基于電子設(shè)計競賽的單片機(jī)課程教學(xué)模式的改革

任玲芝 楊回回 李巖巖

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

單片機(jī)課程作為電類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，在各大高校均已開設(shè)，尤其對于應(yīng)用型本科高校，單片機(jī)課程以具備較強(qiáng)的實踐性成為一門重要的課程，該門課程對培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力和解決實際問題的能力具有重要作用[1]。單片機(jī)課程內(nèi)容主要包括單片機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、工作原理和匯編指令等，由于這些內(nèi)容抽象難懂，導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)不懂，甚至不愿意學(xué)習(xí)[2]。針對這些問題，我院專業(yè)教師將近幾年與單片機(jī)相關(guān)的電子設(shè)計競賽引入到課堂教學(xué)中，建設(shè)開放實驗室，積極開展學(xué)生的第二課堂活動，引起了學(xué)生的廣泛興趣。

2 單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)課程是工科電類專業(yè)的一門實踐性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程，綜合了電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、計算機(jī)語言編程技術(shù)和控制算法等多門專業(yè)課程，也是一門最接近實際工程應(yīng)用的課程[3]。深入地學(xué)好這門課程，能夠為學(xué)生以后從事電子電氣類工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，因此，該門課程的教學(xué)過程，以及學(xué)生的掌握情況極其重要。

據(jù)了解，目前有較多高校由于管理觀念、經(jīng)費、學(xué)生成績考核機(jī)制和實驗室環(huán)境狀態(tài)等方面的原因[4]，使單片機(jī)課程教學(xué)存在著一些問題，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，理論課程教學(xué)沒有側(cè)重點，而是所有內(nèi)容同等對待。該門課程的授課內(nèi)容基本上是按照單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理、匯編指令系統(tǒng)、匯編程序設(shè)計、中斷系統(tǒng)和定時計數(shù)器、串口通信技術(shù)、接口擴(kuò)展技術(shù)等順序來進(jìn)行的。在這些內(nèi)容中，匯編指令是重要內(nèi)容之一，8051單片機(jī)有111條指令，不是每條指令都很重要，將這些指令詳細(xì)講完，需要花費較長時間，還會讓學(xué)生感覺難學(xué)不容易懂。

第二，實驗教學(xué)內(nèi)容單一，機(jī)械式的連線，照搬程序。單片機(jī)實驗本應(yīng)該是趣味性較強(qiáng)的一門實驗課程，但由于課堂時間的限制和采用傻瓜式的單片機(jī)實驗箱，學(xué)生都按照實驗指導(dǎo)書上的步驟一步一步連接實驗箱上的電路，軟件程序也是直接照抄實驗指導(dǎo)書，線連完了，程序抄完了，現(xiàn)象出來了，這個實驗就完成了。這樣完成實驗，學(xué)生仍然不知道單片機(jī)的控制原理，對學(xué)生學(xué)習(xí)的幫助極小。

第三，沒有開放實驗室，學(xué)生只能在課堂時間內(nèi)完成實驗。部分有興趣的學(xué)生想吃透單片機(jī)的控制原理，但由于課堂時間緊迫，課上沒能完全掌握，想在課后繼續(xù)鞏固，而專業(yè)實驗室一般都不開放，學(xué)生沒有實驗箱，也沒有辦法進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。

以上幾個原因限制了單片機(jī)課程教學(xué)，導(dǎo)致教學(xué)效果不好，降低了部分學(xué)生對這門課程的學(xué)習(xí)興趣，即使程度較好的學(xué)生對該門課程理論的學(xué)習(xí)也不夠深入，實踐動手能力也不強(qiáng)，更缺乏對單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)的整體掌握，遇到問題不會調(diào)試解決，沒有實現(xiàn)對學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)。

3 電子設(shè)計競賽與單片機(jī)課程教學(xué)的關(guān)系

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽從1994年開始第一屆，到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷12屆國賽，若加上省賽的話，有25屆左右，是工科電類專業(yè)舉辦時間最長、規(guī)模最大、影響力最大的學(xué)科與技能競賽[5]。電子設(shè)計競賽題目一般都是結(jié)合大學(xué)生專業(yè)課程內(nèi)容，從實際工程應(yīng)用背景中提取出來，綜合考核學(xué)生應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力，體現(xiàn)學(xué)生的理論聯(lián)系實際能力、綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力等[6]。電子設(shè)計競賽的內(nèi)容主要涉及模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)控制技術(shù)、可編程控制技術(shù)、通信技術(shù)、信號處理技術(shù)等，要求學(xué)生熟悉專業(yè)課程內(nèi)容的基本概念、基本電路、基本原理、基本分析方法和基本的設(shè)計原理[7]。從歷年競賽題目來看，涉及單片機(jī)技術(shù)的題目每年都有4—5題以上，占題目總量的50%左右，有使用簡單的8位單片機(jī)，也有使用復(fù)雜的32位單片機(jī)[8]。

單片機(jī)課程是工科電類專業(yè)的一門實踐性較強(qiáng)的專業(yè)核心課程，在我院電氣工程及其自動化、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械電子工程和機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)均已開設(shè)，理論學(xué)時都為32學(xué)時，電類專業(yè)實驗學(xué)時為20學(xué)時，機(jī)械類專業(yè)為16學(xué)時，課程內(nèi)容中主要以8051系列8位單片機(jī)作為具體型號來進(jìn)行講解。電子設(shè)計競賽中有部分題目是采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，將賽題內(nèi)容進(jìn)行分解，簡化難度，引入單片機(jī)課程教學(xué)，使學(xué)生真正了解單片機(jī)如何應(yīng)用在實際工程問題中，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

4 基于電子設(shè)計競賽的單片機(jī)課程教學(xué)模式改革方案

由于電子設(shè)計競賽賽題難度較大，綜合應(yīng)用性較高，因此通過電子設(shè)計競賽題目來改革單片機(jī)課程教學(xué)[9]，要從以下四個方面入手。

4.1 調(diào)整課程教學(xué)大綱

傳統(tǒng)的課程教學(xué)大綱都是參考單片機(jī)教材來制定的，其中程序設(shè)計內(nèi)容中的例程主要以講解指令為主，內(nèi)容抽象，晦澀難懂。我院單片機(jī)課程理論學(xué)時只有32學(xué)時，再加上單片機(jī)課程主要以實際應(yīng)用為主，因此制定教學(xué)大綱時，盡量減少非重點內(nèi)容學(xué)時數(shù)，盡量簡化單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)容的講解，非常用匯編指令盡量少講或不講解，重點講解常用匯編指令，引入與實際應(yīng)用相關(guān)性較高的案例，培養(yǎng)學(xué)生對單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程的整體掌握。表1是我院單片機(jī)課程內(nèi)容各章節(jié)內(nèi)容學(xué)時分配表。從表1中可以看出，引入案例教學(xué)的學(xué)時數(shù)達(dá)到18學(xué)時，占課程總學(xué)時的56%。

表1 單片機(jī)課程各章節(jié)學(xué)時分配表

4.2 夯實基礎(chǔ)內(nèi)容，引入項目化教學(xué)

單片機(jī)的主要功能就是通過I/O口輸入輸出信號或控制其他部件，要掌握單片機(jī)的I/O口控制功能，必須掌握單片機(jī)內(nèi)部寄存器；同時，還要掌握單片機(jī)指令系統(tǒng)，因此，單片機(jī)課程中寄存器、I/O口控制和指令系統(tǒng)的內(nèi)容非常重要。在講解單片機(jī)內(nèi)容時，必須圍繞著這三個方面進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計。結(jié)合單片機(jī)課程的教學(xué)實踐，我院從以下三個方面來展開教學(xué)。

第一，講清楚寄存器的功能作用。寄存器是比較抽象的內(nèi)容，要讓學(xué)生明白寄存器就是用來存儲數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)單片機(jī)系統(tǒng)工作的部件。對于通用寄存器，主要用于存放中間數(shù)據(jù)；對于特殊功能寄存器，要控制單片機(jī)實現(xiàn)某種功能，就要先設(shè)置這些寄存器，從而達(dá)到使單片機(jī)能完成某特定功能的目的。

第二，講清楚單片機(jī)I/O口的主要功能和使用方法，對于I/O口內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以讓學(xué)生自學(xué)，主要講解單片機(jī)I/O口的使用方法。我院具體做法為：在課堂上，結(jié)合Proteus仿真軟件和Keil編程軟件，引入項目化案例，進(jìn)行詳細(xì)講解，控制單片機(jī)I/O口輸入輸出功能的設(shè)計項目如表2所示。

表2 單片機(jī)I/O口輸入輸出功能的設(shè)計項目

第三，對匯編指令要區(qū)分對待。8051系列單片機(jī)匯編指令共有111條，其中常用的指令大概只有30條左右，且這些指令中有很多形式上都非常相似。在講解指令內(nèi)容時，先讓學(xué)生快速了解各個指令的功能作用，然后再結(jié)合案例進(jìn)行詳細(xì)講解，最好與C語言對應(yīng)起來，幫助學(xué)生理解和記憶，如表3所示。但應(yīng)注意，有些匯編指令與C語言指令是相近，并不完全相同，講解時應(yīng)說明兩者區(qū)別。

表3 常用匯編指令與C語言對應(yīng)表

4.3 建設(shè)開放實驗室，開展第二課堂

通過仔細(xì)分析歷年電子設(shè)計競賽賽題，可以發(fā)現(xiàn)涉及單片機(jī)的題目都具有一定的綜合性，僅靠課堂上的所學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，依靠課堂上的時間只能學(xué)會使用單片機(jī)進(jìn)行簡單的控制，要想真正掌握單片機(jī)的應(yīng)用，需要建設(shè)開放實驗室，開展第二課堂，讓學(xué)生參與進(jìn)去。在第二課堂中，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實際情況，認(rèn)真設(shè)計一些研究性、設(shè)計性和綜合性實驗，讓學(xué)生自己查閱資料、解決問題、實現(xiàn)功能、完成任務(wù)。

我院依托機(jī)械與電子工程學(xué)院，在學(xué)校團(tuán)委的支持下，成立了電子創(chuàng)新設(shè)計協(xié)會，建成了兩間開放實驗室，采用三人作為一組進(jìn)入開放實驗室，進(jìn)行一些深入性的學(xué)習(xí)?；A(chǔ)差的學(xué)生選擇容易的項目，基礎(chǔ)好的學(xué)生選擇難度大些的項目，學(xué)習(xí)結(jié)束后進(jìn)行比賽和答辯環(huán)節(jié)，最終讓學(xué)生從中有所收獲。表4是我院開展的研究性、設(shè)計性和綜合性實驗項目。

表4 巢湖學(xué)院開展的研究性、設(shè)計性和綜合性實驗項目

4.4 改革考核方式，促進(jìn)以優(yōu)帶差

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，積極主動地學(xué)習(xí)單片機(jī)課程，不僅要在課程教學(xué)內(nèi)容上實施改革，在考核方式上也要進(jìn)行相關(guān)的改革。傳統(tǒng)的課程考核方式，都是通過期末考試試卷考查學(xué)生對課程的掌握情況，但是單片機(jī)課程實踐性比較強(qiáng)，若只是機(jī)械式和重復(fù)性記憶匯編指令和寄存器內(nèi)容，沒有太大的實際意義，只會增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)。我院從三個方面對考核方式進(jìn)行改革。

第一，從理論考試方面考核。與傳統(tǒng)期末考試類似，但是在試卷上提供必要寄存器內(nèi)容和重要的匯編指令，主要考查學(xué)生對這些寄存器和指令的理解和使用。

第二，從實驗方面考核。平時正常做實驗，按照平時做實驗的態(tài)度和實驗操作考試來評定學(xué)生成績，兩者各占50%比例。在第二課堂中，按照他們選擇實驗項目的難度和完成的項目情況，給出綜合實踐成績，這部分成績帶有一些主觀成績。

第三，結(jié)合上面三個部分，學(xué)生的最終成績=期末考試成績*40%+實驗成績*30%+綜合實踐成績*30%，讓學(xué)生充分參與到單片機(jī)課程教學(xué)中。

在第二個方面的第二課堂中，盡量將優(yōu)生和差生分在一個小組里，時刻告訴他們，你們是一個團(tuán)隊，而不是單打獨斗，若有一個成員沒有搞清楚問題，整個小組考核就算不合格，要求優(yōu)生幫助差生，從而提高整個班級的學(xué)習(xí)動力。

5 結(jié)束語

電子設(shè)計競賽綜合考查了電類專業(yè)學(xué)生的理論聯(lián)系實際能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。結(jié)合電子設(shè)計競賽和單片機(jī)課程教學(xué)的特點，從調(diào)整課程教學(xué)大綱、引入項目化教學(xué)、建設(shè)開放實驗室和開展第二課堂、考核方式四個方面對單片機(jī)課程進(jìn)行改革，使單片機(jī)課程教學(xué)具有更強(qiáng)的實踐應(yīng)用性，讓學(xué)生從該門課程學(xué)習(xí)中體會到學(xué)習(xí)的樂趣。經(jīng)過教學(xué)實踐表明，近兩年我院單片機(jī)課程教學(xué)效果提升明顯，更多的學(xué)生選擇單片機(jī)內(nèi)容作為畢業(yè)設(shè)計課題，為社會輸送了理論和技能兼顧的應(yīng)用型人才。