單片機(jī)原理及應(yīng)用課堂與實(shí)踐教學(xué)改革與探討

趙仁濤 李穎宏 關(guān)叢榮 劉碩 左岐 劉仁學(xué)

[摘 要] 單片機(jī)原理及應(yīng)用作為我校專業(yè)必修課，主要講解MCS51系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、總線擴(kuò)展、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行接口、人機(jī)接口及ADC/DAC擴(kuò)展等主要知識(shí)點(diǎn)，是一門強(qiáng)調(diào)實(shí)踐為主、注重學(xué)習(xí)方法的專業(yè)課程。經(jīng)過多年的教學(xué)磨煉和實(shí)際工程應(yīng)用提升，單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員更加注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維方法，從課堂教學(xué)內(nèi)容及例題呈現(xiàn)方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新、課外實(shí)踐內(nèi)容改革及課外競賽等方面開展了大量工作，達(dá)到了豐富授課內(nèi)容、提升學(xué)習(xí)興趣、注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的預(yù)期效果。

[關(guān)鍵詞] 系統(tǒng)思維;過程管理;能力培養(yǎng);科技競賽激勵(lì)

[作者簡介] 趙仁濤（1970—），男，河北冀州人，博士，北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代檢測技術(shù)與故障診斷。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）42-0156-03? ? [收稿日期] 2020-02-17

一、引言

當(dāng)前，國內(nèi)幾乎所有包含電氣、自動(dòng)化、電子類專業(yè)的高等院校都開設(shè)單片機(jī)原理相關(guān)課程，它是一門培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)的綜合性專業(yè)課程。如何能夠吸引學(xué)生在課余時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)用單片機(jī)原理與應(yīng)用課堂所講授內(nèi)容，并結(jié)合具體應(yīng)用場景解決實(shí)際問題，形成學(xué)習(xí)和實(shí)踐的良好循環(huán)，是教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)中需要關(guān)注的主要問題。近年來，單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)團(tuán)隊(duì)不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，歸納探索出一種“培養(yǎng)系統(tǒng)思維、注重過程管理、突出學(xué)以致用、科技競賽驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式。

二、培養(yǎng)系統(tǒng)思維方法，緊跟時(shí)代步伐

（一）培養(yǎng)系統(tǒng)思維

系統(tǒng)的梳理和總結(jié)教學(xué)實(shí)踐中遇到的問題和解決方法，教學(xué)團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)了一個(gè)涵蓋重要知識(shí)點(diǎn)（I/O、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、人機(jī)接口、串行通信、ADC）的單片機(jī)系統(tǒng)——基于89S51的溫度控制系統(tǒng)，并將系統(tǒng)按照課程的重要知識(shí)點(diǎn)分解為知識(shí)模塊，幫助學(xué)生建立整個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生掌握自頂向底的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，使其能夠在學(xué)習(xí)過程中從系統(tǒng)思維的角度獲取相關(guān)知識(shí)。

為了達(dá)到更好的效果，與學(xué)生所選專業(yè)緊密結(jié)合，教學(xué)團(tuán)隊(duì)正在結(jié)合不同專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)具有專業(yè)特色的單片機(jī)系統(tǒng)。以自動(dòng)化專業(yè)為例，以基于89S51的溫度控制系統(tǒng)為例，注重過程控制系統(tǒng)理論及實(shí)踐。

（二）教學(xué)內(nèi)容更新

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，常用單片機(jī)及外圍擴(kuò)展芯片正在發(fā)生較大的變革。為了保證所學(xué)知識(shí)與技術(shù)發(fā)展不脫節(jié)，從學(xué)以致用的角度出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前單片機(jī)及接口芯片的發(fā)展情況，對(duì)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了大幅度更新，做到每2—3年更新一次外圍接口芯片型號(hào)。

三、多措并舉細(xì)化教學(xué)內(nèi)容，注重過程管理

由于單片機(jī)屬于綜合實(shí)踐課程，僅僅依靠大綱規(guī)定的38—48學(xué)時(shí)課堂教學(xué)和10—16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課程，就無法保證大部分學(xué)生充分理解和掌握關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計(jì)和編程方法。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在圍繞重要知識(shí)點(diǎn)的原有綜合性例題基礎(chǔ)上，搭建了基于Proteus的仿真實(shí)例[1-2]，以直觀的硬件電路、詳盡的程序清單、生動(dòng)的運(yùn)行效果，吸引學(xué)生充分利用課余時(shí)間驗(yàn)證關(guān)鍵模塊的硬件連接和編程方法，起到了“延伸實(shí)驗(yàn)空間”的效果，基本做到疑難問題當(dāng)周解決。

（一）精心設(shè)計(jì)Proteus仿真實(shí)例

雖然單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)不需要高深的理論推導(dǎo)過程，但是卻是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。針對(duì)這一特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)過程中對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)疑問較多的問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)研究生基于Proteus仿真軟件搭建了10個(gè)仿真實(shí)例，涵蓋了課程中I/O口、定時(shí)器、串行通信、外部中斷、分支及循環(huán)程序、人機(jī)接口等重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。每個(gè)實(shí)例均提供了匯編和C程序。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整——抓重點(diǎn)，保時(shí)效

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有規(guī)模只能容納2個(gè)自然班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這就意味著10個(gè)自然班需要分成5次進(jìn)行，不但增加了老師的工作強(qiáng)度，還不利于學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解。教學(xué)團(tuán)隊(duì)本著抓重點(diǎn)，保時(shí)效的原則，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了如下探索：（1）精簡單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的純編程實(shí)驗(yàn)，改為由實(shí)驗(yàn)室老師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)使用Keil和Proteus，并在限定時(shí)間內(nèi)利用業(yè)余時(shí)間完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告;（2）結(jié)合新的授課內(nèi)容變更或增加軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;（3）最后按照實(shí)驗(yàn)室容量，將自動(dòng)化學(xué)生分組進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)考試，根據(jù)限定時(shí)間內(nèi)學(xué)生的完成情況進(jìn)行評(píng)分，此次成績占實(shí)驗(yàn)成績的70%（授課老師參與指導(dǎo)）。

（三）考核方式改革——過程大于結(jié)果

加大平時(shí)考核權(quán)重至50%—60%，其中實(shí)驗(yàn)占20%，課堂出勤及隨機(jī)提問占10%，章節(jié)隨堂測試10%—20%。通過自動(dòng)化專業(yè)的試點(diǎn)發(fā)現(xiàn)課堂的出勤率明顯提升。

四、搭建課外訓(xùn)練平臺(tái)，突出學(xué)以致用

為了進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和編程能力，研制了以增強(qiáng)型51單片機(jī)-C8051F020為核心芯片的課外學(xué)習(xí)板，并提供多個(gè)實(shí)驗(yàn)程序，起到了較好的效果。同時(shí)，開發(fā)的MSP430單片機(jī)競賽板為多名同學(xué)提供了課外學(xué)習(xí)的硬件平臺(tái)和典型程序，為迎接北京市電子競賽奠定了基礎(chǔ)。比如：設(shè)計(jì)制作51單片機(jī)課外訓(xùn)練板。（1）設(shè)計(jì)制作課外訓(xùn)練板。C8051F020_V2.0是為在校學(xué)生和單片機(jī)愛好者開發(fā)的一款單片機(jī)開發(fā)板，也可作為工程人員開發(fā)參考之用。本學(xué)習(xí)板采用美國Silabs公司的C8051F020作為核心控制器，指令集與MCS51兼容，是學(xué)習(xí)C8051F系列單片機(jī)入門級(jí)MCU[3]。針對(duì)C8051F020單片機(jī)片上的全部資源，編寫了所有功能的測試程序，對(duì)該單片機(jī)的性能做了全面的測試評(píng)估，使用方便。（2）設(shè)計(jì)制作MSP430訓(xùn)練板。MSP430訓(xùn)練板采用美國TI公司的MSP430F247作為核心控制器，外擴(kuò)多種硬件電路，既能作為在校學(xué)生和單片機(jī)愛好者的一款單片機(jī)學(xué)習(xí)板[4]，也可作為工程人員開發(fā)參考之用。針對(duì)MSP430F247單片機(jī)片上的全部資源，編寫了所有功能的C語言測試程序，對(duì)該單片機(jī)的性能做了全面的測試評(píng)估，為學(xué)生參加相關(guān)競賽和后期使用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

五、科技競賽驅(qū)動(dòng)，形成良性循環(huán)

（一）鼓勵(lì)學(xué)生參加實(shí)際課題

在教學(xué)過程中，針對(duì)城市降雨后路面積水容易造成城市擁堵并引發(fā)危險(xiǎn)的問題，組織了學(xué)生利用單片機(jī)原理及應(yīng)用課堂講解內(nèi)容，設(shè)計(jì)了《城市積水監(jiān)測系統(tǒng)》，獲得北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目校級(jí)一等獎(jiǎng)。此外，還指導(dǎo)學(xué)生參加“定量可控式智能流量計(jì)研制”“電動(dòng)遙控車位鎖”“基于反滲透技術(shù)的自來水凈化裝置研制”“多功能計(jì)步器及管理平臺(tái)設(shè)計(jì)”等采用單片機(jī)作為核心芯片的科技項(xiàng)目，培養(yǎng)了一批具有較強(qiáng)動(dòng)手能力的本科學(xué)生，并起到了較好的輻射作用。

（二）組織校內(nèi)單片機(jī)競賽，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)士氣

為進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，配合學(xué)院科技協(xié)會(huì)的工作，教學(xué)團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了校內(nèi)51單片機(jī)和MSP430單片機(jī)的競賽組織和驗(yàn)收工作。每年均有20組左右的51組合15組左右的MSP430組學(xué)生參賽，規(guī)模達(dá)到2個(gè)自然班規(guī)模，涵蓋學(xué)院涉及的各個(gè)專業(yè)。

（三）服務(wù)省部級(jí)競賽，形成輻射效應(yīng)

結(jié)合智能機(jī)器人這個(gè)社會(huì)和學(xué)術(shù)熱點(diǎn)問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)組織學(xué)生自行設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的智能車控制器，實(shí)現(xiàn)了車輛的自主平衡控制和方向控制，獲得第九屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽華北賽區(qū)二等獎(jiǎng)。

通過校內(nèi)競賽的選拔，可以遴選出優(yōu)秀學(xué)生繼續(xù)參加“藍(lán)橋杯”、北京市電子競賽和物聯(lián)網(wǎng)競賽、飛思卡爾智能車以及RoboMasters競賽。其中“藍(lán)橋杯”2015年獲獎(jiǎng)25人。

六、著眼課程體系建設(shè)，注重課程銜接

（一）教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

新增電氣與控制工程實(shí)驗(yàn)中心大學(xué)生科技訓(xùn)練基地的劉碩老師為授課教師，可以保證下學(xué)期開始所有專業(yè)采用小班授課方式。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室左岐老師的加盟，可以更好地將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與智能儀器的教學(xué)結(jié)合。兩位老師的加入增強(qiáng)了教學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研能力。

（二）課程體系無縫銜接

單片機(jī)原理及應(yīng)用的后續(xù)課程為智能儀器，為了防止內(nèi)容重復(fù)，注重教學(xué)內(nèi)容分工，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程注重單片機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)并行總線擴(kuò)展;智能儀器以典型SPI、I2C接口芯片的時(shí)序分析、編程方法以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移法程序框架為主線，對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程做了有力補(bǔ)充。

（三）教學(xué)與競賽內(nèi)容緊密結(jié)合

該教學(xué)團(tuán)隊(duì)還圍繞單片機(jī)技能培養(yǎng)，組織學(xué)生參加“藍(lán)橋杯”，利用單片機(jī)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作“RoboMasters”機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊，獲得較好的成績。

七、結(jié)論

單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)團(tuán)隊(duì)初步完成了教學(xué)內(nèi)容的豐富和更新，探索了通過“自頂向底”的系統(tǒng)思維方式培養(yǎng)、課件結(jié)合仿真實(shí)例、提供課外訓(xùn)練板等方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，獲得了較好效果。此外，該團(tuán)隊(duì)注重與后續(xù)課程無縫銜接，鼓勵(lì)學(xué)過單片機(jī)課程的同學(xué)積極參加校內(nèi)、省部級(jí)競賽和各種大學(xué)生科技項(xiàng)目，遴選出了數(shù)批能力強(qiáng)的競賽隊(duì)伍，起到了很好的輻射和宣傳效果。當(dāng)然，無論在課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在諸多有待改進(jìn)之處，例如：實(shí)驗(yàn)設(shè)備有待更新和增加臺(tái)套數(shù);單片機(jī)試題庫建設(shè)等。

參考文獻(xiàn)

[1]周潤景，張文霞，趙曉宇.基于PROTEUS的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M].第3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.

[2]林立.單片機(jī)原理及應(yīng)用——基于Proteus和Keil C[M].第4版.北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[3]萬光毅.SoC單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐與應(yīng)用設(shè)計(jì)：基于C8051F系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]沈建華，楊艷琴，王慈.MSP430超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2017.

On Teaching Reform of the Course on Principle and Application of Single Chip Microcomputer

ZHAO Ren-tao，LI Ying-hong，GUAN Cong-rong，LIU Shuo，ZUO Qi，LIU Ren-xue

（School of Electrical and Control Engineering，North China University of Technology，Beijing，100144，China）

Abstract：Principle and Application of Single Chip Microcomputer is a compulsory course，which mainly explains the basic knowledge of MCS51 series single-chip microcomputers，bus expansion，timer/counter，serial interface，human-machine interface，and ADC/DAC expansion.It is a professional course that emphasizes practice-oriented and learning methods.After years of teaching practice and practical engineering application improvement，members of the MCU principle and application teaching team have paid more attention to cultivating students' systematic thinking methods.They have been carried out in terms of classroom teaching content and example question presentation methods，experimental content updates，extracurricular practice content reforms，and extracurricular competitions.A lot of work has achieved the expected results of enriching the teaching content，increasing learning interest，and focusing on the cultivation of innovative ability.

Key words：systemic thinking;process management;ability development;technology competition incentive