單片機(jī)思維的建立與強(qiáng)化在教學(xué)工作中的應(yīng)用

劉濤 沈?yàn)槊? 陳慧芳 馮桂蘭

【摘要】《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程是工科專業(yè)課程體系的重要環(huán)節(jié)，但教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果差強(qiáng)人意。本文提出“建立和強(qiáng)化單片機(jī)思維”的教學(xué)方法，對該教學(xué)方法進(jìn)行理論分析和研究、具體實(shí)施過程的分析，并用該方法在課堂上加以嘗試，取得很好的教學(xué)效果。本文旨在找到一條提高單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到或超出教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果的方法，為單片機(jī)教與學(xué)找到一條新路。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)教學(xué) 單片機(jī)思維 微機(jī)結(jié)構(gòu)體系 討論課

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）07-0019-02

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程是工科專業(yè)課程的重要環(huán)節(jié)，尤其是在光電、自動控制、機(jī)電、電器、電子信息等專業(yè)中，單片機(jī)都是專業(yè)必修課程。在《模擬電路》、《數(shù)字電路》等課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)之后，通過單片機(jī)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握單片機(jī)的基本原理和使用方法，從分立元件構(gòu)成的電路，逐步過渡到數(shù)字集成電路的應(yīng)用，進(jìn)而轉(zhuǎn)入DSP、PLD、嵌入式等更高一級的專業(yè)技術(shù)的學(xué)習(xí)。

1．單片機(jī)教學(xué)過程中的難點(diǎn)

單片機(jī)課程的重要性毋庸置疑，但是教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果卻差強(qiáng)人意。單片機(jī)課程有其自身的特點(diǎn)。數(shù)字電路是它的基礎(chǔ)，但是學(xué)習(xí)方法又有別于數(shù)字電路。單片機(jī)有完整的理論體系和構(gòu)架，單片機(jī)的入門需要立足于這個理論體系，但是對于初學(xué)者而言，過多的專業(yè)術(shù)語很陌生，難以理解，入門的門檻相對較高。單片機(jī)的各個組成部分之間看似松散的關(guān)系，也使得單片機(jī)的教學(xué)不夠連貫、邏輯性不強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)側(cè)重于各部分的使用方法的驗(yàn)證，學(xué)生自主發(fā)揮的空間不大。這些都是單片機(jī)教學(xué)過程中應(yīng)該予以重視并加以解決的問題。

本文提出“建立和強(qiáng)化單片機(jī)思維”的教學(xué)方法，對該教學(xué)方法進(jìn)行理論研究，并用該方法在課堂上加以嘗試，取得了很好的教學(xué)效果。本文旨在找到一條提高單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到或超出教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果的方法，為單片機(jī)教與學(xué)找到一條新路。

2.強(qiáng)化單片機(jī)思維教學(xué)法

單片機(jī)思維是指：在深刻理解微機(jī)的構(gòu)成機(jī)理和原則、熟練掌握單片機(jī)的應(yīng)用方法的基礎(chǔ)之上，從微機(jī)體系的視角思考和解決單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的具體問題?！敖⒑蛷?qiáng)化單片機(jī)思維”的教學(xué)法，是從學(xué)生的認(rèn)知過程的連貫性和邏輯性的角度出發(fā)，將單片機(jī)的核心理念貫穿于整個教學(xué)過程中，使學(xué)生對單片機(jī)的認(rèn)識不僅僅停留在如何使用，而是深入到單片機(jī)這個芯片的設(shè)計(jì)思想中，從而形成一種用基于單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)的理念來構(gòu)建單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的思維模式。單片機(jī)思維的形成需要教師在教學(xué)過程中有步驟、有層次，系統(tǒng)地引導(dǎo)。總的來說，課堂和課外的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)要相互配合，取長補(bǔ)短。本文僅從理論教學(xué)的角度來探討如何幫助學(xué)生建立和強(qiáng)化單片機(jī)思維的問題。

2.1課堂理論教學(xué)

2.1.1注重微機(jī)體系概念和單片機(jī)思維的建立

將微機(jī)體系的概念貫穿于單片機(jī)教學(xué)始終，將單片機(jī)各組成部分有機(jī)地聯(lián)系起來，啟發(fā)學(xué)生從微機(jī)體系角度思考單片機(jī)的具體問題，從而使學(xué)生建立“單片機(jī)思維”，深刻理解單片機(jī)原理，從而靈活運(yùn)用單片機(jī)。

單片機(jī)理論教學(xué)的內(nèi)容是MCS-51單片機(jī)，51單片機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰，層次分明，構(gòu)架簡潔。中央處理器是計(jì)算部件，相當(dāng)于人的大腦；與之相對應(yīng)的是計(jì)算的數(shù)據(jù)的存儲部件：存儲器，相當(dāng)于人的臟器；計(jì)算機(jī)需要和外界交流，也就是輸入輸出部件，相當(dāng)于人的眼和嘴或者手；將這些部件聯(lián)系起來的是總線，相當(dāng)于人體的血管和神經(jīng)。這些基本部件構(gòu)成了單片機(jī)的最基本的組成構(gòu)架。教師在講解過程中，將這一構(gòu)架貫穿始終，使學(xué)生展開想象，理解微機(jī)的工作原理是什么，各部分是如何聯(lián)系，協(xié)同工作的——這是單片機(jī)思維的“基本點(diǎn)”，這個基本點(diǎn)和另一個基本點(diǎn)——“單片機(jī)對硬件的操作是通過對硬件的地址的讀寫來實(shí)現(xiàn)的”相結(jié)合，構(gòu)成了整個教學(xué)過程的主線。在學(xué)習(xí)單片機(jī)的各個組成部分以及在學(xué)習(xí)其他類型的單片機(jī)的時候，都要從這兩個基本點(diǎn)出發(fā)，把握住這根主線。

該系列的單片機(jī)誕生于1978年前后，雖然其歷史悠久，但具有51內(nèi)核的眾多單片機(jī)一直都是工業(yè)應(yīng)用上的主要型號。AVR、PIC單片機(jī)以及功耗更低、處理能力更強(qiáng)和資源更豐富的MSP430單片機(jī)，在微機(jī)的核心構(gòu)架、基本理念上，都以51為基礎(chǔ)，但又風(fēng)格迥異?？梢哉f，MCS-51的教學(xué)目的，不僅僅局限于學(xué)習(xí)如何使用MCS-51單片機(jī)，更在于使學(xué)生深入理解單片機(jī)的構(gòu)成，掌握一般意義上的單片機(jī)的學(xué)習(xí)方法，靈活運(yùn)用單片機(jī)，形成單片機(jī)思維，進(jìn)而籍由相同理念，將單片機(jī)的基本概念和學(xué)習(xí)方法推廣到其他類型的單片機(jī)學(xué)習(xí)過程中，可以起到事半功倍、舉一反三的效果。實(shí)踐證明，基于微機(jī)體系的教學(xué)方法，使學(xué)生學(xué)得更加扎實(shí)，更加廣泛，學(xué)生能快速地掌握其他類型的單片機(jī)。

2.1.2入門時弱化專業(yè)術(shù)語

學(xué)生們在進(jìn)入單片機(jī)課程之初，就會面對很多新的概念或?qū)I(yè)術(shù)語，如：具有存儲功能的：鎖存器、寄存器、存儲器；接口、端口等。這些專業(yè)術(shù)語一方面準(zhǔn)確、精煉地表達(dá)了相關(guān)的知識內(nèi)涵，但另一方面也在很大程度上給學(xué)生的認(rèn)知造成了一定困難，學(xué)生們面對這些新詞匯的時候，感到不解、害怕、無所適從，從而降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，打消了學(xué)習(xí)的積極性。單片機(jī)課程十分重要，很多同學(xué)都希望能學(xué)有所成，學(xué)有所用，但他們的學(xué)習(xí)熱情，往往在正式進(jìn)入單片機(jī)課程之初就被澆滅了。所以，在入門之初，可以弱化這些術(shù)語、概念和詞匯，僅僅從字面入手，用容易為學(xué)生所接受的方法，對這些術(shù)語所涉及的功能進(jìn)行簡單闡述，并不花過多精力解釋和追求概念的完整性，帶學(xué)生跳過這道門檻，直接進(jìn)入主題。弱化專業(yè)術(shù)語并不是回避概念，而是在認(rèn)知過程中的一種策略，從淺層次了解概念，降低難度，從而掃清障礙，打開學(xué)習(xí)的上升通道。

2.1.3 用啟發(fā)式的教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生，展開主題

在每個知識點(diǎn)講授之初，從兩個方面引出該知識點(diǎn)：（1）從微機(jī)體系的角度看，除了前面講過的部分之外，大家認(rèn)為還需要哪些組成部分或者功能？（2）從實(shí)際運(yùn)用的角度看，如果要完成某個具體的工作任務(wù)，需要哪些方法和步驟？僅僅用前面講過的方法去實(shí)現(xiàn)，有什么不足？如果大家來設(shè)計(jì)單片機(jī)，碰到這種實(shí)際任務(wù)的要求，應(yīng)該給單片機(jī)添加什么功能或部件？這種任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)，既是對前面講過的內(nèi)容的回溯，同時也啟發(fā)了學(xué)生思考，從而引出了本課主題?；谶@兩個方面的方法不僅可以用來教學(xué)單片機(jī)知識，同樣適用于針對單片機(jī)外圍芯片的學(xué)習(xí)。

目前有許多的單片機(jī)教學(xué)都趨向于“任務(wù)驅(qū)動”的模式，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，希望學(xué)生通過任務(wù)的分析、分解，逐步完成知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)[1]。但這種方法有一定難度，理論依據(jù)有所欠缺，對于剛?cè)腴T學(xué)生的認(rèn)知水平而言難以理解和掌握，所以教學(xué)效果并不理想。這個時候，需要教師引導(dǎo)學(xué)生思考。首先，要運(yùn)用貫徹始終的主線“微機(jī)體系”，引導(dǎo)學(xué)生用“單片機(jī)思維”思考問題。比如：在講授“系統(tǒng)擴(kuò)展”這個知識點(diǎn)時，提出實(shí)際問題：如何解決單片機(jī)的內(nèi)部資源不夠用的問題。通過討論和分析，學(xué)生得出結(jié)論：需要在單片機(jī)外部增加資源，從而引出“系統(tǒng)擴(kuò)展”的概念。接下來提問：大家認(rèn)為系統(tǒng)硬件擴(kuò)展應(yīng)該遵循什么原則，或者說如何實(shí)現(xiàn)？引導(dǎo)學(xué)生圍繞著微機(jī)體系構(gòu)架尋找答案。很快，學(xué)生們就有了答案：系統(tǒng)擴(kuò)展是單片機(jī)內(nèi)部的延伸，所以系統(tǒng)擴(kuò)展可以看成是內(nèi)部構(gòu)架的映像，和內(nèi)部構(gòu)架的聯(lián)結(jié)一樣，必須依據(jù)總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。問題的討論到這里并沒有結(jié)束，緊接著教師請學(xué)生思考：系統(tǒng)的硬件擴(kuò)展完成后，如何訪問或使用擴(kuò)展出來的資源？回答這個問題，需要學(xué)生們把握單片機(jī)思維的另一個基本點(diǎn)——“單片機(jī)對硬件的操作是通過對硬件地址的讀寫來實(shí)現(xiàn)的”。通過從微機(jī)體系和單片機(jī)思維出發(fā)的任務(wù)驅(qū)動的啟發(fā)式教學(xué)，可以幫助學(xué)生鞏固所學(xué)，主動用已知解決未知，獲取新知，提高理解的層次，從而為靈活運(yùn)用打下基礎(chǔ)。

2.1.4講授內(nèi)容突出重點(diǎn)，適度留白

中國畫講究畫者對意境的表達(dá)，以及賞者對意境的體會和精神上的共鳴。在畫作中有些地方要潑墨，重點(diǎn)勾畫，有些地方則要留白，不著筆墨。留白不是空白，卻是畫者提供給賞者想象和情感表達(dá)的空間，甚至是賞者參與畫作的再創(chuàng)作過程。如果把單片機(jī)教學(xué)比作是中國畫的創(chuàng)作過程，那么在講解過程中的突出重點(diǎn)，適度留白，對于學(xué)生的理解的深入，思維的擴(kuò)展，認(rèn)知能力的提高有極大的好處。知識點(diǎn)中的重要部分要反復(fù)強(qiáng)調(diào)，分析透徹，并將單片機(jī)的主線貫穿在講解過程中。但知識點(diǎn)中的某些部分可以提出來，但不做講解，留給學(xué)生思考。學(xué)生們通過自己的思考，運(yùn)用學(xué)習(xí)方法，獲取該部分的信息，這個過程不僅強(qiáng)化了基本概念和學(xué)生的單片機(jī)思維，更可以使學(xué)生產(chǎn)生共鳴，產(chǎn)生成就感，提高學(xué)習(xí)興趣。哪些部分需要留白，是值得教師反復(fù)斟酌的問題，是教學(xué)質(zhì)量能否提高的關(guān)鍵。

比如：MCS-51單片機(jī)中的定時器/計(jì)數(shù)器的模式寄存器TMOD，這個寄存器的主要功能是設(shè)置定時器/計(jì)數(shù)器的工作方式。教學(xué)過程中，設(shè)置定時器計(jì)數(shù)器的工作方式的相應(yīng)位是著重要講解的內(nèi)容，而且配合例題加以講解。在TMOD中還有兩個GATE位，如果設(shè)置為1，那么相應(yīng)定時器/計(jì)數(shù)器用來對/INT0或/INT1引腳上的信號的高電平時間進(jìn)行測量。在授課過程中，僅提醒學(xué)生注意GATE位的存在，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)完中斷的內(nèi)容后，回過頭來思考。在“討論課”中，組織一個“測量”專題，由學(xué)生對這個內(nèi)容加以討論，問題會迎刃而解，學(xué)生感到豁然開朗。

2.1.5完善和強(qiáng)化概念

主題或知識點(diǎn)講授完畢之后，要總結(jié)歸納，完善和強(qiáng)化概念，這是課堂教學(xué)的最后一個環(huán)節(jié)。在進(jìn)入主題之初，我們提出要弱化專業(yè)術(shù)語，目的是為了降低學(xué)習(xí)門檻，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是在學(xué)習(xí)過這些知識點(diǎn)之后，幫助學(xué)生總結(jié)歸納和補(bǔ)充，完善和強(qiáng)化概念，將學(xué)生對概念的理解和掌握提升到更高的層次，顯得尤為重要。一方面，這樣的完善和強(qiáng)化鞏固了學(xué)生的“單片機(jī)思維”，另一方面，學(xué)生站在更高層次上，更能促進(jìn)他們發(fā)現(xiàn)新問題，產(chǎn)生新想法，迸發(fā)出思想的火花。

2.2課外理論教學(xué)作為課堂理論教學(xué)的補(bǔ)充和延伸

課外理論教學(xué)采用開設(shè)討論課的方式進(jìn)行。課外理論教學(xué)和課堂理論教學(xué)有本質(zhì)的區(qū)別，旨在引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)課外的單片機(jī)相關(guān)知識，既是理論教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充以及課堂的延伸，也是對課堂教學(xué)過程中所教授的單片機(jī)構(gòu)成理念、單片機(jī)思維、單片機(jī)學(xué)習(xí)方法的直接運(yùn)用。國內(nèi)大多數(shù)大學(xué)都沒有重視用討論課的形式展開教學(xué)。美國“常春藤聯(lián)盟（Ivy League）” 的課程非常重視小型討論班，往往在正式授課之外把大班拆成幾個小組上討論課，由教授或者研究生主持。這種討論不是滿堂灌輸理論，而是對話式的、互動式的，要發(fā)展學(xué)生提出問題、進(jìn)行置疑、辯論、說服、論證等能力。這種教學(xué)模式培養(yǎng)了大批理性思考、分析透徹、擅長創(chuàng)新的人才。受此啟發(fā)，單片機(jī)課程的討論課鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從教師作為講授主體的灌輸型的課堂教學(xué)模式，逐步轉(zhuǎn)換到以核心成員組織討論的研討型課外學(xué)習(xí)模式。討論課的主題由教師加以列舉，開設(shè)有“測量”、“顯示”、“驅(qū)動”、“控制”、“總線”等主題。主持者和參與主體都是學(xué)生，學(xué)生們根據(jù)自己的興趣選擇某個主題參與討論。討論的形式多樣，輕松活躍，學(xué)生通過對所選主題涉及到的資料的查閱，制作ppt，給其他同學(xué)講解，大家互相提問和解答，圍繞單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成和基本理論結(jié)構(gòu)，啟發(fā)思考，讓學(xué)生有目標(biāo)，有依據(jù)，有方法，并且通過互相問答啟發(fā)地自學(xué)，達(dá)到補(bǔ)充課堂教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)思維的效果。討論課作為從理論學(xué)習(xí)到工程項(xiàng)目訓(xùn)練的過渡，結(jié)合本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）和課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽等實(shí)踐性環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在“研究中學(xué)習(xí)”。[2-4]

3.教學(xué)效果評價

我們首次采用“建立與強(qiáng)化單片機(jī)思維”的教學(xué)方法，取得了很好的教學(xué)效果。課時（理論+實(shí)驗(yàn)）為66學(xué)時，授課對象是光電專業(yè)的大三學(xué)生，人數(shù)69人，學(xué)習(xí)過《電子技術(shù)》、《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》等必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，僅有一人有單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。試題偏重理論，其中基礎(chǔ)題占57%，中等難度題占25%，難題18%，從卷面成績上看，及格率達(dá)到83%，其中80分以上學(xué)生占48%。說明學(xué)生對于理論知識的理解較好，遠(yuǎn)高于往屆學(xué)生的掌握程度。另一方面，實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生表現(xiàn)出很高的主動性和創(chuàng)造熱情，能熟練運(yùn)用匯編或C51編程的學(xué)生超過60%，這一比例也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非實(shí)驗(yàn)班級。

4.結(jié)束語

單片機(jī)教學(xué)效果關(guān)系到工科學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)和創(chuàng)造力的提高。社會對人才的要求越來越高，提高單片機(jī)的教學(xué)質(zhì)量，對夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，尤為重要。通過將“建立與強(qiáng)化單片機(jī)思維”的教學(xué)方法運(yùn)用到理論教學(xué)上，使學(xué)生對單片機(jī)理解得更加透徹，掌握得更加深刻，運(yùn)用得更加靈活，更有興趣和創(chuàng)造力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國光.《任務(wù)驅(qū)動法在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用》，《中國職業(yè)技術(shù)教育》, 2005年4月總第194期.

[2]鄭家茂，張胤.《對大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃的若干思考》，《高等工程教育研究》，2008年第6期.

[3]徐敏，盧周平.《“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革與實(shí)踐》，《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》, 2006. 第25卷(第1期).

[4]王慶成.《“單片機(jī)”課程教學(xué)改革及綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)》，《吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報》, 2008. 第24卷(第12期).