單片機原理與應(yīng)用課程案例式教學(xué)方法實踐＊

薛玉利，刁廣強，柳欣，田 園

(山東青年政治學(xué)院信息工程學(xué)院、山東省高校智能信息處理技術(shù)與安全重點實驗室，山東 濟南 250103)

0 引言

“單片機原理與應(yīng)用”是電子信息工程專業(yè)的核心實踐課，培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計、軟件開發(fā)和軟硬件聯(lián)調(diào)的能力，為后續(xù)嵌入式原理與應(yīng)用、電子技術(shù)綜合設(shè)計、專業(yè)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等課程打下堅實的基礎(chǔ)。該課程有實踐性強、軟硬件結(jié)合等特點，傳統(tǒng)教學(xué)方式將理論教學(xué)和實踐教學(xué)割裂為兩部分，難以取得理想效果。為此，許多教師在課程教學(xué)中引入了案例教學(xué)法，石巧云以LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示為例介紹了案例教學(xué)的實施過程。單巍等人設(shè)計了“模擬電磁曲射炮”的實踐訓(xùn)練，要求學(xué)生分組討論設(shè)計、分析實驗結(jié)果并改進。張謙設(shè)計了基于51單片機的人數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)綜合實驗，可用于單片機項目式教學(xué)。雷濤等人設(shè)計了一款基于單片機的心電監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于課程實驗教學(xué)。汪愛明等人設(shè)計了應(yīng)用于煤礦無極繩運輸設(shè)備控制系統(tǒng)的顯示及語音提示裝置的實驗案例。張東陽等人介紹了一套較為完整的基于理實教學(xué)一體化的單片機原理與應(yīng)用課程案例體系設(shè)計。

我們認為目前教學(xué)存在的問題和已有研究成果存在一些不足之處。①教學(xué)中實踐性不強。單片機課程一般有配套實驗箱，電路的連接和軟件的編寫較固定，學(xué)生大部分時候完成驗證性實驗，設(shè)計性實驗較少，無法培養(yǎng)學(xué)生的高階能力。②學(xué)生參與度較低。課程教學(xué)中，教師先講授理論知識點并演示，學(xué)生隨后進行實驗驗證，出現(xiàn)結(jié)果皆大歡喜，然而稍微換一下情境就完全不知道怎么處理。這是因為學(xué)生沒有深刻理解，不會舉一反三和思考總結(jié)。③一些研究中提供的教學(xué)案例大部分是綜合性實驗，需要學(xué)生掌握較多知識，一般要課程快結(jié)束時才能進行，在平時的教學(xué)中沒有體現(xiàn)出案例教學(xué)的特點。

單片機的I/O 口默認為輸出口，開關(guān)狀態(tài)檢測是單片機作為輸入口使用的典型案例。本文以開關(guān)狀態(tài)檢測為例介紹案例式教學(xué)方法的實施。

1 教學(xué)目標

本課程開設(shè)在大二上學(xué)期，學(xué)生已完成C++語言程序設(shè)計、電路分析基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)等課程的學(xué)習(xí)，具備了一定的C 語言編程、電路分析設(shè)計的能力。經(jīng)過前幾周的學(xué)習(xí)，學(xué)生對單片機最小系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)、C51 語言編程有了初步的認識。本案例將為后續(xù)的獨立式鍵盤、矩陣式鍵盤和中斷系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。具體的教學(xué)目標如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)檢測教學(xué)目標

2 教學(xué)實施

案例式教學(xué)方法主要由課前預(yù)習(xí)、課中實踐和課后拓展三部分組成。課前預(yù)習(xí)每次十分鐘左右，通過視頻讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有一個先驗知識，方便課堂上直接導(dǎo)入；課中實踐分為原理講授、軟件仿真、開發(fā)板調(diào)試三部分，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和舉一反三的能力；課后拓展通過老師布置或者學(xué)生自己尋找題目的方式，讓學(xué)生根據(jù)本次課程內(nèi)容，查閱資料，完成一個創(chuàng)新性的設(shè)計，培養(yǎng)其自學(xué)能力、信息檢索能力和創(chuàng)新精神。每一次課程的實施都像一次過關(guān)游戲，每一次解決問題后會增強學(xué)生的專業(yè)自信，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性，為后續(xù)的“電子技術(shù)綜合設(shè)計”和“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目實訓(xùn)”打下良好的基礎(chǔ)。

2.1 課前預(yù)習(xí)

學(xué)生觀看教師在網(wǎng)上教學(xué)平臺布置的視頻“獨立按鍵的原理”，并翻閱教材中“開關(guān)狀態(tài)檢測”部分，對獨立按鍵的原理和應(yīng)用到開關(guān)狀態(tài)檢測部分的電路有個基本的了解。

2.2 課中實踐

⑴原理講授：電路原理圖如圖1所示。①通過開關(guān)閉合和斷開兩種情況的電路原理分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“開關(guān)的閉合和斷開會導(dǎo)致I/O 端口是低電平還是高電平”。反過來，通過檢測I/O端口是低電平還是高電平，就知道開關(guān)是閉合還是斷開；②檢測到I/O 端口的電平，需要將其由高4 位傳遞給低4位，引入第一個問題：如何實現(xiàn)？③學(xué)生依據(jù)課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容，分組討論后，給出解決方案；④帶學(xué)生解讀該實例的代碼。

圖1 電路原理圖

⑵軟件仿真：①利用Proteus繪制開關(guān)檢測電路；②用keil 軟件編寫程序、生成hex 文件；③將hex 文件下載到Proteus 的單片機，觀察結(jié)果。在這個過程中，學(xué)生會遇到各種問題，教師在旁邊進行手把手指導(dǎo)，并鼓勵學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查找問題的解決方法，將其分享到QQ群，方便其他遇到該問題的同學(xué)參考。實驗結(jié)果出現(xiàn)的一刻，學(xué)生會表現(xiàn)的更自信。

⑶開發(fā)板調(diào)試：單片機開發(fā)板電路原理圖如圖2所示，可以看出，與課本實例發(fā)生了一些變化，獨立按鍵連接的IO 端口變?yōu)镻3 口的低4位，LED 燈連接的IO 端口變?yōu)镻2口，如何將開關(guān)狀態(tài)檢測的信息傳遞給LED 燈。學(xué)生分組討論分析問題，提出各種解決問題的方法，調(diào)整代碼，并將hex 文件燒寫到開發(fā)板中逐一實現(xiàn)，觀察設(shè)想的方法與實際結(jié)果是否相符。

圖2 開發(fā)板電路原理圖

下面以其中一種解決方法為例，觀察開發(fā)板代碼相對于軟件仿真代碼做了哪些調(diào)整。軟件仿真代碼和開發(fā)板代碼的對比分析圖如圖3 所示，與軟件仿真代碼相比，開發(fā)板代碼主要發(fā)生了兩部分的調(diào)整：①開關(guān)和LED 連接的IO 口發(fā)生變化使得代碼中的變量發(fā)生相應(yīng)變化；②軟件仿真中，開關(guān)的狀態(tài)由P1 口的高4 位檢測，利用“&”運算符屏蔽低4 位賦給變量temp，由temp 將高4 位移到低4位，再送到P1 口驅(qū)動LED 點亮。而開發(fā)板中需要將P3 口的低4 位取出，利用“|”運算符取出低4位，送到P2口驅(qū)動LED點亮。

圖3 軟件仿真代碼和開發(fā)板代碼的對比分析

2.3 課后拓展

學(xué)生分組查閱資料，找到開關(guān)狀態(tài)檢測的實際問題情境，并通過軟件仿真，將仿真結(jié)果截圖發(fā)到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，實現(xiàn)舉一反三、鞏固練習(xí)。

3 教學(xué)效果

案例式教學(xué)方法以學(xué)生為主體，教師引導(dǎo)，分層次、分階段地推進，以傳統(tǒng)教學(xué)為基礎(chǔ)，在完成課本實例基礎(chǔ)上，引入新的問題，引導(dǎo)學(xué)生針對新問題分組討論，嘗試各種解決方法，并在實踐中培養(yǎng)了舉一反三的能力。本文以開關(guān)狀態(tài)檢測為例進行了介紹，實際教學(xué)中每次課程均采用該教學(xué)方法，學(xué)生均能完成軟件仿真部分，實驗結(jié)果的呈現(xiàn)增強了同學(xué)的專業(yè)自信心，開發(fā)板調(diào)試部分需要同學(xué)分組討論、查閱資料，大部分同學(xué)順利完成程序設(shè)計，并實現(xiàn)了軟硬件聯(lián)調(diào)，這個過程培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作、信息檢索和舉一反三能力。課后拓展環(huán)節(jié)給了學(xué)生開放空間，根據(jù)所學(xué)知識去解決實際問題，可以促進學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

案例式教學(xué)方法幫助學(xué)生更容易地學(xué)習(xí)專業(yè)知識，同時提升了他們舉一反三的能力。課前預(yù)習(xí)能夠讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容大概了解；課中軟件仿真促使學(xué)生將理論應(yīng)用到實踐，實驗結(jié)果的出現(xiàn)建立學(xué)習(xí)自信，隨后的開發(fā)板調(diào)試，根據(jù)實際電路調(diào)整代碼并燒寫到開發(fā)板，實物結(jié)果更加建立專業(yè)自信；最后將所學(xué)知識技能應(yīng)用到實際生活情景，培養(yǎng)了學(xué)生舉一反三的能力，促進了學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，為后續(xù)課程打下了堅實的基礎(chǔ)。