單片機原理與接口技術(shù)課程教學(xué)模式改革探索

丁保華 張有忠

[摘 要]單獨開設(shè)單片機原理與接口技術(shù)的理論課程和實驗課程，教學(xué)內(nèi)容及其系統(tǒng)性大大增加了。理論教學(xué)內(nèi)容模塊化，采用貫穿的實例將知識點構(gòu)成有機的整體以及軟件虛擬仿真教學(xué)，使課堂教學(xué)前后連貫、生動形象。獨立實驗克服了實驗受課堂教學(xué)的束縛，時間靈活，選修實驗有效增加，激發(fā)學(xué)生實驗的主動性，有利于學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)和個性發(fā)揮，切實提高教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]課程教學(xué) 教學(xué)改革 獨立實驗 單片機

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）01-0158-03

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的迅速普及，單片機原理與接口技術(shù)課程是作為機電等相關(guān)專業(yè)的主干課程開設(shè)的，是理論與實踐結(jié)合非常緊密的課程。[1]主要介紹一種典型類型單片機的基本硬件組成，指令系統(tǒng)和程序結(jié)構(gòu)，單片機常用外圍接口芯片的接口電路及編程，單片機的實際系統(tǒng)應(yīng)用等。[2]通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具有開發(fā)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的初步能力，包括軟件、硬件及系統(tǒng)等，為后續(xù)的專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。為了提高單片機的教學(xué)效果，人們也不斷進行教學(xué)方法、內(nèi)容、手段的改革與探索實踐，取得了一定的成績。[3] [4]不過學(xué)生仍感覺到課程內(nèi)容抽象，建立單片機系統(tǒng)的概念困難。當然這與學(xué)生自身的相關(guān)知識儲備有關(guān)，但從單片機教學(xué)的角度出發(fā)仍然有許多方面值得教師研究和探索，切實有效提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、單獨開設(shè)單片機理論課程和實驗課程

單片機課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式是把理論教學(xué)和實驗教學(xué)作為一門課程來進行的，也就是常說的理論和實驗混編課程，實驗形式叫課內(nèi)實驗，這是大多數(shù)課程采用的教學(xué)模式。[5] [6]這種模式對實驗內(nèi)容多、實踐要求很高的單片機課程教學(xué)明顯不足。

首先，是實驗學(xué)時數(shù)明顯不足且難以協(xié)調(diào)。原來的單片機課程總學(xué)時為48，其中包括安排了10個學(xué)時的實驗。這對于課程實驗學(xué)時的占比來說已經(jīng)是比較高的了，但對于單片機這類課程要進行較全面系統(tǒng)的實踐訓(xùn)練是遠不夠的，只能安排少學(xué)時的驗證性實驗，同時也給出了參考程序和實驗步驟。這樣雖然加快了實驗周期，但學(xué)生獨立思考能力、動手實踐能力和創(chuàng)新能力得不到有效的鍛煉。同樣隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，串行通訊及低功耗串行器件在微控制器中的廣泛應(yīng)用，要求掌握的內(nèi)容也在增加和變化，38學(xué)時的課堂理論學(xué)時也是不夠的。在課程總學(xué)時確定的情況下，調(diào)整實驗與理論之間的學(xué)時分配也很困難。

其次，理論教學(xué)限定了實驗時間的靈活性和內(nèi)容的擴展性。對于混編課程，課堂理論教學(xué)和實驗教學(xué)最終給出一個總成績，理論和實驗各占一部分，兩者在時間上就存在制約。一般是課堂教學(xué)結(jié)束，實驗也基本上要完成，否則將會影響考試的時間安排和成績的評定。這樣就造成實驗周期較短且相對集中，在這段時間實驗室的負荷非常高，實驗的時間安排非常緊密，靈活性受到很大的限制，甚至影響正常的實驗開展。

為了加強單片機課程的教學(xué)，特別是加強實驗教學(xué)，將原單片機原理及應(yīng)用混編課程改為單片機原理與接口技術(shù)理論課（學(xué)時48）和實驗課（學(xué)時24），兩門在形式上完全獨立的課程。這不僅僅是學(xué)時數(shù)和內(nèi)容的增加，而且使得課堂理論教學(xué)和實驗教學(xué)能夠根據(jù)各自的不同特點和差異，改革完善各自的教學(xué)模式及教學(xué)方法，有助于實驗教學(xué)改革，改變實驗長期作為課堂理論教學(xué)輔助地位的狀況，實現(xiàn)理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩條腿走路。

二、單片機課堂理論教學(xué)模式及方法探索

對初學(xué)者來講單片機的內(nèi)容抽象，同時需要一定的電子技術(shù)知識支撐，對知識綜合性、實踐性要求都比較高，學(xué)生總感覺內(nèi)容零散難以構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)用。因此在大力加強實踐教學(xué)的同時，對單片機課堂理論教學(xué)的模式及方法等許多方面同樣需要改革和探索。

（一）模塊及層次化的教學(xué)內(nèi)容組合

單片機常規(guī)教學(xué)一般都是按照教材的先后順序講授單片機的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)，匯編語言程序設(shè)計方法和技巧、定時計數(shù)器及中斷系統(tǒng)、串行口通訊，單片機的擴展、人機和機電接口應(yīng)用等，知識點較多，前后知識有機聯(lián)系弱，難以構(gòu)成完整系統(tǒng)性的概念。為此，從系統(tǒng)角度出發(fā)將單片機內(nèi)容劃分為硬件結(jié)構(gòu)、軟件程序、外部擴展、應(yīng)用實例等四大模塊，每個內(nèi)容模塊中又劃分有不同的知識層次子模塊。[7]如硬件結(jié)構(gòu)模塊劃分為單片機核心基礎(chǔ)層（包括寄存器、存儲器結(jié)構(gòu)、端口等）和片內(nèi)功能層子模塊（包括中斷、定時器、串口等）;軟件程序模塊包括指令基礎(chǔ)子模塊和基礎(chǔ)程序設(shè)計子模塊等。在課程講授的開始就讓學(xué)生對單片機三大模塊的關(guān)系有初步的感受，并在后期交叉講授過程中不斷強化認識，建立知識與系統(tǒng)的概念。

如何建立軟硬件之間的聯(lián)系對理解單片機是非常重要的，教學(xué)中要加強軟硬件模塊之間聯(lián)系的講解。指令是編程的基礎(chǔ)，但一條條指令的講解又是非常枯燥的事情，因此要求學(xué)生強化課下的指令記憶，課堂上著重講解典型指令、指令對比以及和硬件存儲關(guān)系等。如傳送指令MOV、MOVX和MOVC的區(qū)別和對應(yīng)存儲空間的位置;堆棧指令PUSH、POP對指針的影響及調(diào)整初始指針的原因;比較指令CJNE和減法指令SUB實現(xiàn)同樣功能的編程等;對于功能部件及擴展器件則加強軟件與硬件結(jié)合的講解，如何實現(xiàn)接口的編程。這樣使學(xué)生逐步建立單片機軟硬件系統(tǒng)結(jié)合的方法。

（二）適當引入虛擬仿真教學(xué)

單片機的廣泛應(yīng)用使得其軟件的虛擬仿真技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。Keil軟件是單片機開發(fā)軟件，它支持包括51系列等流行單片機的宏匯編及C語言的程序編譯、連接及仿真調(diào)試等;Proteus軟件電路設(shè)計和分析軟件，可以進行硬件電路原理圖設(shè)計、PCB電路板布線及電路仿真，還可以結(jié)合單片機的軟件實現(xiàn)軟硬件的聯(lián)合仿真。因此通過Keil軟件環(huán)境中編寫單片機程序，Proteus軟件環(huán)境中設(shè)計相應(yīng)的單片機硬件電路，然后通過兩個軟件的關(guān)聯(lián)就可以模擬將程序加載到單片機中進行仿真了。[8]

在單片機的課堂教學(xué)中適當引入Keil和Proteus軟件，用它們編寫軟件、設(shè)計電路和虛擬仿真，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生嚴謹仔細地編寫指令和設(shè)計硬件電路的態(tài)度，還可以使枯燥的單片機學(xué)習(xí)變得直觀、形象和生動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，提高教學(xué)的效果。當然，軟件仿真和單片機的實際系統(tǒng)還是有差異的，只是驗證其邏輯關(guān)系。但在單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程中先在PC電腦上進行軟硬件結(jié)合的虛擬仿真，不僅可以縮短開發(fā)時間，節(jié)約硬件成本，而且使開發(fā)的初期過程變得簡單、直觀，對于既要學(xué)習(xí)單片機并不需要進行實物開發(fā)的廣大學(xué)生來說更是很好的學(xué)習(xí)軟件。

（三）一個應(yīng)用實例貫穿教學(xué)始終

學(xué)生對單片機比較困惑的是相關(guān)的內(nèi)容學(xué)完后認識還是比較零散，不知道該如何應(yīng)用。老師在講授過程中，不同的章節(jié)也會舉一些局部的應(yīng)用實例，各個實例僅僅是局部詳細的，但缺乏整體性，不同章節(jié)例題很少有關(guān)聯(lián)性，老師感覺基本應(yīng)用都講解了，但學(xué)生仍難以有效建立整體系統(tǒng)應(yīng)用的觀念。

為了強化學(xué)生單片機系統(tǒng)應(yīng)用的理解，在教學(xué)的開始就提出一個具體的應(yīng)用實例，并貫穿整個課堂教學(xué)活動中。例如溫度對學(xué)生來說是一個很熟悉的，因此就提出單片機溫度測量系統(tǒng)設(shè)計的實例，可以是教室的、宿舍的溫度測量，給出實時溫度顯示，并模擬給出控制信號（模擬空調(diào)電機控制）、超限報警等。教師還可將相關(guān)的內(nèi)容分散到各個章節(jié)中介紹，最后構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。在講解軟件程序設(shè)計時，介紹如何根據(jù)已知數(shù)（模擬采集的溫度數(shù)據(jù)）通過查找比較編程來確定溫度;在講解中斷及定時器時，介紹如何用定時中斷的方法進行定時溫度信號的采樣;在講解鍵盤及顯示時，如何設(shè)定溫度值，顯示鍵盤功能及數(shù)據(jù)，然后再返回顯示實時溫度等接口編程;在講解A/D時，以AD590集成溫度傳感器講解電壓與溫度的關(guān)系（輸出電壓可以用電位器模擬），A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量對應(yīng)關(guān)系;在講解D/A時，講如何輸出電壓或電流信號，以模擬控制調(diào)節(jié)空調(diào)電機。然后進行問題實例總結(jié)，給出完整的軟件編程和硬件電路，并進行Keil和Proteus軟件的仿真。這樣學(xué)生比較容易將單片機的知識點串成一個有機的系統(tǒng)，有效掌握設(shè)計的基本方法。

三、單片機獨立實驗教學(xué)模式改革

獨立開設(shè)單片機實驗課程的學(xué)時數(shù)大大增加了，實驗內(nèi)容的系統(tǒng)性得到了充分的保證，可以使學(xué)生對單片機的存儲器結(jié)構(gòu)、匯編程序編寫設(shè)計、定時/計數(shù)器和中斷應(yīng)用、并行/串行通訊方式、A / D和D / A轉(zhuǎn)換、鍵盤和顯示、系統(tǒng)實際應(yīng)用等方面得到較為完整系統(tǒng)的訓(xùn)練。與原來的單片機課內(nèi)實驗的模式相比優(yōu)勢是顯見的，更能反映學(xué)生實驗的本質(zhì)特點。獨立課程的實驗使得實驗在時間安排上更寬泛和靈活了，不再受課堂教學(xué)的嚴格束縛，實驗時間可以安排在整個學(xué)期內(nèi)。學(xué)生選做實驗項目的自由度大大提高了，前期有充足的時間對實驗內(nèi)容進行預(yù)習(xí)和軟件仿真，有助于學(xué)生自主實驗的開展，實行開放式的實驗教學(xué)[9]，也促進實驗教學(xué)管理模式及方法的改革。

單片機的實驗教學(xué)中除開發(fā)系統(tǒng)的使用及基本編程操作實驗進行集中指導(dǎo)之外，大多數(shù)實驗是學(xué)生以實驗小組為單位自由與實驗室聯(lián)系，自主地決定實驗時間。不再按課堂教學(xué)時間，而是按上、下午及晚上三個單元安排實驗，這樣使學(xué)生有充足的時間進行實驗操作、分析，同時也考慮到學(xué)生快慢層次上的差異。

在單片機實驗獨立開設(shè)課程之前，實驗的學(xué)時少且實驗的時間跨度有限，實驗內(nèi)容一般都是由指導(dǎo)教師安排的，學(xué)生主動選擇實驗內(nèi)容的機會很少。而獨立開設(shè)實驗課程后，大大增加了選修實驗的內(nèi)容，實驗安排上指定實驗和選做實驗的學(xué)時數(shù)基本上各占50%左右。這樣即能夠保障學(xué)生對單片機主要內(nèi)容實踐的基本要求，又能讓學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇不同的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)自主實驗的意識和主動探究知識的動力。

四、結(jié)束語

單片機的理論教學(xué)和實驗教學(xué)分別獨立開課，使得理論和實驗的教學(xué)內(nèi)容得到了加強。特別是獨立實驗課的開設(shè)，除了實驗內(nèi)容更加系統(tǒng)化，時間更加靈活，提高學(xué)生做實驗的主動性和興趣，還有效提升了實驗教學(xué)的地位，有利于加強學(xué)生對實驗教學(xué)的重視。教學(xué)課堂采用軟件仿真和系統(tǒng)的實例，使得枯燥呆板的指令、電路變得生動形象，有效提高學(xué)生單片機知識的綜合和實際應(yīng)用能力。單片機課程的教學(xué)改革雖然也取得了較好的效果，但對于這類實踐性要求很強的課程，需要進一步加強實驗和實驗室教學(xué)，改變傳統(tǒng)的課堂與實驗的認識，深化高等教育的改革。

[ 注 釋 ]

[1] 胡晶晶，李娟.虛實結(jié)合的單片機實踐教學(xué)探討[J].赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（4）：206-208.

[2] 李朝青，劉艷玲.單片機原理及接口技術(shù)（第4版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[3] 姜寧，樊延虎.單片機教學(xué)改革與實踐[J].延安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（1）：45-46.

[4] 張江印.高校單片機教學(xué)模式的研究[J].實驗室研究與探索，2011（9）：103-106.

[5] 陳向奎，李元臣.單片機教學(xué)的思考與探索[J].洛陽師范學(xué)院學(xué)報，2012（5）：84-86.

[6] 汪萬維.單片機課程教學(xué)改革探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2012（S2）：95-97.

[7] 朱敏杰，羅珩，余亞東.改革單片機教學(xué)培養(yǎng)應(yīng)用型人才[J].實驗室研究與探索，2012（2）：144-147.

[8] 馬華玲.Proteus+keil在單片機教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等函授學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（4）：26-27.

[9] 王曉崗，張星，李靜，等.開放實驗教學(xué)管理研究[J].實驗技術(shù)與管理，2012（4）：155-157.

[責任編輯：鐘 嵐]