基于微課的單片機(jī)指令教學(xué)改革研究和實(shí)踐

李冬英，李夢奇，徐　勇

基于微課的單片機(jī)指令教學(xué)改革研究和實(shí)踐

李冬英，李夢奇，徐勇

（邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽422004）

單片機(jī)指令系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、指令多、內(nèi)容復(fù)雜等特點(diǎn)，因而在教學(xué)中常常出現(xiàn)初學(xué)者難以理解和記憶的問題。本文基于微課體現(xiàn)的“短、小、精、趣”特征，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，將一節(jié)課劃分為10分鐘左右的4～5個(gè)單元，進(jìn)行單片機(jī)指令微課教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)和教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在課堂教學(xué)中實(shí)施，課堂效果顯著。

微課；單片機(jī)；指令系統(tǒng)；教學(xué)方法

單片機(jī)廣泛應(yīng)用在智能儀器儀表、家用電器、自動(dòng)控制、工業(yè)自動(dòng)化、通信、機(jī)械電子、汽車電子設(shè)備等領(lǐng)域。《單片機(jī)原理及應(yīng)用》作為工科類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，也是很多其它課程的先修課程。在機(jī)電一體化專業(yè)的培養(yǎng)體系及專業(yè)學(xué)習(xí)中占據(jù)著非常重要的地位。要做好《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)，其中單片機(jī)指令系統(tǒng)的教學(xué)占據(jù)著舉足輕重的地位，直接影響到學(xué)生對(duì)單片機(jī)的編程及其實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，找到一種針對(duì)單片機(jī)指令系統(tǒng)的先進(jìn)教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的能力以及解決實(shí)際工程問題的能力具有重要意義。

1　單片機(jī)指令系統(tǒng)的特點(diǎn)

單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支。雖然目前各種高級(jí)單片機(jī)新產(chǎn)品層出不窮，但源自Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)因具有應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟等特點(diǎn)，仍然占據(jù)可觀的市場份額。國內(nèi)各類高等院校在開設(shè)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》專業(yè)基礎(chǔ)課程時(shí)，單片機(jī)指令是一個(gè)重要的教學(xué)內(nèi)容。單片機(jī)指令系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）控制功能強(qiáng)：具有豐富的控制指令，如條件分支轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作指令、位處理指令等。

（2）指令繁多：8051的指令系統(tǒng)由111條指令組成。如果按字節(jié)數(shù)分類，有49條單字節(jié)指令、46條雙字節(jié)指令和16條三字節(jié)指令，以單字節(jié)指令為主；如果按照指令執(zhí)行時(shí)間分類，有64條單周期指令、45條雙周期指令和2條四周期指令，以單周期指令為主。

（3）內(nèi)容復(fù)雜，概念抽象?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，單片機(jī)指令系統(tǒng)的傳統(tǒng)教學(xué)會(huì)讓學(xué)生感到概念抽象，內(nèi)容繁雜，知識(shí)要點(diǎn)難以理解，為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來一定的難度，他們或者不能正確地理解指令的作用，或者給出指令系統(tǒng)中沒有定義的指令形式等等，許多學(xué)生在學(xué)習(xí)完這部分內(nèi)容后，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)指令還挺復(fù)雜的，就會(huì)漸漸地失去學(xué)習(xí)興趣，自然嚴(yán)重影響了課程教學(xué)效果。掌握和熟悉指令系統(tǒng)，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)8051硬件結(jié)構(gòu)的深入理解，進(jìn)而為MCS-51的高級(jí)語言編程奠定基礎(chǔ)，具有重要的意義。

2　單片機(jī)指令系統(tǒng)教學(xué)中的問題

2.1教學(xué)內(nèi)容上存在的問題

目前很多單片機(jī)課程教學(xué)都以MCS-51單片機(jī)為講授對(duì)象，對(duì)于MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)來說，共有111條指令，按功能劃分為數(shù)據(jù)傳送指令（29條）、算術(shù)運(yùn)算指令（24數(shù)據(jù)傳送指令）、邏輯運(yùn)算指令（24條）、控制轉(zhuǎn)移指令（17條）以及位操作指令（17條）5類。指令采用助記符表示的匯編語言指令格式如表1所示。

表1單片機(jī)匯編語言指令格式

按照課本內(nèi)容排列上的講授方式介紹指令的操作功能方面在教學(xué)效果上仍然會(huì)存在一些問題，教學(xué)過程中，通過作業(yè)、實(shí)驗(yàn)以及考試發(fā)現(xiàn)相當(dāng)多的學(xué)生很容易把指令搞混淆，大部分學(xué)生對(duì)指令的理解方面存在著較多的問題，指令中目的操作數(shù)和源操作數(shù)可以以何種形式出現(xiàn)，完全沒有清晰的概念存在，純粹按照自己的“主觀感性主義”編程，想怎樣寫就怎樣寫，甚至隨意捏造一種新指令，用于描述自己的程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的按書本內(nèi)容進(jìn)行的教學(xué)方式往往容易打擊學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣和激情。

2.2教學(xué)方式方法存在的問題

單片機(jī)課程教學(xué)把培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力作為一個(gè)重要目標(biāo)來考慮，因此，跟實(shí)踐結(jié)合非常緊密，但實(shí)際上很多學(xué)校在講授單片機(jī)課程的時(shí)候，由于受到學(xué)時(shí)與實(shí)驗(yàn)條件的限制，教學(xué)過程中大部分時(shí)間是講解課程的知識(shí)點(diǎn)，很少聯(lián)系單片機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)過程及開發(fā)環(huán)境，學(xué)生主要靠實(shí)驗(yàn)過程掌握有關(guān)單片機(jī)開發(fā)環(huán)境和調(diào)試過程。畢竟實(shí)驗(yàn)課時(shí)非常有限，對(duì)學(xué)生來說，掌握程序設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境及調(diào)試過程比掌握程序設(shè)計(jì)的基本要素更重要，并且學(xué)生缺少程序設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境，對(duì)學(xué)習(xí)單片機(jī)指令的理論知識(shí)感到非常抽象，很容易鉆牛角尖，不能理解為什么會(huì)這樣。結(jié)果只能靠死記硬背，模模糊糊記住一些指令，印象不深刻，使用時(shí)就會(huì)琢磨不定。

因此，文章基于微課體現(xiàn)的短、小、精、趣等特征，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，將一節(jié)課劃分為10min左右的4～5個(gè)單元，進(jìn)行單片機(jī)指令微課教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)和教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在課堂教學(xué)中實(shí)施，來探討MCS-51指令系統(tǒng)的教學(xué)方法。

3　基于微課的指令系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1微課及其發(fā)展

微課是現(xiàn)階段的教育領(lǐng)域中不斷發(fā)展的新型教學(xué)模式，能夠輔助教師將教學(xué)過程有效的延伸與完善，進(jìn)而促使教學(xué)目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)。微課主要包含小教學(xué)視頻以及配套的教學(xué)輔助資源，如微課件以及微教案等等。

微課要求教學(xué)活動(dòng)時(shí)間短，教學(xué)目標(biāo)明確，教學(xué)內(nèi)容精煉。通過采用案例教學(xué)等教學(xué)策略，圍繞某個(gè)知識(shí)點(diǎn)而展開教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來更有針對(duì)性，微課視頻及其配套的教學(xué)輔助資源可以放置在網(wǎng)上，可滿足學(xué)生隨時(shí)、隨地、隨需的自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

3.2教學(xué)框架設(shè)計(jì)

對(duì)于指令系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，本文基于微課方式圍繞指令展開，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，將每學(xué)時(shí)45min的教學(xué)內(nèi)容劃分為10min左右的4～5個(gè)單元，按照“案例——格式——說明——實(shí)例（舉例、互動(dòng)）——對(duì)照——練習(xí)”的形式，進(jìn)行單片機(jī)指令微課教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)和教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在課堂教學(xué)中實(shí)施，錄制一小段微視頻，配以輔助的教學(xué)資源，提供給學(xué)生，學(xué)生可以按照自己的情況進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，消除知識(shí)盲點(diǎn)，教師也可以收集學(xué)生的反饋信息，以實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生之間的互動(dòng)。

3.3教學(xué)實(shí)施

下面以《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程指令系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)教學(xué)為案例，介紹基于微課的課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施過程。

（1）微課教學(xué)內(nèi)容的選取。課前筆者首先對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析，以便更好的進(jìn)行微課課堂的設(shè)計(jì)。在單片機(jī)指令系統(tǒng)的教學(xué)過程中，從功能角度出發(fā)可以將111條指令分為5類：數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移和位操作。在功能分類的基礎(chǔ)上，通過歸類來進(jìn)行記憶，給出助記符對(duì)應(yīng)的英文單詞，給學(xué)生提供記憶指令的有效手段。

單片機(jī)指令系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容尋址方式與111條指令共需要6學(xué)時(shí)，其中尋址方式的教學(xué)需要1學(xué)時(shí)，5分時(shí)分別用來學(xué)習(xí)5類指令。每一類指令都有相似的符號(hào)和格式，只要能熟練理解，記憶其中5類中的30多條指令，其余指令就會(huì)觸類旁通。要熟記30多指令，基本上每類指令要記住有代表性的5～10條指令即可，下面筆者以“數(shù)據(jù)傳送類指令”為例，具體說明每類指令的教學(xué)過程設(shè)設(shè)計(jì)與方法。

（2）微課教學(xué)內(nèi)容的微處理。筆者在講授數(shù)據(jù)傳送類指令時(shí)，先根據(jù)指令的助記符“MOV、MOVC、MOVX”將其劃分成三類指令，將具有相同助記符的8位數(shù)據(jù)傳送類指令MOV作為教學(xué)案例，將這類指令按操作數(shù)或操作數(shù)地址分別以＃data、A、Rn、@Ri、direct等的指令再進(jìn)行分類。分別以累加器A、Rn、direct等為目的操作數(shù)分別列出所有指令來，并介紹其操作功能，如圖1和圖2所示。

圖1　以累加器A為目的數(shù)的傳送類指令

圖2　以直接尋址direct為目的數(shù)的傳送類指令

以上的9條數(shù)據(jù)傳送類指令中，分別選取在格式與結(jié)構(gòu)上具有代表性的2條指令，只要求學(xué)生能掌握具有代表性的4條指令（如圖3所示）做為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。

圖3　典型代表數(shù)據(jù)傳送類指令

表2　微課的腳本錄制設(shè)計(jì)

微課教學(xué)內(nèi)容選取好后，接下來根據(jù)微課課時(shí)長短按照

“案例——格式——說明——實(shí)例（舉例、互動(dòng)）——對(duì)照——練習(xí)”的形式將一堂課的教學(xué)內(nèi)容分割成5～10分鐘的多個(gè)小片斷，先選取的內(nèi)容作為案例切入主題，按照格式——說明——實(shí)例等的形式然后逐步推進(jìn)，引發(fā)思考，最后以對(duì)照練習(xí)的路徑設(shè)計(jì)微課形式的教學(xué)片斷，每個(gè)片斷時(shí)長控制在10分鐘以內(nèi)，如表2所示。

（3）微課在教學(xué)中的實(shí)施及效果。為了驗(yàn)證微課在教學(xué)中的效果，筆者在兩個(gè)平行班級(jí)中分別采用傳統(tǒng)教學(xué)法和微課教學(xué)法進(jìn)行對(duì)比。在采用傳統(tǒng)教學(xué)的班級(jí)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)非常被動(dòng)，學(xué)習(xí)效果很差。指令常?；煜磺?，就是在死記硬背的基礎(chǔ)上記住一些指令，通常在程序設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境下，也不知道如何具體運(yùn)用。在采用微課教學(xué)的班級(jí)中，相比前者學(xué)習(xí)效果明顯改善。上課時(shí)，通過短短的5～10分鐘時(shí)間記憶一小類指令，筆者通過教學(xué)平臺(tái)將微課視頻發(fā)給每個(gè)學(xué)生，讓學(xué)生看視頻進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)微課表現(xiàn)出極大興趣，每位學(xué)生都認(rèn)真觀看微課視頻，在短時(shí)間內(nèi)容理解并記住一小類指令，而教師只需根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況對(duì)指令的功能進(jìn)行指導(dǎo)說明。采用微課的形式，幾乎所有學(xué)生都輕松愉快地完成了單片機(jī)指令系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。由此可見，采用微課的形式進(jìn)行教學(xué)，不僅學(xué)生歡迎、提高了教學(xué)效果，也對(duì)單片機(jī)指令這類相對(duì)枯燥的教學(xué)內(nèi)容有著重要的參考價(jià)值。

4　結(jié)語

理解和掌握單片機(jī)的指令系統(tǒng)是學(xué)習(xí)單片機(jī)原理及應(yīng)用的基礎(chǔ)，如何快速準(zhǔn)確記憶和掌握這些指令十分關(guān)鍵。將傳統(tǒng)教材中的指令按助記符分解為傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和控制轉(zhuǎn)移類指令等5類，將助記符相同的指令放在一起進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)，同時(shí)以A、direct、Rn和@Ri為目的操作數(shù)，分析并歸納出相關(guān)指令之間規(guī)律，教學(xué)過程中以微課形式，把復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容分解成10分鐘左右的多個(gè)小片斷，以達(dá)到輕松記憶這些指令的目的。通過在多個(gè)教學(xué)班級(jí)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果明顯。

［1］張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2007.

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［8］孟祥增，劉瑞梅，王廣新.微課設(shè)計(jì)與制作的理論與實(shí)踐［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2014，（6）：24-32.

［9］宋金璠，郭金峰，王生釗，等.微課在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2015，35（2）：12-17.

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Research and Practice on Teaching reform of Single Chip Microcomputer Instruction System Based on MCU

LI Dong-ying，LI Meng-qi，XU Yong
（Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422004，China）

The sing1e chip computer command system has the characteristics of strong function，mu1tip1e instruction，so it is difficu1t for beginners to understand and remember the prob1ems in the teaching process.The paper bases on the“short，sma11，fine，and fun”features that micro course ref1ects，according to the teaching content，divides a c1ass into 4～5 units about 10 minutes separate1y，MCU instruction Micro-course reconstruction of content and teaching system design are imp1emented in the c1assroom teaching，and the effect is significant.

Micro-course；Sing1e-chip；Command system；Teaching method

G642

A

2095-980X（2016）03-0105-02

2016-02-18

邵陽學(xué)院教學(xué)改革課題（2014JG23）資助；湖南省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究課題（JG2014B060）資助

李冬英（1976-），女，博士，講師，主要研究方向：機(jī)電一體化系統(tǒng)的研究與教學(xué)。