以應用為目的單片機實驗教學改革

董錚++張其林++寧彬++項東升

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.025

摘 要： 單片機應用的迅猛發展使企業對單片機人才的需求越來越大。針對當前單片機實驗教學現狀與目標定位，結合CDIO工程教育模式，提出了以應用為目的的教學模式加強實驗效果；結合實際教學情況，從實驗教學內容、實驗體制變革等多角度分析與思考，建立“項目驅動、分層遞進”進行教學，從而進一步發揮學生的主觀能動性，提高學生綜合素質與工程實踐能力。

關鍵詞： 單片機； 實驗教學； CDIO工程教育； 主觀能動性

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）09-86-03

Application-oriented single chip microcomputer experiment teaching reform

Dong Zheng， Zhang Qilin， Ning Bin， Xiang Dongsheng

（School of Mathematics & Computer Science， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： With the rapid development of the application of single chip microcomputer， the enterprise needs more and more talents of single chip computer. In view of the current situation in experiment teaching of single chip microcomputer and target positioning， combined with the CDIO engineering education mode， the application-oriented teaching method is proposed to strengthen the experimental results. The method combined with the actual teaching situation， by analyzing and thinking of the experiment teaching contents， experiment system changes and so on， establishes the "project driven， hierarchical progressive" teaching， so as to further give full play to students' subjective initiative， improve students' comprehensive quality and the ability of engineering practice.

Key words： single chip microcomputer； experiment teaching； CDIO mode； subjective initiative

0 引言

目前各個高等院校在單片機原理課程中，實驗實踐教學環節普遍較弱。大多沿用“驗證型”實驗方法。實驗時學生只需按實驗指導書中程序敲入計算機，完成實驗的速度和質量并不取決于學生對單片機實驗的掌握和理解程度，而是取決于敲擊鍵盤失誤率的高低。在該課程后，學生也往往對單片機的整體結構和應用方法不甚理解；進入相近崗位工作時，往往需要經過一個較長的再學習過程才能達到工作要求的最低能力。因此，改進和加強單片機原理實驗教學，是一項十分必要的工作[1]。

1 課程實驗教學現狀

單片機實驗課程是一門實用性較強的課程，其教學的核心目的是使學生獲得通過利用單片機等一些器件來解決日常生活中實際問題的能力。因此，實驗教學在整個教學中占有很重要的地位。在進行理論教學的同時，必須同步進行實踐教學，這樣才能使學生真正理解教學內容。實驗教學并非教學的輔助手段，而是整個教學的重要組成部分[2-3]。從現實情況看由于種種原因，理論與實驗課程往往不能同步或順次進行，課堂知識不能及時通過動手實踐鞏固，過一段時間往往知識點就全忘了。

1.1 教學目標定位

湖北文理學院是一所地方性本科院校，其人才培養目標是以“培育英才，服務社會”為宗旨，為本地經濟發展服務，這就要求其開設的課程需緊密結合地方特色，培養應用型人才。為此，我們將單片機課程傳統理論化的教學轉變為強調工程實踐，以培養學生動手實踐的能力為目標，同時也可以有效縮短學生畢業后在工作崗位的見習期，為其從事相關的嵌入式系統應用開發打下堅實的基礎。

1.2 調整優化實驗教學內容

單片機原理及應用是物聯網專業的重要專業基礎課，其先修課程是模擬與數字電路、C語言、 微機原理等相關課程。這些前期所學習的系統開發知識技能，在實驗中學生無法將所學知識進行有效關聯，而實驗教學往往只是驗證實驗，對于為什么要做，怎樣做這樣的問題，往往不會進行深度思考。所以教師需要結合日常實際對實驗教學內容加以整和優化，既要考慮學生可以接受的程度，又要突出培養學生靈活運用所學知識的能力，優化后實驗教學內容。實驗設計詳見表1。

表1對部分實驗教學內容，如關于軟件的安裝、數制的轉換、存儲器芯片讀寫等與計算機原理與接口技術等相關課程的實驗內容相重復的做了刪減處理，這些部分要求學生自主學習。要求學生課下自學匯編語言，以便從底層徹底了解單片機工作原理，與C語言等高級語言編譯結果進行對比實驗，以利于課內實驗教學的深層次開展。

單片機課程實驗教學安排18學時，實踐時間較為緊張，且最后幾個實驗對學生綜合能力要求較高，這就要求學生課下需下足功夫。課余時間實驗室開放，開放的實驗包括：C51開發環境的熟悉、多位BCD碼加法程序、LED顯示器靜、動態顯示、直流電機轉速實驗、步進電機正反轉實驗、TFT液晶顯示彩色條紋實驗、16X16LED點陣顯示漢字實驗，相關開放實驗項目均編有實驗指導，且附源程序供學生參考。

2 以應用為目的，加強實驗效果

2.1 注重學習理念

如今科技發展日新月異，對于還學習單片機的質疑在學生中影響很大。這需要讓學生理解如下目的：學習單片機不僅是要了解其內核和工作原理，熟練c語言，更需知其“外部功能”，包括ADC、DAC、PWM、比較器、定時/計數器，外部中斷、UART串口、總線控制器，USB接口、看門狗、EEPROM存儲器及相關外圍電路，掌握它們的使用方法并應用在產品上才是真正掌握單片機技術的評判標準之一[4]。市面流行arm系統，大家都想學最新、最好的技術，但容易讓每一項技能都不能精深，最后一無所獲。對于不斷推出的單片機型號，性能的提升，應該是建立在對已有單片機深刻理解的基礎上，對如何把最適合的控制系統融入到產品當中這個問題，“應用”才是我們最應關注的。端正了這個態度，讓學生一步一個腳印，踏踏實實研究透51內核，在此基礎上再向高方向、高層次發展。

2.2 培養學生興趣能力

對于單片機如何從“興趣”入手，在C語言課程后我院專門開設了基于Arduino的工科類實踐教學選修課程。該課程主要以Arduino為平臺，它是一個核心器件由ATmege328組成的微控制器，該平臺包括I/O功能電路板及一套程序開發軟件環境。系統入門簡單，制作豐富，在各種系統原型設計方面得到了廣泛應用，同時可進行大量應用型教學。我們從學生日常生活中遇到的小問題出發，布置課下“興趣”作業如：家用自動澆花系統設計、簡易自動循跡小車系統、PM2.5自動檢測報警系統等實用項目，極大提高了前期同學們對單片機的興趣。接下來開設單片機課程進行實驗時，學生對外部接口、存儲器等抽象概念都有了比較清晰的認識，教學效果良好。

2.3 實施預備課的實踐教學模式

如2.2所述，在開設單片機課程之前，要求學生盡量選修Arduino的工科類實踐教學課程，以此作為單片機原理課程的預備課程。實驗內容如表2所示。

開放實驗項目要求學生組團完成，允許高年級學生參與指導實驗設計，并計入課外學時，后面的系統實驗對學生全面掌握本學科動態有著十分積極的作用。通過使學生“做中學、學中做”，達到技能訓練的目的；通過制定以實踐能力和創新能力為主要指標的考核方案，使學生的創新精神得到肯定，其學習動機更加明確。

2.4 建立“項目驅動、分層遞進”的模式

物聯網的終極目標是“萬物互聯”，而單片機是構成物聯網世界最好的解決方案的樞紐。為此，我們積極推進“項目驅動、分層遞進”的模式，其具體教學模式如圖1所示。

傳統課堂教學已遠遠不能滿足當前人才培養模式的需求。為此，我們嘗試由多個環節組成的實踐教學模式。其中理論與實踐教學相結合，使學生基本學習能力得以提高；大二、大三學期實施大學生創新創業計劃，開放2.2的開放實驗項目，協同部分教師教科研項目，努力提高學生實踐創新能力。通過項目找“靈感”，讓學生有自己的想法，扶持學生“站“起來；在大四時，通過舉行或參與高質量學科競賽、企業頂崗鍛煉，來使學生自己能“走”，邊“走”邊“賽”，以學促賽，以賽促練，形成一個良好的循環，為學生今后畢業走向社會提供多次“歷練”的機會。

2.5 實驗實踐教學設備自制

在實驗教學中我們注意到，單片機實驗教學一般是采用廠家做好的集成度較高的實驗箱來完成實驗，而這種實驗箱一般主核心元器件均已固定，實驗面板劃分為各個功能區域模塊。實驗時，學生連通跳線，編寫好的程序燒錄至芯片即可完成實驗。由于芯片集成，學生對于關鍵芯片引腳往往不清楚，有時出現誤插導致芯片燒毀事件時有發生[5]。由此導致學校維修資金緊張，嚴重影響實驗教學效果。

為此，我們組織學生經過一學期學習后自制作品來展示自己對單片機這門課的理解程度。作品設計包括自選和指定兩種。指定項目包括：電子鐘、數字溫度計、循跡小車控制系統；自選作品要求能貼近生活，且盡量用簡單的散件組裝，這樣更有利于進行實驗操作和二次改進。對于較好的作品進行篩選和匯總，設計了八段數碼管動態顯示、PWM控制蜂鳴器的幾個基本實驗板，在下一屆學生實驗教學中可以進一步改進或做二次開發，讓學生進行比較分析，開動自己腦筋，“升級”實驗板，使實驗室設備走出維修困難的被動局面。

3 結束語

單片機實驗課程是物聯網專業基礎實驗課。通過一年多的實驗教學改革探索，與傳統單片機原理實驗課程相比，基于以應用為目的的單片機實驗教學在我院物聯網專業人才培養上取得了初步成效。目前學生學習動力充足，在實驗室開放過程中有多個大學生創新創業項目產生，已獲國家級創新創業訓練項目一項，建成多個校外實踐實習基地，學生在多個學科競賽中取得較好的名次。下一步，我們將認真總結學科實驗教學特點，以學生為中心，繼續鞏固以實際應用為目的的實驗教學理念，培養學生嚴謹的學習態度，提升其理論水平和實踐動手能力。

參考文獻（References）：

[1] 李潔，李衛兵，杜玉杰.《單片機原理及應用》實驗教學改革與

實踐[J].實驗科學與技術，2012.10：92-94

[2] 翟玉文.單片機課程教學改革探究[J].吉林化工學院學報，

2013.30：34-37.

[3] 張鑫，張巖，楊莉，高群.單片機實驗教學改革與探索[J].計算機

教育，2007.8：28-30

[4] 杜洋.2016年還要不要學習單片機[J].無線電，2016.4：

73-75

[5] 董錚，張其林，寧彬，谷瓊.基于CDIO模式下單片機實驗教學

改革[J].計算機時代，2015.9：75-76