單片機課程教學改革與實踐

單片機以其體積小、價格低、功能齊全、抗干擾性高、可靠性好、易于開發擴展等特點，被廣泛應用于工業自動化及智能儀器儀表、通信設備、家用電器等各種設備儀器中。“單片機原理及應用”也成了工科院校電子信息科學與技術、通信工程、電氣工程及其自動化等電氣信息類專業的專業基礎課。了解單片機的工作原理、具備基本的單片機操作技能，成為當代電氣信息類專業學生的重要任務。
一、課程的特點及現狀
“單片機原理及應用”是一門理論和實踐結合非常緊密的課程。傳統教學方式多以課程原理的講解與少量硬件實驗相結合，整個教學過程始終圍繞基本原理，實際應用知識只作為點綴，實踐應用講解偏少，不能充分激發學生的學習興趣，學生處于被動接受知識的狀態。再就對實驗環境的選擇，長期以來部分教師推崇開發板（或試驗箱）教學，認為*可以滿足基本的實驗教學要求，對單片機基礎知識如IO口、中斷、定時器/計數器的驗證能輕松應對。部分教師則認為使用開發板耗材較大，需要不斷地購買新的硬件，認為用Proteus來搭建虛擬實驗室，這樣有助于學生能自主設計自己期望的效果，不會出現硬件短缺的可能性。對實驗編程語言的選擇也是很多教師爭議的問題，現今大多數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點在于其所編寫程序的代碼緊湊、執行時間短、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有相當深入的理解，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，可以直接實現對單片機硬件系統的控制。此外，該門課程的考核方式也不夠客觀。傳統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尺比較模糊。盡管大多數教師明確標出平時成績由上課表現、作業情況、實驗情況等部分組成，但由于課時較緊，多數教師忙于授課，對具體每位學生的上課表現無從客觀評價。作業情況亦是如此，由于對同一具體問題解答大多數同學的答題思路基本相似，作業情況也很難辨別有無抄襲情況。
二、改革思路
為了響應教育部提出的工程師培養計劃，結合應用型本科院校單片機課程教學的特點，從2011屆部分電氣信息類專業學生開始，本校進行了如下改革。
1.精簡和優化教學內容。單片機的教學目標是要求學生掌握單片機的基本組成及各個部分的工作原理，在此基礎上繼續學習單片機的中斷系統、定時器及單片機系統的擴展和通信方法，進而能夠完成簡單的單片機應用系統的設計。在授課過程中，既要照顧到理論的周全，又要結合應用型人才的培養需求，盡可能多地融入一些實際應用。為此，必須打破原有教
學框架，精簡和優化教學內容，將單片機課程的核心技術提煉為若干知識點，并通過一個個具體案例體現出來，引導學生邊做邊學，逐步掌握單片機技術。例如在介紹I/O口應用時，同時把系統配置章節的數碼管顯示部分講解進來，以實現I/O口控制數碼管的顯示。
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學生普遍都有C語言基礎，為此本校選擇了C語言作為編程語言，指導學生掌握C語言在單片機開發中的程序設計方法。對單片機C語言及程序設計章節，不再孤立地講解具體某條指令的含義，而是采用活學活用的方法，分析某一具體應用中需要用到的新的指令，再具體講解其作用及書寫規范。如當學
生已經掌握了LED燈的亮滅控制程序后，及時的把延時函數講解進來，即可實現LED燈的閃爍程序。這樣，學生對所學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。教學初期，先講解一些如IO口驗證、數碼管、鍵盤識別類的驗證性程序，再由前面知識的一步步積累設計出一些綜合性較強的實際應用。因此，在整個教學過程中，典型案例庫的建立是*的。依據本校電氣信息類專業對“單片機原理及應用”課程教學內容的要求，結合筆者自身實際教學經驗，把單片機案例庫教學內容大致分解為三大模塊，詳見表1，并依據案例庫，設計出相應的實驗手冊。表1所列試驗并非要求每位學生都要*掌握。在教學過程中，對學生的學習情況分層次是*的，針對不同層次的學生設置不同的培養目標。
4. 采用開發板和仿真軟件相結合的實驗教學方式。在對學生分層培養目標下，實驗教學可采用開發板和仿真軟件相結合的教學方式。對基礎培養型學生，僅要求其掌握到案例9的內容，其實驗環境采用開發板進行教學。對于興趣較濃的學生，期待設計出更多綜合性較高、具有一定實用價值的單片機系統，則需要一個長期培養的過程。要達到這樣的培養目標，應在完成單片機課程學習的基礎上，利用開放實驗、大學生科研項目、畢業設計或者電子競賽等方式進行強化訓練，讓學生在長期的訓練中，能夠在熟悉的知識環境中逐步設計并增強其實際應用的能力。在此期間，為了避免出現硬件短缺的情況，對這部分學生，還應引入Proteus單片機系統虛擬仿真軟件的教學，用虛擬單片機系統來替代實際硬件電路，把程序運行于虛擬的MCU上，使軟件調試不再依賴于實際的硬件電路，當仿真結果達到系統預期目的后，再進行實際硬件電路的制作。仿真軟件的使用讓學生能夠更加靈活、深入地學習單片機知識。
5.加強實驗考核在平時成績中的比重。傳統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、作業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的機會，把案例庫中的內容分解到每次實驗中，在每次實驗中，布置3—5個小實驗，并對每位學生的實驗情況及時做出評價。通過加強對學生平時實驗的考核，能得出更為準確的平時成績，從而對學生做出更為客觀的評價。
采取上述措施后，經過三年多的教學實踐，學生普遍反映《單片機原理及應用》不再是一門枯燥難懂的課程，學習有了更大的興趣，能夠更好地掌握并應用其所學的知識。同時，通過眾多的實踐性教學環節，學生也容易將課堂知識進行轉換。很多學生主動利用所學的單片機知識申報了相關的大學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，在畢業設計選題方面，選擇單片機設計方面的學生也越來越多。