基于單片機原理及接口技術(shù)的課程教改

徐國壘 莫榮 陳建東 廖曉梅

摘要：單片機原理及接口技術(shù)是一門理論與實踐緊密結(jié)合、有助于開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的專業(yè)課程，為了更好的教授學(xué)生專業(yè)知識、引領(lǐng)學(xué)生樹立正確的政治思想、價值理念及精神追求，該文從教學(xué)模式、教學(xué)方式及課程思政三個方面進行教學(xué)改革的探討，培養(yǎng)學(xué)生“知原理、懂技術(shù)、善操作、敢創(chuàng)新”，培養(yǎng)學(xué)生擁有正確的人生觀、價值觀和世界觀，實現(xiàn)學(xué)生德、育、體、智全面發(fā)展的教育。

關(guān)鍵字：創(chuàng)新思維;課程思政;教學(xué)改革;全面發(fā)展

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A

0、引言

在機械電子專業(yè)中，單片機原理及接口技術(shù)是其中一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程主要以51系列單片機為研究對象，介紹其基本結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、I/O接口、定時器、中斷系統(tǒng)、串行通信等多方面知識[1]，為學(xué)生從事單片機相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。課程涉及C語言編程、模擬電路、數(shù)字電路等相關(guān)知識，關(guān)聯(lián)知識點較多且抽象，理論與實踐結(jié)合密度高[2]。

針對該課程的教學(xué)方式，目前有傳統(tǒng)教學(xué)法、舉例教學(xué)法、企業(yè)教學(xué)法、任務(wù)教學(xué)法等，其中，傳統(tǒng)教學(xué)方法側(cè)重理論基礎(chǔ)講解，舉例教學(xué)法、企業(yè)教學(xué)法及任務(wù)教學(xué)法存在教學(xué)方法單一，造成理論與實踐結(jié)合度較低，大部分學(xué)生對抽象知識點難以理解;同時，高等教育以培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會主義接班人為目標，目前該課程的教學(xué)方法融入思想政治素質(zhì)方面教育較少[3]，分析目前教學(xué)方式存在的不足，可能造成以下問題：1、學(xué)生對單片機的運用存在較大困難，在工作崗位上出現(xiàn)動手能力不足、思維擴展較弱等現(xiàn)象;2、理論支撐較弱，難以靈活應(yīng)用;3、學(xué)生的愛國思想存在一定的淡化，利益追逐心強，造成人才流失現(xiàn)象。

針對目前該課程教學(xué)方式存在的不足，本文主要從以下三個方面闡述教學(xué)改革方案，分別為教學(xué)模式、教學(xué)方式和思政建設(shè)三個方面，以 “知原理、懂技術(shù)、善操作、敢創(chuàng)新”為目標，為國家培養(yǎng)高水平技術(shù)型人才，同時引領(lǐng)學(xué)生樹立正確的政治思想、價值理念及精神追求[4]。

1、單片機原理及接口技術(shù)課程教學(xué)模式的改革

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，人們交流變得更加方便，學(xué)習(xí)資源不斷豐富，教學(xué)模式可以變得多元化。根據(jù)教學(xué)時間、教學(xué)地點、教學(xué)模式的不同，出現(xiàn)第一課堂、第二課堂、第三課堂及第四課堂多種教學(xué)模式，在規(guī)定的教學(xué)時間里進行教學(xué)活動的課堂稱為第一課堂，在第一課堂以外開展教學(xué)活動的課堂稱為第二課堂，第三課堂是實踐教學(xué)，第四課堂是網(wǎng)絡(luò)課堂，目前的教學(xué)主要以第一課堂為主，第二課堂為輔，對于實踐教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)課堂應(yīng)用極少，本文將介紹如何將實踐教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)課堂融入教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。

首先，教師應(yīng)充分掌握課程知識點，盡可能用簡短的語言總結(jié)課程內(nèi)容，在第一課堂上，充分利用有限的教學(xué)時間，由淺入深引導(dǎo)學(xué)生對課程理論的理解，根據(jù)課堂上講解的知識點，給學(xué)生預(yù)留相關(guān)的問題，讓學(xué)生在課余時間通過各種渠道尋找答案。同時，利用第三課堂的實踐教學(xué)，提升學(xué)生的動手能力，例如介紹單片機原理及接口技術(shù)的定時器系統(tǒng)時，通過第一課堂詳細講解定時器系統(tǒng)的工作原理，通過舉例教學(xué)法例舉定時器在生活中常見的運用領(lǐng)域，如鬧鐘、電飯煲、洗衣機、上課鈴等，均用到定時器功能，然后利用第三課堂將該節(jié)內(nèi)容進行實踐，讓學(xué)生通過單片機開發(fā)板或相應(yīng)的仿真軟件實現(xiàn)定時器功能，如利用定時器知識實現(xiàn)生活中鬧鐘設(shè)計，并做相應(yīng)的功能要求。

針對該課程的考核成績，可將理論考核成績設(shè)置為60%的占比，平時成績設(shè)置40%的占比，其中平時成績以學(xué)生多方面的表現(xiàn)綜合評定，例如課堂上學(xué)生的積極回答問題、課后作業(yè)的完成效果、網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)時間等多方面，讓學(xué)生明白課程考核不僅僅來源于理論知識，激發(fā)學(xué)生的實踐興趣。

2、單片機原理及接口技術(shù)課程教學(xué)方式的改革

2.1 傳統(tǒng)設(shè)備與先進設(shè)備結(jié)合應(yīng)用

隨著社會科技發(fā)展，教學(xué)設(shè)備除了傳統(tǒng)的粉筆、黑板之外，增加了投影儀、計算機、擴音器、激光筆等多媒體設(shè)備，在第一課堂上充分利用各種教學(xué)設(shè)備相結(jié)合。首先，教師先利用粉筆、黑板兩種教學(xué)設(shè)備，將本次授課內(nèi)容、新概念、新名詞等羅列在黑板上，然后結(jié)合多媒體設(shè)備的可視化動畫將抽象內(nèi)容展示給學(xué)生，以引腳的I/O功能介紹為例，利用按鍵實現(xiàn)引腳的輸入信號控制，引腳的輸出信號控制LED燈亮滅，將按鍵與LED燈共同展示I/O功能，由于單片機通過高低電平傳送信號，學(xué)生不能直觀的看到電平的變化，因此，可以利用多媒體動畫將抽象的高低電平模擬，如圖1所示。

首先設(shè)“0”代表低電平，“1”代表高電平，當按鍵沒有按下時，PA2引腳處的“0”以動態(tài)形式移動到LED燈左邊，按下按鍵后，將按鍵左邊的“0”以動態(tài)的形式移動到PA1，意味PA1引腳檢測到低電平，當PA1檢測到低電平后，PA2引腳處的“1”以動態(tài)的形式移動到LED燈左邊，同時LED燈變色，代表LED燈點亮。利用多媒體的動態(tài)顯示方法，有效模擬以上抽象的電平信號流動，實現(xiàn)可視化，有助于學(xué)生的理解。

對于較難知識點，教師可采用多種教學(xué)設(shè)備結(jié)合使用，例如寄存器的運用，對于剛接觸的學(xué)生來說，如何配置寄存器參數(shù)、運用寄存器是一個難點，因此，教師在課堂上結(jié)合多種教學(xué)設(shè)備講解，例如，教師先將寄存器表寫在黑板上，并且將寄存器的每個位功能列出，引導(dǎo)學(xué)生如何記憶，通過實際案例，介紹如何設(shè)置寄存器、寄存器的每個位控制什么功能，在黑板上的寄存器表中設(shè)置相應(yīng)寄存器位，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)參數(shù)寫到程序中，通過仿真軟件進行驗證。以定時器/計數(shù)器的工作方式寄存器TMOD為例，如表1所示;

在MCS-51單片機中，有定時/計數(shù)器T0、T1，舉例用T1實現(xiàn)定時器功能，TMOD寄存器只需要設(shè)置高四位，低四位為默認值。例程中需要配置TMOD寄存器的高四位參數(shù)，教師先將表1寫在黑板上，由于D6位為1時，T1作為計數(shù)器，當D6為0時，T1作為定時器功能，因此將D6位設(shè)置為0，然后再將設(shè)置好的參數(shù)寫入到例程中，以此方法設(shè)置其他相應(yīng)位，通過這種方法，學(xué)生清晰了解TMOD寄存器的每個位功能以及寄存器參數(shù)值的來源，便于學(xué)生理解。

2.2 理論結(jié)合案例

在第一課堂上，教師完成每個內(nèi)容的理論講解后，應(yīng)結(jié)合案例讓學(xué)生加深理論知識的理解，對于單片機原理及接口技術(shù)這門課程的案例，可通過Proteus軟件搭建仿真電路，可通過Keil軟件進行編寫，最后，結(jié)合Proteus與Keil軟件對教程的案例進行講解，通過修改程序，讓仿真電路完成不同顯示，案例由淺入深逐步漸進。

以I/O接口電路章節(jié)為例，實現(xiàn)按鍵控制LED燈的亮滅，首先，向?qū)W生介紹按鍵、LED燈的工作原理，其次，介紹單片機引腳與按鍵、LED燈的連接原理圖設(shè)計，最后，介紹關(guān)于案例需要用到的知識點。

接下來進行案例講解，案例講解由淺入深，首先實現(xiàn)簡單功能，利用一顆按鍵的按下與松開控制一顆LED燈亮滅，當按鍵按下，LED燈亮，松開按鍵，LED燈滅;然后再引入兩顆按鍵控制兩顆LED燈，第一顆按鍵控制第一個LED燈，第二個按鍵控制第二個LED燈，當學(xué)生理解如何應(yīng)用按鍵控制LED燈后，再引入較難的案例，如按鍵控制流水燈、密碼鎖等案例，通過理論與案例結(jié)合以及由淺入深的案例講解，有助于學(xué)生理解，使學(xué)生“知原理、懂技術(shù)”。

2.3 簡易開發(fā)板設(shè)計

單片機原理及接口技術(shù)實踐性強，為了讓學(xué)生做到“善操作”，實踐是必不可少的，雖然為學(xué)生提供了實驗課程，但存在實驗課程時間有限、實驗地點固定、實驗設(shè)備不易移動等問題，為了讓學(xué)生在實踐方面不受時間、地點、設(shè)備等條件設(shè)備的限制，學(xué)生擁有一套學(xué)習(xí)的開發(fā)板是有必要的，目前市面上已出現(xiàn)各種51系列開發(fā)板，擁有配套的學(xué)習(xí)資料，開發(fā)板上資源豐富，但較為昂貴，在有限的教學(xué)時間上，開發(fā)板上的很多功能不能進行深入講解甚至不能講解，造成資源浪費，開發(fā)板的電路設(shè)計相對較為復(fù)雜，對于學(xué)生來說理解電路設(shè)計原理存在較大難度，導(dǎo)致學(xué)生對開發(fā)板的運用存在較大的困難，因此，教師可以利用第一課堂，帶領(lǐng)學(xué)生共同完成一款屬于自己的簡易開發(fā)板設(shè)計，其功能如圖2所示。

簡易開發(fā)板根據(jù)教材內(nèi)容、學(xué)期課時安排等因素，設(shè)計有51單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、LED燈模塊、蜂鳴器模塊、數(shù)碼管模塊、按鍵模塊、紅外接收模塊，課堂上，教師針對每個模塊的功能及工作原理進行介紹，然后帶領(lǐng)學(xué)生一起設(shè)計每個模塊的電路原理圖，介紹每個元器件在電路中的作用，元器件參數(shù)如何選擇，再利用Altium Designer軟件繪制原理圖，之后帶領(lǐng)學(xué)生一起完成簡易開發(fā)板的PCB布局，學(xué)生后期在使用簡易開發(fā)板時了解每個元器件的功能、位置、工作原理，最后完成PCB布線，設(shè)計完成后，教師統(tǒng)一將簡易開發(fā)板、相關(guān)元器件及焊接工具包采購，并分配給每位同學(xué)，對每位同學(xué)進行焊接培訓(xùn)，然后讓學(xué)生自行完成簡易開發(fā)板的焊接，學(xué)生了解簡易開發(fā)板設(shè)計的整個流程及各個模塊的工作原理，對學(xué)生后期自行開發(fā)學(xué)習(xí)具有較大幫助，學(xué)生在課后的任何時間、任何地點可以進行簡易開發(fā)板的操作，有效解決學(xué)生在實踐過程中受時間、地點、設(shè)備等因素的限制，通過第一課堂學(xué)習(xí)了理論知識及相關(guān)案例，學(xué)生在課余時間利用簡易開發(fā)板對教學(xué)知識的驗證，增強學(xué)生的操作能力，實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合教學(xué)。

3、單片機原理及接口技術(shù)課程的思政建設(shè)

3.1 課程思政內(nèi)容

“課程思政”是黨中央推動新時代教育事業(yè)深化發(fā)展的一項重大戰(zhàn)略部署，是高校全面提升思想政治工作質(zhì)量落實立德樹人任務(wù)的一項重要戰(zhàn)略舉措[5]。高校主要為中國特色社會主義事業(yè)培養(yǎng)可靠接班人及合格的建設(shè)者，為中華民族偉大復(fù)興中國夢培育人才、輸送人才、凝聚人才，因此，教師除了教授學(xué)生專業(yè)知識之外，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的政治思想、價值理念、精神追求必不可少[6][7]。

3.2 課程教育與思政融合

單片機原理及接口技術(shù)實踐性強，涉及知識豐富，教師可以從多個方面將思政元素融合到課堂教學(xué)中。

為了給學(xué)生提供方便的實踐環(huán)境，本文提出簡易開發(fā)板設(shè)計，簡易開發(fā)板的核心控制主要是51單片機最小系統(tǒng)，如果缺少51單片機，整塊簡易開發(fā)板將處于癱瘓現(xiàn)象，無法工作，對于這樣的問題，教師可以衍生核心技術(shù)的重要性，在技術(shù)上，除了引進別人的新技術(shù)，還要潛心專研新技術(shù)，將其掌握在自己手里，避免出現(xiàn)該項技術(shù)欠缺導(dǎo)致產(chǎn)品的癱瘓，該現(xiàn)象在國內(nèi)目前十分明顯，例如，在中美貿(mào)易爭端中，我國芯片研發(fā)制造方面與美國具有一定差距，國內(nèi)一些大型企業(yè)在芯片生產(chǎn)制造領(lǐng)域被國外“卡脖子”，因此，在引入新產(chǎn)品時，還要學(xué)習(xí)新技術(shù)[8]。

該課程涉及到定時器系統(tǒng)內(nèi)容時，讓學(xué)生清楚了解定時時間的參數(shù)設(shè)置，且要實現(xiàn)精確的定時，如果在每次定時中存在一點誤差，長時間定時將會導(dǎo)致誤差增大，造成產(chǎn)品使用的不可靠性。告訴學(xué)生做事細心，在每一個環(huán)節(jié)下要保證準確性，養(yǎng)成大國工匠精神。

中斷系統(tǒng)內(nèi)容介紹時，由于中斷系統(tǒng)中包括定時中斷0、外部中斷0、定時中斷1、外部中斷1、串口中斷，單片機的中斷是由于單片機檢測到相應(yīng)的標志位，跳到中斷函數(shù)中執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，并且存在中斷優(yōu)先級，當多個中斷產(chǎn)生時，單片機會根據(jù)優(yōu)先級進行處理，通過單片機優(yōu)先級處理問題，可以讓學(xué)生明白利益的選擇，面臨國家利益與個人利益時，我們一定要優(yōu)先考慮國家利益，讓學(xué)生知道國家利益大于一切，培養(yǎng)學(xué)生的愛國精神。

在串行通信章節(jié)中，在實現(xiàn)通信的前提下，主機與從機要進行相應(yīng)的設(shè)置，如主機與從機的波特率、奇偶校驗位、停止位參數(shù)要設(shè)置一致，這就相當于在我們的生活中，只有我們樹立正確的人生觀、價值觀和世界觀，擁有正確的政治思想、價值理念、精神追求，我們所做的事情才能得到社會的認可、國家的認可。

4、結(jié)語

2020年到2021年第二學(xué)期中，利用本文改革后的教學(xué)模式及教學(xué)方式教授“單片機原理及接口技術(shù)”該課程，在課程結(jié)束后，理論成績考核人數(shù)150人，通過人數(shù)為131，通過率超過87%，并且部分學(xué)生參加團隊，為單片機相關(guān)競賽打下一定基礎(chǔ)。

針對課程思政建設(shè)仍在路上，作為一名專業(yè)教師，要不斷完善思政與教學(xué)的融合，潛移默化的引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價值觀和世界觀，實現(xiàn)為國家培養(yǎng)德、育、體、智全面發(fā)展的人才。

參考文獻

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[6]黃閃閃. 理工類高?！罢n程思政”理論與實踐探索[N]. 天津日報，2021-03-06（015）.

[7]郎振紅.課程思政建設(shè)與教學(xué)改革的探索研究——以計算機軟件技術(shù)專業(yè)為例[J].工業(yè)和信息化教育，2021（03）：10-13+24.

[8]貢益明，徐信，陳聰.“課程思政”在單片機原理及應(yīng)用課程教學(xué)中的建設(shè)與實踐[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（13）：34-35.

基金項目：2017年度廣西民辦教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于“創(chuàng)客”模式下的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育研究”（項目編號2017MB41）

作者簡介：徐國壘1992年9月生人，男，貴州 普定，碩士，專任教師，主要從事單片機原理與接口技術(shù)、C語言程序設(shè)計理論教學(xué)。