“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

曾衛(wèi)華

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程是高等院校測(cè)控技術(shù)與儀器、電子信息工程、通信工程、自動(dòng)化、電氣控制等專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課。

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握程序設(shè)計(jì)的基本方法和技巧，培養(yǎng)自身對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和從事自動(dòng)化系統(tǒng)及相關(guān)領(lǐng)域科研開(kāi)發(fā)工作打下良好基礎(chǔ)。因此搞好單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力具有重要的意義[1]。然而由于歷史原因，單片機(jī)教學(xué)始終存在以下主要問(wèn)題: 教學(xué)內(nèi)容難于與時(shí)俱進(jìn)，教材更新周期較長(zhǎng)；重理論輕實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生僅對(duì)單片機(jī)的原理、概念有所了解，沒(méi)有掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)，這與社會(huì)需求存在較大差距[1]；網(wǎng)絡(luò)信息化教學(xué)程度低，學(xué)生的課內(nèi)課外訓(xùn)練和自主性學(xué)習(xí)條件差；實(shí)驗(yàn)安排不盡合理，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，綜合性實(shí)驗(yàn)不足。

圍繞上述問(wèn)題，筆者近年來(lái)結(jié)合教學(xué)改革，通過(guò)與學(xué)生的密切配合，不斷地嘗試和實(shí)踐，在單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段等方面進(jìn)行了改革與探索，并摸索出一套行之有效的教學(xué)模式，較好地實(shí)現(xiàn)了人才培養(yǎng)與社會(huì)需求之間的有效對(duì)接。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

1.1 課堂教學(xué)內(nèi)容改革

(1) 編程以單片機(jī)C51語(yǔ)言為主。從單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展與就業(yè)市場(chǎng)的需求出發(fā)，單片機(jī)編程語(yǔ)言以C51為主，在學(xué)時(shí)充裕的情況下，可以先講授單片機(jī)匯編語(yǔ)言。

(2) 增加串行擴(kuò)展技術(shù)，強(qiáng)化最小系統(tǒng)。單片機(jī)發(fā)展趨勢(shì)是SoC片上系統(tǒng)或用于完成特定功能的小系統(tǒng)。所以在教學(xué)中，將重點(diǎn)放在單片機(jī)最小系統(tǒng)，考慮到外圍接口串行化的趨勢(shì)，增加I2C、SPI、單總線等串行總線內(nèi)容，并通過(guò)實(shí)例講解AT24C64、DS1302、PCF8591等串行接口器件和串行擴(kuò)展中常用的模擬時(shí)序編程方法。

(3) 教學(xué)中融入最新實(shí)用開(kāi)發(fā)軟件。打破傳統(tǒng)的單片機(jī)課程內(nèi)容與實(shí)際開(kāi)發(fā)脫節(jié)且只學(xué)不練的局面，將單片機(jī)開(kāi)發(fā)的最新工具軟件和調(diào)試設(shè)備有機(jī)地融于教學(xué)中，如μVision、Proteus、IAR及JTAG調(diào)試器等。單片機(jī)總線擴(kuò)展操作是教學(xué)實(shí)踐中的重點(diǎn)，其時(shí)序是難點(diǎn)，為便于學(xué)生理解，教師引導(dǎo)學(xué)生利用基于Proteus+Keil軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在80C51單片機(jī)上擴(kuò)展一個(gè)8 KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。學(xué)生自主完成的實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，通過(guò)邏輯分析儀可實(shí)時(shí)觀測(cè)引腳波形。該方法在提高教學(xué)的直觀性和形象性、提高學(xué)生軟硬件綜合開(kāi)發(fā)的能力和學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，加深了學(xué)生對(duì)單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提高了教學(xué)質(zhì)量。

圖1 單片機(jī)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展虛擬實(shí)驗(yàn)

(4) 增加新品種單片機(jī)和其他品種單片機(jī)介紹。在教學(xué)中將新單片機(jī)(如STC可仿真的高速1T STC15系列單片機(jī)、C8051F系列單片機(jī)、AT89S52)和其他非51系列的單片機(jī)作簡(jiǎn)單介紹(如AVR、PIC、MC68等)，鼓勵(lì)學(xué)生在各種訓(xùn)練中予以使用，特別是支持ISP、IAP的機(jī)型，讓學(xué)生了解本行業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的選型能力和跟蹤國(guó)際新技術(shù)的能力。

(5) 在教學(xué)中融入最新實(shí)用實(shí)例。選取教師親自實(shí)踐過(guò)的最新應(yīng)用案例，分解為相應(yīng)的知識(shí)模塊，融入教學(xué)。如教師自制的單片機(jī)系列實(shí)驗(yàn)板、基于單片機(jī)(含ARM)完成的最新科研成果，對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講解、演示，復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程則制成視頻錄像或?qū)⒃O(shè)計(jì)文件掛在網(wǎng)站，供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)。

(6) 側(cè)重共性技術(shù)，理論知識(shí)以夠用為度。在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)和強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐開(kāi)發(fā)能力的要求下，對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部資源著重講解常用的知識(shí)點(diǎn)，避免繁瑣的理論占用過(guò)多的教學(xué)學(xué)時(shí)。

(7) 更新知識(shí)系統(tǒng)編排。整合教材內(nèi)容，以任務(wù)為中心，將單片機(jī)課程劃分為硬件模塊、編程模塊、接口模塊、開(kāi)發(fā)模塊、其他模塊共5個(gè)知識(shí)模塊，應(yīng)用于課堂教學(xué)和課下提供錄像，這樣在教學(xué)中給學(xué)生一定的自學(xué)習(xí)與自研究空間，同時(shí)將課程學(xué)習(xí)難點(diǎn)分散在不同的模塊上，合理分配教學(xué)任務(wù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)，因此在教學(xué)上不僅要注重培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，更應(yīng)注重實(shí)踐教學(xué)，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[2]。

(1) 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)管理。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，積極引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。另外，要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)都盡可能采用不同的方法實(shí)現(xiàn)，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)去分析、比較每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，讓學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)盡量多實(shí)踐、多思考。比如，單片機(jī)USART串口通信實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以采用中斷方式，也可以采用查詢(xún)方式處理；延時(shí)可以用軟件實(shí)現(xiàn)也可以用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)；數(shù)碼管顯示可以采用共陰極的LED，也可以采用共陽(yáng)極的LED 等等。對(duì)于這些，要求學(xué)生都能靈活運(yùn)用不同的編程方法實(shí)現(xiàn)[3]。

(2) 強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)用性很強(qiáng)。學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)，能夠綜合應(yīng)用單片機(jī)知識(shí)來(lái)完成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，培養(yǎng)和提高其實(shí)踐動(dòng)手能力。在課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)把單片機(jī)知識(shí)的融會(huì)貫通，學(xué)生可以提高解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)應(yīng)以學(xué)生為主體，課程設(shè)計(jì)的題目要多樣化。學(xué)生選好題后，先進(jìn)行調(diào)研，確定設(shè)計(jì)方案，再在Proteus中設(shè)計(jì)硬件電路，并在μVision中編程調(diào)試，然后將兩個(gè)軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)。當(dāng)仿真成功之后，再購(gòu)買(mǎi)元器件，進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)、元器件焊接、系統(tǒng)調(diào)試，最終完成實(shí)物。在課程設(shè)計(jì)中我們著重要求，利用宏晶單片機(jī)軟件STC-ISP 實(shí)現(xiàn)在線串行下載程序，這樣學(xué)生只要有一臺(tái)電腦和一根串行下載線，就可以在課外進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，從而擴(kuò)展了學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究的時(shí)間和空間，而不必受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的限制，這給課程設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性，也同時(shí)為學(xué)生的主觀能動(dòng)性發(fā)揮創(chuàng)造了條件。通過(guò)課程設(shè)計(jì)扎實(shí)的訓(xùn)練，學(xué)生基本掌握了單片機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程，為后面的畢業(yè)設(shè)計(jì)及走向工作崗位打下了較好的基礎(chǔ)。

(3) 增設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。綜合性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的重要途徑。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)綜合性51實(shí)驗(yàn)電路板，它包括多個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)K：時(shí)鐘計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)、信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)、溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)、藍(lán)牙通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、多音階電子琴的設(shè)計(jì)，可以看出每個(gè)模塊都是單片機(jī)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。

2 教學(xué)方法與手段改革

2.1 教學(xué)方法改革

(1) 興趣驅(qū)動(dòng)。上第一堂課時(shí)，我們就把學(xué)生研發(fā)的單片機(jī)系列實(shí)驗(yàn)板、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的成果帶進(jìn)教室，通過(guò)實(shí)物展示和視頻錄像使學(xué)生對(duì)單片機(jī)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)在興趣實(shí)驗(yàn)板上現(xiàn)場(chǎng)演示簡(jiǎn)單程序設(shè)計(jì)和操作示范，激發(fā)學(xué)生的好奇心。

(2) 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)。以科研、企業(yè)項(xiàng)目為主驅(qū)動(dòng)源，將教師的科研或企業(yè)項(xiàng)目、創(chuàng)新命題、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目等分解為學(xué)生課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，如單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電子測(cè)量集成儀器(包括頻率計(jì)、信號(hào)發(fā)生器、相位差計(jì)、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀、數(shù)控電源、掃頻儀等)、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、小型Web 服務(wù)器等，都提煉成一個(gè)個(gè)設(shè)計(jì)題目，使教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系。

(3) 任務(wù)驅(qū)動(dòng)[4]。為突出學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主體地位，對(duì)課程設(shè)計(jì)提前3周布置任務(wù)，對(duì)課程實(shí)驗(yàn)中的綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提前2周布置任務(wù)，提出要求，給予適當(dāng)提示，讓學(xué)生2人一組課后去查找資料，在課外先利用軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)完成設(shè)計(jì)與仿真，待教師審閱后方才進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室調(diào)試運(yùn)行。

(4) 教、學(xué)、做一體化。邊學(xué)、邊干是學(xué)習(xí)單片機(jī)最好、最快捷的學(xué)習(xí)方法。鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)軟件仿真、實(shí)際制作，理解鞏固所學(xué)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)合視頻演示，一人一機(jī)，邊講、邊學(xué)、邊練，實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)輔導(dǎo)的互動(dòng)教學(xué)方法，一次一個(gè)班，保證師生比大于1：25。主講教師與實(shí)驗(yàn)人員共同指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生課外單片機(jī)設(shè)計(jì)制作輔導(dǎo)，做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)課內(nèi)課外互補(bǔ)。

(5) 利用網(wǎng)絡(luò)資源深化教學(xué)。建設(shè)良好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，建立單片機(jī)課程管理信息系統(tǒng)，整合教學(xué)資源，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資料、靈活主動(dòng)的學(xué)習(xí)方式和師生互動(dòng)平臺(tái)，有效地使課堂講授與課后交流有機(jī)地結(jié)合在一起。

2.2 教學(xué)手段改革

(1) 結(jié)合教學(xué)需要，重新編寫(xiě)教材并研制與之配套的單片機(jī)系列課外實(shí)驗(yàn)板，為學(xué)生的第二課堂活動(dòng)的開(kāi)展提供便利，強(qiáng)化第一課堂和第二課堂的互補(bǔ)，滿(mǎn)足學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的需要[5]。

(2) 研制單片機(jī)多媒體課件。依托現(xiàn)有教學(xué)資源，逐步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)手段與現(xiàn)代教學(xué)手段的有機(jī)融合。在多媒體制作中，使用常用的開(kāi)發(fā)軟件，如μVision，Proteus 軟件，建立一個(gè)軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)；在課件中導(dǎo)入工程案例，如單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板研制、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例等。以真實(shí)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，在實(shí)踐中學(xué)[6]。

3 考核方式改革

學(xué)生成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)兩部分組成，考慮到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能在本課程中的重要性，以及單純對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和概念進(jìn)行考核的卷面考試無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生之間差異的現(xiàn)狀，我們對(duì)原有考核方式的成績(jī)構(gòu)成和比重進(jìn)行了調(diào)整。最終成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)構(gòu)成，各占50%。考勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課堂測(cè)驗(yàn)以1:2:2的權(quán)重構(gòu)成平時(shí)成績(jī)。教師通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課堂測(cè)驗(yàn)的成績(jī)比重，引導(dǎo)學(xué)生注重單片機(jī)的實(shí)踐與應(yīng)用，督促其重視平時(shí)課程的學(xué)習(xí)，幫助他們走出考前臨時(shí)抱佛腳的誤區(qū)。

具體實(shí)現(xiàn)流程為：在每一章講解結(jié)束時(shí)，教師都會(huì)精心布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)并進(jìn)行章節(jié)測(cè)驗(yàn)，以反饋學(xué)生的掌握情況；針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生之間或與教師進(jìn)行交流，該方法不僅強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶，也鍛煉了學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際操作中的能力。

4 單片機(jī)教學(xué)改革成果

我們通過(guò)近幾年教學(xué)改革的摸索與實(shí)踐，取得了一定的成績(jī)。學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力得到了全面提升，學(xué)生在參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、飛思卡爾智能車(chē)等各種比賽中，參賽組的獲獎(jiǎng)數(shù)較以往有了較大的增加，獲獎(jiǎng)等級(jí)也逐步提升，在2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中首獲全國(guó)一等獎(jiǎng)，取得了近年來(lái)最喜人的成績(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)我院“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)改革，特別是實(shí)踐教學(xué)方面改革后，課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)反饋的信息表明學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)明顯提高；企業(yè)調(diào)查反饋的信息表明，學(xué)生對(duì)企業(yè)技術(shù)工作的適應(yīng)能力增強(qiáng)了，知識(shí)面拓寬了，解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力得到了提高，基本滿(mǎn)足了社會(huì)對(duì)新型單片機(jī)應(yīng)用型人才的要求。在教改過(guò)程中我們體會(huì)到：應(yīng)該不斷地更新教學(xué)內(nèi)容，采用先進(jìn)的教學(xué)方法，合理安排教學(xué)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，重基礎(chǔ)更注重應(yīng)用，只有如此才能培養(yǎng)出具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)、具備實(shí)踐能力、符合社會(huì)需要的技術(shù)人才。