來(lái)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的交通燈功能、倒計(jì)時(shí)顯示等功能，得到了不錯(cuò)的教學(xué)結(jié)果。

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