應(yīng)用型本科院校單片機課程教學(xué)改革與實踐

摘要：單片機原理及應(yīng)用是一門應(yīng)用性極強的課程。本文在分析了單片機教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了精簡和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、采用C語言編程、建立典型案例庫及采用開發(fā)板和仿真軟件相結(jié)合，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行分層次培養(yǎng)等教學(xué)改進措施。

關(guān)鍵詞：單片機；教學(xué)框架；典型案例

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）35-0141-02

單片機以其體積小、價格低、功能齊全、抗干擾性高、可靠性好、易于開發(fā)擴展等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化及智能儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各種設(shè)備儀器中。“單片機原理及應(yīng)用”也成了工科院校電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電氣工程及其自動化等電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。了解單片機的工作原理、具備基本的單片機操作技能，成為當(dāng)代電氣信息類專業(yè)學(xué)生的重要任務(wù)[1]。

一、課程的特點及現(xiàn)狀

“單片機原理及應(yīng)用”是一門理論和實踐結(jié)合非常緊密的課程。傳統(tǒng)教學(xué)方式多以課程原理的講解與少量硬件實驗相結(jié)合，整個教學(xué)過程始終圍繞基本原理，實際應(yīng)用知識只作為點綴，實踐應(yīng)用講解偏少，不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生處于被動接受知識的狀態(tài)[2]。再就對實驗環(huán)境的選擇，長期以來部分教師推崇開發(fā)板（或試驗箱）教學(xué)，認為完全可以滿足基本的實驗教學(xué)要求，對單片機基礎(chǔ)知識如IO口、中斷、定時器/計數(shù)器的驗證能輕松應(yīng)對。部分教師則認為使用開發(fā)板耗材較大，需要不斷地購買新的硬件，認為用Proteus來搭建虛擬實驗室，這樣有助于學(xué)生能自主設(shè)計自己期望的效果，不會出現(xiàn)硬件短缺的可能性。對實驗編程語言的選擇也是很多教師爭議的問題，現(xiàn)今大多數(shù)的單片機教材的編程語言仍是以匯編語言為主，使用匯編語言編程的優(yōu)點在于其所編寫程序的代碼緊湊、執(zhí)行時間短、便于控制。然而其缺點也是明顯的，由于其缺乏通用性，需要程序編寫人員對單片機硬件系統(tǒng)有相當(dāng)深入的理解，且程序不易移植。部分教師則認為C語言運算速度快、有良好的可移植性、編譯效率高，可以直接實現(xiàn)對單片機硬件系統(tǒng)的控制。此外，該門課程的考核方式也不夠客觀。傳統(tǒng)的考核方式以期末閉卷考試為主，總評成績由卷面成績和平時成績按照一定比例計算得出。其中平時成績的評定標(biāo)尺比較模糊。盡管大多數(shù)教師明確標(biāo)出平時成績由上課表現(xiàn)、作業(yè)情況、實驗情況等部分組成，但由于課時較緊，多數(shù)教師忙于授課，對具體每位學(xué)生的上課表現(xiàn)無從客觀評價。作業(yè)情況亦是如此，由于對同一具體問題解答大多數(shù)同學(xué)的答題思路基本相似，作業(yè)情況也很難辨別有無抄襲情況。

二、改革思路

為了響應(yīng)教育部提出的卓越工程師培養(yǎng)計劃，結(jié)合應(yīng)用型本科院校單片機課程教學(xué)的特點，從2011屆部分電氣信息類專業(yè)學(xué)生開始，本校進行了如下改革。

1.精簡和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。單片機的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握單片機的基本組成及各個部分的工作原理，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)學(xué)習(xí)單片機的中斷系統(tǒng)、定時器及單片機系統(tǒng)的擴展和通信方法，進而能夠完成簡單的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。在授課過程中，既要照顧到理論的周全，又要結(jié)合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，盡可能多地融入一些實際應(yīng)用。為此，必須打破原有教學(xué)框架，精簡和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將單片機課程的核心技術(shù)提煉為若干知識點，并通過一個個具體案例體現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，逐步掌握單片機技術(shù)[3]。例如在介紹I/O口應(yīng)用時，同時把系統(tǒng)配置章節(jié)的數(shù)碼管顯示部分講解進來，以實現(xiàn)I/O口控制數(shù)碼管的顯示。

2.選擇C語言編程。在編程語言的選擇上，由于電氣信息類專業(yè)學(xué)生普遍都有C語言基礎(chǔ)，為此本校選擇了C語言作為編程語言，指導(dǎo)學(xué)生掌握C語言在單片機開發(fā)中的程序設(shè)計方法。對單片機C語言及程序設(shè)計章節(jié)，不再孤立地講解具體某條指令的含義，而是采用活學(xué)活用的方法，分析某一具體應(yīng)用中需要用到的新的指令，再具體講解其作用及書寫規(guī)范。如當(dāng)學(xué)生已經(jīng)掌握了LED燈的亮滅控制程序后，及時的把延時函數(shù)講解進來，即可實現(xiàn)LED燈的閃爍程序。這樣，學(xué)生對所學(xué)知識點的理解和記憶也會更加深刻。

3.建立典型案例庫。在整個教學(xué)過程中，程序的講解一定要遵循由易到難、循序漸進的原則。教學(xué)初期，先講解一些如IO口驗證、數(shù)碼管、鍵盤識別類的驗證性程序，再由前面知識的一步步積累設(shè)計出一些綜合性較強的實際應(yīng)用。因此，在整個教學(xué)過程中，典型案例庫的建立是必不可少的。依據(jù)本校電氣信息類專業(yè)對“單片機原理及應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容的要求，結(jié)合筆者自身實際教學(xué)經(jīng)驗，把單片機案例庫教學(xué)內(nèi)容大致分解為三大模塊，詳見表1，并依據(jù)案例庫，設(shè)計出相應(yīng)的實驗手冊。表1所列試驗并非要求每位學(xué)生都要完全掌握。在教學(xué)過程中，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況分層次是必不可少的，針對不同層次的學(xué)生設(shè)置不同的培養(yǎng)目標(biāo)。

4.采用開發(fā)板和仿真軟件相結(jié)合的實驗教學(xué)方式。在對學(xué)生分層培養(yǎng)目標(biāo)下，實驗教學(xué)可采用開發(fā)板和仿真軟件相結(jié)合的教學(xué)方式。對基礎(chǔ)培養(yǎng)型學(xué)生，僅要求其掌握到案例9的內(nèi)容，其實驗環(huán)境采用開發(fā)板進行教學(xué)。對于興趣較濃的學(xué)生，期待設(shè)計出更多綜合性較高、具有一定實用價值的單片機系統(tǒng)，則需要一個長期培養(yǎng)的過程。要達到這樣的培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)在完成單片機課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用開放實驗、大學(xué)生科研項目、畢業(yè)設(shè)計或者電子競賽等方式進行強化訓(xùn)練，讓學(xué)生在長期的訓(xùn)練中，能夠在熟悉的知識環(huán)境中逐步設(shè)計并增強其實際應(yīng)用的能力。在此期間，為了避免出現(xiàn)硬件短缺的情況，對這部分學(xué)生，還應(yīng)引入Proteus單片機系統(tǒng)虛擬仿真軟件的教學(xué)，用虛擬單片機系統(tǒng)來替代實際硬件電路，把程序運行于虛擬的MCU上，使軟件調(diào)試不再依賴于實際的硬件電路，當(dāng)仿真結(jié)果達到系統(tǒng)預(yù)期目的后，再進行實際硬件電路的制作[4]。仿真軟件的使用讓學(xué)生能夠更加靈活、深入地學(xué)習(xí)單片機知識。

5.加強實驗考核在平時成績中的比重。傳統(tǒng)的考核方式以期末閉卷考試為主，總評成績一般由卷面成績和平時成績按照一定比例計算得出。其中平時成績中的上課表現(xiàn)、作業(yè)情況受到一些客觀條件的限制，教師很難做出客觀評價。教師可以抓住實驗教學(xué)的機會，把案例庫中的內(nèi)容分解到每次實驗中，在每次實驗中，布置3—5個小實驗，并對每位學(xué)生的實驗情況及時做出評價。通過加強對學(xué)生平時實驗的考核，能得出更為準確的平時成績，從而對學(xué)生做出更為客觀的評價。

三、結(jié)論

采取上述措施后，經(jīng)過三年多的教學(xué)實踐，學(xué)生普遍反映《單片機原理及應(yīng)用》不再是一門枯燥難懂的課程，學(xué)習(xí)有了更大的興趣，能夠更好地掌握并應(yīng)用其所學(xué)的知識。同時，通過眾多的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生也容易將課堂知識進行轉(zhuǎn)換。很多學(xué)生主動利用所學(xué)的單片機知識申報了相關(guān)的大學(xué)生科研項目和參加了各類電子競賽，并取得了不錯的成績。此外，在畢業(yè)設(shè)計選題方面，選擇單片機設(shè)計方面的學(xué)生也越來越多。

參考文獻：

[1]趙月靜，陳繼榮，張永弟.單片機原理及應(yīng)用課程創(chuàng)新實踐教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（1）：176-179.

[2]朱向慶，胡均萬，陳宏華，等.多功能單片機實驗系統(tǒng)的研制[J].實驗室研究與探索，2012，31（4）：41-44.

[3]陳衛(wèi)國.機械電子工程專業(yè)中單片機課程群設(shè)置的研究與實踐[J].當(dāng)代教育理論與實踐，2011，（5）：63-65.

[4]楊春麗.項目驅(qū)動教學(xué)法在單片機課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2014，（29）：46-60.