技校《單片機原理與應用》課程教學方法的探討

黃　勇

作為自動控制技術核心的單片機具有體積小、功能強、成本低、應用靈活等優點。通過這幾年《單片機原理與應用》課程的教學，筆者對于如何采用適當的教學方法提高該課程的教學效果有如下一些體會。

一、傳統教學方法存在的弊端

傳統的學科教學法以單片機教材的知識結構為主線，強調理論知識體系的完整性、嚴密性。把單片機知識系統按教材的章節分成硬件結構、指令系統、軟件編程、系統的擴展和各種外圍器件的應用，授課過程也是按這一順序實施的。一學期下來，教師感覺教學難度很大，學生也普遍感到這門課程難學。

作為技校生，他們以前沒有接觸過有關計算機結構方面的知識，一開始就去學習單片機硬件結構，要理解控制器、運算器、存儲器、總線、地址的作用和相互關聯并不是一件簡單的事。實際結果也是不管教師用盡什么樣的形象比喻來講解，到頭來學生們還是一頭霧水。

目前各技工學校采用的單片機教材基本上都是以單片機結構為主線來講述單片機原理與應用，在教材的編排上沒有考慮技校生的接受能力，使得學生在學習的過程中不斷遇到挫折，于是問起學生對學習單片機課程的感受時也只有“生澀難懂”四個字了。

二、對單片機課程教學方法的改進

我們的具體做法是：改過去的以理論教學為主為現在的以實驗項目為主，將理論與實驗項目有機地結合起來，打破課堂教學按教材章節順序進行的慣例，以實驗項目作為實施教學的依據。在教學中，首先分析課程的知識目標和能力目標，將整個課程劃分為若干個具有遞進性和連貫性的“項目”。每個項目都是一個完整的單片機應用系統的開發，都包含了教學大綱所要求的相應知識點，由淺入深地把單片機的軟、硬件知識和單片機的應用技能滲透到各實驗項目的具體實施過程中。

三、分步驟講授《單片機原理與應用》的具體方式及案例

筆者在講授《單片機原理與應用》時主要分成以下六個步驟：

第一步：根據《單片機原理與應用》課程的知識體系，前期花大力氣開發出了一塊與教學大綱相適應的實驗板，具體的實驗項目有：單片機最小應用系統（控制一盞燈的亮、滅）、流水燈程序設計、百秒計數器程序設計、搶答器程序設計、音樂演奏程序設計、電子鐘程序設計等，這些實驗項目基本涵蓋了單片機課程的主要內容。

第二步：以每次實驗項目為教學內容編寫實用的校本講義。該類項目教學要求課程內容與課程實施的手段相吻合，因此編寫具有針對性的校本講義顯得尤為重要。

講義內容包括：實驗目的、編程要求、硬件電路說明、應用程序設計、程序調試（利用Protues仿真軟件，其電路見圖1）、具體電路的焊接及程序的寫入等。

第三步：課堂上圍繞當次的實驗項目內容，講清涉及的硬件、指令、編程方法及該項目的學習目的，要求學生對各知識點達到基本理解的程度。

第四步：在實驗室利用Protues仿真軟件對學生編寫的程序進行仿真、調試。

Protues仿真軟件是一款最新的EDA工具軟件，相對于以往的EWB（Electronics Work Bench）等仿真軟件具有一系列非常突出的優點。它不僅具有其他EDA工具軟件的一般電路的仿真功能，還能仿真單片機及其各種外圍器件。在Protues中繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，就可以在Protues的仿真電路圖中看到模擬的實物運行狀態和過程。

第五步：在實驗室指導學生焊接具體的實驗電路并利用燒錄器寫入程序，觀察實際的單片機實驗板的運行效果。

第六步：對該實驗項目進行總結，并布置一個與所學項目相似的單片機應用系統的設計任務，讓學生獨立完成程序的編寫，并要求在Protues上調試通過，以檢驗學習效果。

四、分步驟講授的案例——流水燈設計項目

1.項目確定

開發一個流水燈產品。

2.項目分析

師生共同分析該流水燈電路的結構特點、電路焊接要求及完成該項目的工作步驟。教師引導學生在教材或其他參考書中查找相關程序和硬件電路圖的資料，并講解、演示實驗過程中要用到的編程器，以及Protues仿真軟件等儀器設備的使用方法。

3.制定計劃

師生共同探究、制定出詳細的項目實施計劃：

（1）分小組討論硬件電路圖的設計；

（2）教師指導各小組探討流水燈程序的編寫方法；

（3）學生獨立用Protues仿真軟件校驗自己編寫的程序；

（4）小組之間交流程序的編寫技巧；

（5）各小組完成電路焊接并將程序燒入單片機；

（6）教師檢查各小組單片機流水燈產品的焊接工藝和實驗的效果。

4.項目實施

在教師的引導和幫助下，學生按照計劃在規定時間內完成各階段的任務，并寫出詳細的活動記錄，記錄內容包括硬件電路的焊接、利用Protues仿真軟件對所編程序調試和仿真、用編程器將程序寫入到單片機中觀察到的實際運行效果等。

5.項目評價

教師評價各小組實驗項目完成的效果和質量。具體評價內容包括：程序設計的合理性、實驗板的焊接工藝、編程器和仿真器使用的熟練程度、學生獨立處理問題以及合作交流能力等。

附：流水燈實驗項目校本講義的具體內容

（1）編程要求。流水燈程序：實現8個LED燈的循環點亮, 要求用三種方法實現。

（2）硬件電路。本流水燈實際上就是一個帶有八個發光二極管的單片機最小應用系統，即由發光二極管、晶振、復位、電源等電路和必要的軟件組成。

從圖1中可以看出，如果要讓接在P1.0口的LED1亮起來，那么只要把P1.0口的輸出變為低電平即可；相反，如果要接在P1.0口的LED1熄滅，就要把P1.0口變為高電平；同理，接在P1.1～P1.7口的其他7個LED的點亮和熄滅的方法同LED1。因此，要實現流水燈功能，我們只要將發光二極管LED1～LED8依次點亮、熄滅，8只LED燈便會一亮一暗地形成流水的效果。由于人眼的視覺暫留效應及單片機執行每條指令的時間都只有幾微秒，因此我們在控制發光二極管亮、滅的時候要采用延時程序保持一段時間，否則我們將會看不到“流水”的效果。

（3）應用程序設計。軟件兩部分組成，硬件電路搭建完后，我們還不能看到流水燈循環點亮的效果，我們還需要告訴單片機怎么來進行工作，即編寫程序去控制單片機P1端口各管腳電平的高、低變化，來實現發光二極管的一亮一滅。軟件編程是單片機應用系統中的一個重要的組成部分，是單片機學習的重點和難點。實現流水燈的功能可有以下幾種軟件編程方法。

位控法。這是一種不夠靈活但又最易理解的方法，采用順序程序結構，用位指令控制P1口的每一位輪流輸出高、低電平，從而來控制相應LED燈的亮、滅。

循環移位法。在上面的位控法中我們是通過逐個控制P1端口的每一位來實現流水燈效果的，因此程序顯得不夠靈活。我們可以利用循環移位指令，采用循環程序結構進行編程。在程序一開始就給P1口送一個八位的二進制數01111111，這個數本身就讓P1.0先低，其他位為高。延時一段時間后，再讓這個數據向高位移動，然后再輸出至P1口。這樣也可以實現“流水”效果。由于8051系列單片機的指令中只有對累加器ACC中數據左移或右移的指令，因此實際編程中我們應把需移動的數據先放到ACC中，然后將ACC移動后的數據再轉送到P1口。（具體程序略）

查表法。上面的兩個程序都是比較簡單、易懂的流水燈程序，但“流水”花樣只能實現單一的“從左到右”或“從右到左”。而采用查表法所編寫的流水燈程序，能夠實現任意方式的流水效果，只要更改流水花樣數據表中的流水數據即可，真正實現各種隨心所欲的流水燈效果。

我們首先把要顯示流水花樣的數據建在一個以TAB為標號的數據表中，然后通過查表指令“MOVCA，@A+DPTR”把數據取到累加器A中，然后再送到P1口進行顯示。

（4）項目小結。當上述程序編寫好以后，我們需要使用Keil編譯軟件對其編譯，得到單片機所能識別的二進制代碼，然后再用編程器將二進制代碼燒錄到AT89C51單片機中，此時我們就可以看到LED1～LED8的“流水”效果了。

上面程序實現的流水燈功能都比較簡單，在對該實驗項目進行總結后，布置一個與流水燈項目相似的單片機應用系統的設計任務，讓學生獨立完成程序的編寫及調試。

采用這種實驗項目教學法后，我們把理論上深奧枯燥的知識變成了看得見、摸得著的實際單片機應用電路，極大地調動了學生的學習興趣，取得了明顯的教學效果。

（作者單位：廣東省中山市高級技工學校）