《單片機原理及應(yīng)用》課程改革探討

范羚

摘要：《單片機原理及應(yīng)用》是一門實踐性較強的學(xué)科。為提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，更好地與實際應(yīng)用接軌，本文提出了以C語言為主要編程語言，Proteus為仿真平臺，結(jié)合“課題式”教學(xué)方法，及“單片機課題群”思想，進(jìn)行了單片機課程的相關(guān)教學(xué)改革和探討。實踐證明，這種綜合性教學(xué)模式有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，獲得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：課題式教學(xué)；單片機課題群；學(xué)生

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）35-0127-03

一、引言

《單片機原理及應(yīng)用》課程是高等院校工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及電子信息工程、通信工程、光電專業(yè)及自動化專業(yè)等方向，是一門實踐性較強的應(yīng)用課程。在高等教育階段，該門課程的主要任務(wù)應(yīng)是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入該領(lǐng)域，并培養(yǎng)其較強的學(xué)習(xí)興趣和正確的學(xué)習(xí)方法，因此，該門課程對學(xué)生理論基礎(chǔ)知識的要求并不高，重點在于對具體編程任務(wù)方面的應(yīng)用。而目前在單片機教學(xué)過程中，以教師為主體，以課本為綱領(lǐng)，孤立進(jìn)行各單元內(nèi)容講解的教學(xué)方法仍為主體，這樣不僅不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，難以調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，而且還容易使理論學(xué)習(xí)和實際編程應(yīng)用相脫節(jié)。基于這一狀況，目前，在本系的單片機課程教學(xué)中，我們主要采用以C語言為核心編程語言，以Proteus和Keil軟件為輔助手段的課堂教學(xué)模式，在后續(xù)單片機實驗和具體課程設(shè)計中，以學(xué)生自主動手為主的實驗教學(xué)模式，從教學(xué)形式和教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行改革，培養(yǎng)學(xué)生的探索性和創(chuàng)新性，以期可以提高單片機課程的實際教學(xué)效果。

二、基于C語言和Proteus仿真平臺的教學(xué)模式

目前本系《單片機原理及應(yīng)用》課程教學(xué)內(nèi)容主要是圍繞單片機硬件結(jié)構(gòu)與時序、單片機的中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器的應(yīng)用、串口通信原理、常用外設(shè)與接口及存儲器芯片擴展等內(nèi)容展開的。在以往的教學(xué)中，比較偏重匯編語言編程，注重對單片機底層結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲方式的講授，但學(xué)生普遍較難掌握，且在具體應(yīng)用程序編程中，特別是涉及中斷問題時，程序較復(fù)雜，實際應(yīng)用中較難移植，模塊化程度較差。因此針對這一現(xiàn)象，本文提出以C語言為主體編程語言進(jìn)行單片機課堂教學(xué)的思路。由于C51語言屬于高級編程語言，更接近自然語言，且對單片機內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)依賴度較低，加之學(xué)生普遍有C語言編程基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)過程中，更易理解和掌握，并可增強程序的可移植性和通用性，培養(yǎng)了學(xué)生進(jìn)行模塊化編程的能力。同時，通過在教學(xué)中使用Proteus和Keil等軟件，在課堂上即可給學(xué)生營造出一個虛擬實驗室，編程結(jié)束后就可以及時演示實驗結(jié)果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

三、“課題式”教學(xué)方法的應(yīng)用

1.“課題式”教學(xué)方法的提出。在單片機教學(xué)過程中，從中斷系統(tǒng)開始，筆者就注意引導(dǎo)學(xué)生以“課題式”方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，即在各章節(jié)的教學(xué)中，不再按課本內(nèi)容照本宣科，而是以提出具體問題開始，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行具體問題編程。在編程過程中，再對中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串口通訊等問題加以講解，幫助學(xué)生對單片機硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行理解，并加強對學(xué)生電路原理圖設(shè)計、軟件仿真、芯片選取、程序修改等具體問題的能力培養(yǎng)。通過這些教學(xué)方法的改進(jìn)，大大提高了學(xué)生解決實際問題的能力，同時也有利于學(xué)生在課后進(jìn)行單片機編程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

2.具體實例演示。下面介紹“課題式”教學(xué)方法的具體應(yīng)用。提出課題：以51系列單片機為核心，點亮8個數(shù)碼管，顯示“12345678”。（1）提出子任務(wù)一：點亮一個數(shù)碼管，顯示字符“1”。結(jié)合這一任務(wù)，完成數(shù)碼管各基礎(chǔ)知識點介紹和靜態(tài)顯示原理的學(xué)習(xí)。提出思考問題，如何顯示其他字符？通過這一問題，主要幫助學(xué)生完成數(shù)碼管段碼知識點的學(xué)習(xí)。（2）提出子任務(wù)二：點亮八個數(shù)碼管，顯示字符“12345678”。結(jié)合該任務(wù)，完成數(shù)碼管段選和位選概念的介紹，及動態(tài)顯示原理知識點的學(xué)習(xí)。其電路接口圖如圖1所示，使用單片機P1口完成數(shù)碼管段選，使用P2口完成8個數(shù)碼管的位選。提出思考問題：此時點亮8個數(shù)碼管，共需使用16個I/O口，占用單片機資源過多，是否可以減少I/O口線，以節(jié)約資源？（3）提出子任務(wù)三：為減少占用的單片機I/O口線，是否可以簡化電路原理圖？引導(dǎo)學(xué)生從減少位選信號線入手，通過增加芯片的方法，減少占用的I/O口線？從而引入138譯碼器知識點學(xué)習(xí)，將原先占用的P2口8個I/O口線減少為3根線。譯碼器連接圖如圖2所示。（4）提出子任務(wù)四：是否還可以再進(jìn)一步減少I/O口線？引導(dǎo)學(xué)生采用“分時復(fù)用”思想來進(jìn)行數(shù)碼管的控制，提示學(xué)生可以將數(shù)碼管段選信號和位選信號分時從單片機P1口送出，從而引入對鎖存器及分時復(fù)用知識點的學(xué)習(xí)。該任務(wù)通過增加兩個鎖存器，來減少單片機I/O口線，更符合實際工程應(yīng)用。鎖存器連接圖如圖3所示。其中，P2.5和P2.6分別用來作為兩個鎖存器的片選信號線，兩個鎖存器的輸出端分別接8個數(shù)碼管的位選和段選。（5）課題總結(jié)：綜合以上設(shè)計思路，讓學(xué)生獨立思考如何完成8個數(shù)碼管動態(tài)顯示“12345678”課題，設(shè)計整個電路連接圖及顯示程序。教師可以根據(jù)學(xué)生的具體情況，結(jié)合Proteus和Keil軟件進(jìn)行現(xiàn)場編程實驗及演示，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。最后，教師還可以進(jìn)一步提出課后思考問題：如何利用數(shù)碼管動態(tài)顯示“123456”呢？

綜上所述，教師由一個綜合性課題“如何點亮八個數(shù)碼管”，可進(jìn)行不同子任務(wù)的依次教學(xué)，從而在具體實例中完成數(shù)碼管靜態(tài)顯示原理和動態(tài)顯示原理知識點教學(xué)、段選和位選概念教學(xué)、相關(guān)鎖存器及譯碼器芯片等的教學(xué)。由于結(jié)合了具體編程課題，使得相關(guān)概念的學(xué)習(xí)不再抽象和孤立，有效地提高了課堂的教學(xué)效率，并有助于拓寬學(xué)生的知識面。

四、“單片機課題群”教學(xué)探討

在本系以往的單片機課程教學(xué)中，主要是以理論教學(xué)加實驗教學(xué)的模式進(jìn)行，且在實驗教學(xué)中又主要依賴現(xiàn)成的實驗箱，學(xué)生對具體電路的設(shè)計過程并不太了解，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力。針對這一弊端，本系進(jìn)一步增加了實驗課時在總教學(xué)環(huán)節(jié)中的比例，使理論與實驗教學(xué)課時數(shù)比例達(dá)到3∶1，注重對學(xué)生實際編程能力和動手能力的培養(yǎng)。除了輔以實驗教學(xué)外，本系還提出建立“單片機課題群”的教學(xué)思路，即以《單片機原理及應(yīng)用》課程為主體，輔以相關(guān)實驗教學(xué)，并在該課程結(jié)束后，增加了為期一周的單片機課程設(shè)計。在課程設(shè)計中，指導(dǎo)教師給出相關(guān)設(shè)計題目，系內(nèi)開放實驗室，由學(xué)生自行組織團(tuán)隊，從電路原理圖設(shè)計、程序軟件仿真到購買元器件、焊接硬件電路板及最終調(diào)試電路，整個設(shè)計過程均由學(xué)生全程參與，極大地培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力，并有助于學(xué)生良好團(tuán)隊精神的養(yǎng)成。此外，作為該課程群的擴展，本系還聯(lián)合計算機、自動化等系，建立了面向全校學(xué)生的CDIO（Conceive Design Implement Operate）工程坊，激發(fā)學(xué)生參加各類工程實踐活動的熱情，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。

五、課程考核及評價方式思考

目前在高校教學(xué)中，大部分的學(xué)科仍是以學(xué)生最終考試成績?yōu)樵u價方式。但單片機課程是一門綜合性和實踐性較強的學(xué)科，不宜只憑考試成績高低來斷定學(xué)生的實際掌握能力。因此，在本系“單片機課題群”教學(xué)探討中，我們綜合了學(xué)生的考試成績、實驗成績及后續(xù)單片機課程設(shè)計成績，給出學(xué)生的綜合評價結(jié)果。這樣課程考核方式既包含了單片機理論知識方面考核的結(jié)果，又充分考慮了學(xué)生對具體實際問題的操作能力，避免了單一形式的考核方法，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

六、結(jié)語

《單片機原理及應(yīng)用》課程涉及到模擬電路、數(shù)字電路等多方面的知識，是一門應(yīng)用型極強的學(xué)科。如果僅依賴以教師為主體的課堂教學(xué)，往往會使學(xué)生感到枯燥，不利于學(xué)生對該門課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。為了增加學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生實際應(yīng)用單片機編程能力，教學(xué)中本系主要以C語言為主要編程語言，以Keil為設(shè)計平臺，并輔以Proteus仿真軟件，在課堂上即可對編程結(jié)果進(jìn)行演示。同時，由于“課題式”教學(xué)方法的引入，使教師擺脫了照本宣科的傳統(tǒng)教學(xué)模式，以各子任務(wù)模塊為引導(dǎo)，在具體編程實例中，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行單片機相關(guān)知識點學(xué)習(xí)，將理論知識和實際應(yīng)用結(jié)合在一起，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性并且也提高了單片機教學(xué)的實際效果。這樣一來，不僅增加了單片機教學(xué)的深度，拓寬了單片機課程的教學(xué)寬度，而且更能將理論知識與實際應(yīng)用密切結(jié)合。實踐證明，這些方法的綜合應(yīng)用有效提高了單片機課程的實際教學(xué)效果。

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