單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)模式改革探索

丁保華 張有忠

[摘 要]單獨(dú)開(kāi)設(shè)單片機(jī)原理與接口技術(shù)的理論課程和實(shí)驗(yàn)課程，教學(xué)內(nèi)容及其系統(tǒng)性大大增加了。理論教學(xué)內(nèi)容模塊化，采用貫穿的實(shí)例將知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成有機(jī)的整體以及軟件虛擬仿真教學(xué)，使課堂教學(xué)前后連貫、生動(dòng)形象。獨(dú)立實(shí)驗(yàn)克服了實(shí)驗(yàn)受課堂教學(xué)的束縛，時(shí)間靈活，選修實(shí)驗(yàn)有效增加，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性，有利于學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)和個(gè)性發(fā)揮，切實(shí)提高教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]課程教學(xué) 教學(xué)改革 獨(dú)立實(shí)驗(yàn) 單片機(jī)

[中圖分類號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）01-0158-03

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速普及，單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程是作為機(jī)電等相關(guān)專業(yè)的主干課程開(kāi)設(shè)的，是理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的課程。[1]主要介紹一種典型類型單片機(jī)的基本硬件組成，指令系統(tǒng)和程序結(jié)構(gòu)，單片機(jī)常用外圍接口芯片的接口電路及編程，單片機(jī)的實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用等。[2]通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具有開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的初步能力，包括軟件、硬件及系統(tǒng)等，為后續(xù)的專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。為了提高單片機(jī)的教學(xué)效果，人們也不斷進(jìn)行教學(xué)方法、內(nèi)容、手段的改革與探索實(shí)踐，取得了一定的成績(jī)。[3] [4]不過(guò)學(xué)生仍感覺(jué)到課程內(nèi)容抽象，建立單片機(jī)系統(tǒng)的概念困難。當(dāng)然這與學(xué)生自身的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備有關(guān)，但從單片機(jī)教學(xué)的角度出發(fā)仍然有許多方面值得教師研究和探索，切實(shí)有效提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、單獨(dú)開(kāi)設(shè)單片機(jī)理論課程和實(shí)驗(yàn)課程

單片機(jī)課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式是把理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一門(mén)課程來(lái)進(jìn)行的，也就是常說(shuō)的理論和實(shí)驗(yàn)混編課程，實(shí)驗(yàn)形式叫課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，這是大多數(shù)課程采用的教學(xué)模式。[5] [6]這種模式對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多、實(shí)踐要求很高的單片機(jī)課程教學(xué)明顯不足。

首先，是實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)明顯不足且難以協(xié)調(diào)。原來(lái)的單片機(jī)課程總學(xué)時(shí)為48，其中包括安排了10個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。這對(duì)于課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的占比來(lái)說(shuō)已經(jīng)是比較高的了，但對(duì)于單片機(jī)這類課程要進(jìn)行較全面系統(tǒng)的實(shí)踐訓(xùn)練是遠(yuǎn)不夠的，只能安排少學(xué)時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也給出了參考程序和實(shí)驗(yàn)步驟。這樣雖然加快了實(shí)驗(yàn)周期，但學(xué)生獨(dú)立思考能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得不到有效的鍛煉。同樣隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，串行通訊及低功耗串行器件在微控制器中的廣泛應(yīng)用，要求掌握的內(nèi)容也在增加和變化，38學(xué)時(shí)的課堂理論學(xué)時(shí)也是不夠的。在課程總學(xué)時(shí)確定的情況下，調(diào)整實(shí)驗(yàn)與理論之間的學(xué)時(shí)分配也很困難。

其次，理論教學(xué)限定了實(shí)驗(yàn)時(shí)間的靈活性和內(nèi)容的擴(kuò)展性。對(duì)于混編課程，課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)最終給出一個(gè)總成績(jī)，理論和實(shí)驗(yàn)各占一部分，兩者在時(shí)間上就存在制約。一般是課堂教學(xué)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也基本上要完成，否則將會(huì)影響考試的時(shí)間安排和成績(jī)的評(píng)定。這樣就造成實(shí)驗(yàn)周期較短且相對(duì)集中，在這段時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的負(fù)荷非常高，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間安排非常緊密，靈活性受到很大的限制，甚至影響正常的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展。

為了加強(qiáng)單片機(jī)課程的教學(xué)，特別是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將原單片機(jī)原理及應(yīng)用混編課程改為單片機(jī)原理與接口技術(shù)理論課（學(xué)時(shí)48）和實(shí)驗(yàn)課（學(xué)時(shí)24），兩門(mén)在形式上完全獨(dú)立的課程。這不僅僅是學(xué)時(shí)數(shù)和內(nèi)容的增加，而且使得課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠根據(jù)各自的不同特點(diǎn)和差異，改革完善各自的教學(xué)模式及教學(xué)方法，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，改變實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期作為課堂理論教學(xué)輔助地位的狀況，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩條腿走路。

二、單片機(jī)課堂理論教學(xué)模式及方法探索

對(duì)初學(xué)者來(lái)講單片機(jī)的內(nèi)容抽象，同時(shí)需要一定的電子技術(shù)知識(shí)支撐，對(duì)知識(shí)綜合性、實(shí)踐性要求都比較高，學(xué)生總感覺(jué)內(nèi)容零散難以構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)用。因此在大力加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的同時(shí)，對(duì)單片機(jī)課堂理論教學(xué)的模式及方法等許多方面同樣需要改革和探索。

（一）模塊及層次化的教學(xué)內(nèi)容組合

單片機(jī)常規(guī)教學(xué)一般都是按照教材的先后順序講授單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法和技巧、定時(shí)計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)、串行口通訊，單片機(jī)的擴(kuò)展、人機(jī)和機(jī)電接口應(yīng)用等，知識(shí)點(diǎn)較多，前后知識(shí)有機(jī)聯(lián)系弱，難以構(gòu)成完整系統(tǒng)性的概念。為此，從系統(tǒng)角度出發(fā)將單片機(jī)內(nèi)容劃分為硬件結(jié)構(gòu)、軟件程序、外部擴(kuò)展、應(yīng)用實(shí)例等四大模塊，每個(gè)內(nèi)容模塊中又劃分有不同的知識(shí)層次子模塊。[7]如硬件結(jié)構(gòu)模塊劃分為單片機(jī)核心基礎(chǔ)層（包括寄存器、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、端口等）和片內(nèi)功能層子模塊（包括中斷、定時(shí)器、串口等）;軟件程序模塊包括指令基礎(chǔ)子模塊和基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)子模塊等。在課程講授的開(kāi)始就讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)三大模塊的關(guān)系有初步的感受，并在后期交叉講授過(guò)程中不斷強(qiáng)化認(rèn)識(shí)，建立知識(shí)與系統(tǒng)的概念。

如何建立軟硬件之間的聯(lián)系對(duì)理解單片機(jī)是非常重要的，教學(xué)中要加強(qiáng)軟硬件模塊之間聯(lián)系的講解。指令是編程的基礎(chǔ)，但一條條指令的講解又是非?？菰锏氖虑?，因此要求學(xué)生強(qiáng)化課下的指令記憶，課堂上著重講解典型指令、指令對(duì)比以及和硬件存儲(chǔ)關(guān)系等。如傳送指令MOV、MOVX和MOVC的區(qū)別和對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)空間的位置;堆棧指令PUSH、POP對(duì)指針的影響及調(diào)整初始指針的原因;比較指令CJNE和減法指令SUB實(shí)現(xiàn)同樣功能的編程等;對(duì)于功能部件及擴(kuò)展器件則加強(qiáng)軟件與硬件結(jié)合的講解，如何實(shí)現(xiàn)接口的編程。這樣使學(xué)生逐步建立單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)結(jié)合的方法。

（二）適當(dāng)引入虛擬仿真教學(xué)

單片機(jī)的廣泛應(yīng)用使得其軟件的虛擬仿真技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。Keil軟件是單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件，它支持包括51系列等流行單片機(jī)的宏匯編及C語(yǔ)言的程序編譯、連接及仿真調(diào)試等;Proteus軟件電路設(shè)計(jì)和分析軟件，可以進(jìn)行硬件電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB電路板布線及電路仿真，還可以結(jié)合單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)軟硬件的聯(lián)合仿真。因此通過(guò)Keil軟件環(huán)境中編寫(xiě)單片機(jī)程序，Proteus軟件環(huán)境中設(shè)計(jì)相應(yīng)的單片機(jī)硬件電路，然后通過(guò)兩個(gè)軟件的關(guān)聯(lián)就可以模擬將程序加載到單片機(jī)中進(jìn)行仿真了。[8]

在單片機(jī)的課堂教學(xué)中適當(dāng)引入Keil和Proteus軟件，用它們編寫(xiě)軟件、設(shè)計(jì)電路和虛擬仿真，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)地編寫(xiě)指令和設(shè)計(jì)硬件電路的態(tài)度，還可以使枯燥的單片機(jī)學(xué)習(xí)變得直觀、形象和生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，提高教學(xué)的效果。當(dāng)然，軟件仿真和單片機(jī)的實(shí)際系統(tǒng)還是有差異的，只是驗(yàn)證其邏輯關(guān)系。但在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中先在PC電腦上進(jìn)行軟硬件結(jié)合的虛擬仿真，不僅可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)約硬件成本，而且使開(kāi)發(fā)的初期過(guò)程變得簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)于既要學(xué)習(xí)單片機(jī)并不需要進(jìn)行實(shí)物開(kāi)發(fā)的廣大學(xué)生來(lái)說(shuō)更是很好的學(xué)習(xí)軟件。

（三）一個(gè)應(yīng)用實(shí)例貫穿教學(xué)始終

學(xué)生對(duì)單片機(jī)比較困惑的是相關(guān)的內(nèi)容學(xué)完后認(rèn)識(shí)還是比較零散，不知道該如何應(yīng)用。老師在講授過(guò)程中，不同的章節(jié)也會(huì)舉一些局部的應(yīng)用實(shí)例，各個(gè)實(shí)例僅僅是局部詳細(xì)的，但缺乏整體性，不同章節(jié)例題很少有關(guān)聯(lián)性，老師感覺(jué)基本應(yīng)用都講解了，但學(xué)生仍難以有效建立整體系統(tǒng)應(yīng)用的觀念。

為了強(qiáng)化學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的理解，在教學(xué)的開(kāi)始就提出一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例，并貫穿整個(gè)課堂教學(xué)活動(dòng)中。例如溫度對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)很熟悉的，因此就提出單片機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)例，可以是教室的、宿舍的溫度測(cè)量，給出實(shí)時(shí)溫度顯示，并模擬給出控制信號(hào)（模擬空調(diào)電機(jī)控制）、超限報(bào)警等。教師還可將相關(guān)的內(nèi)容分散到各個(gè)章節(jié)中介紹，最后構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在講解軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，介紹如何根據(jù)已知數(shù)（模擬采集的溫度數(shù)據(jù)）通過(guò)查找比較編程來(lái)確定溫度;在講解中斷及定時(shí)器時(shí)，介紹如何用定時(shí)中斷的方法進(jìn)行定時(shí)溫度信號(hào)的采樣;在講解鍵盤(pán)及顯示時(shí)，如何設(shè)定溫度值，顯示鍵盤(pán)功能及數(shù)據(jù)，然后再返回顯示實(shí)時(shí)溫度等接口編程;在講解A/D時(shí)，以AD590集成溫度傳感器講解電壓與溫度的關(guān)系（輸出電壓可以用電位器模擬），A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系;在講解D/A時(shí)，講如何輸出電壓或電流信號(hào)，以模擬控制調(diào)節(jié)空調(diào)電機(jī)。然后進(jìn)行問(wèn)題實(shí)例總結(jié)，給出完整的軟件編程和硬件電路，并進(jìn)行Keil和Proteus軟件的仿真。這樣學(xué)生比較容易將單片機(jī)的知識(shí)點(diǎn)串成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，有效掌握設(shè)計(jì)的基本方法。

三、單片機(jī)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

獨(dú)立開(kāi)設(shè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)數(shù)大大增加了，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的系統(tǒng)性得到了充分的保證，可以使學(xué)生對(duì)單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、匯編程序編寫(xiě)設(shè)計(jì)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷應(yīng)用、并行/串行通訊方式、A / D和D / A轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)和顯示、系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用等方面得到較為完整系統(tǒng)的訓(xùn)練。與原來(lái)的單片機(jī)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的模式相比優(yōu)勢(shì)是顯見(jiàn)的，更能反映學(xué)生實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)特點(diǎn)。獨(dú)立課程的實(shí)驗(yàn)使得實(shí)驗(yàn)在時(shí)間安排上更寬泛和靈活了，不再受課堂教學(xué)的嚴(yán)格束縛，實(shí)驗(yàn)時(shí)間可以安排在整個(gè)學(xué)期內(nèi)。學(xué)生選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的自由度大大提高了，前期有充足的時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)和軟件仿真，有助于學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，實(shí)行開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[9]，也促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式及方法的改革。

單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中除開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的使用及基本編程操作實(shí)驗(yàn)進(jìn)行集中指導(dǎo)之外，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生以實(shí)驗(yàn)小組為單位自由與實(shí)驗(yàn)室聯(lián)系，自主地決定實(shí)驗(yàn)時(shí)間。不再按課堂教學(xué)時(shí)間，而是按上、下午及晚上三個(gè)單元安排實(shí)驗(yàn)，這樣使學(xué)生有充足的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、分析，同時(shí)也考慮到學(xué)生快慢層次上的差異。

在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立開(kāi)設(shè)課程之前，實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)少且實(shí)驗(yàn)的時(shí)間跨度有限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般都是由指導(dǎo)教師安排的，學(xué)生主動(dòng)選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的機(jī)會(huì)很少。而獨(dú)立開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課程后，大大增加了選修實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)安排上指定實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)數(shù)基本上各占50%左右。這樣即能夠保障學(xué)生對(duì)單片機(jī)主要內(nèi)容實(shí)踐的基本要求，又能讓學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)自主實(shí)驗(yàn)的意識(shí)和主動(dòng)探究知識(shí)的動(dòng)力。

四、結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分別獨(dú)立開(kāi)課，使得理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容得到了加強(qiáng)。特別是獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)設(shè)，除了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加系統(tǒng)化，時(shí)間更加靈活，提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和興趣，還有效提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位，有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視。教學(xué)課堂采用軟件仿真和系統(tǒng)的實(shí)例，使得枯燥呆板的指令、電路變得生動(dòng)形象，有效提高學(xué)生單片機(jī)知識(shí)的綜合和實(shí)際應(yīng)用能力。單片機(jī)課程的教學(xué)改革雖然也取得了較好的效果，但對(duì)于這類實(shí)踐性要求很強(qiáng)的課程，需要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，改變傳統(tǒng)的課堂與實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，深化高等教育的改革。

[ 注 釋 ]

[1] 胡晶晶，李娟.虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)探討[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（4）：206-208.

[2] 李朝青，劉艷玲.單片機(jī)原理及接口技術(shù)（第4版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[3] 姜寧，樊延虎.單片機(jī)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（1）：45-46.

[4] 張江印.高校單片機(jī)教學(xué)模式的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011（9）：103-106.

[5] 陳向奎，李元臣.單片機(jī)教學(xué)的思考與探索[J].洛陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（5）：84-86.

[6] 汪萬(wàn)維.單片機(jī)課程教學(xué)改革探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012（S2）：95-97.

[7] 朱敏杰，羅珩，余亞?wèn)|.改革單片機(jī)教學(xué)培養(yǎng)應(yīng)用型人才[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（2）：144-147.

[8] 馬華玲.Proteus+keil在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（4）：26-27.

[9] 王曉崗，張星，李靜，等.開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（4）：155-157.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]