單片機課程教學(xué)改革與實(shí)踐

單片機以其體積小、價(jià)格低、功能齊全、抗干擾性高、可靠性好、易于開(kāi)發(fā)擴展等特點(diǎn)，被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化及智能儀器儀表、通信設備、家用電器等各種設備儀器中。“單片機原理及應用”也成了工科院校電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電氣工程及其自動(dòng)化等電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎課。了解單片機的工作原理、具備基本的單片機操作技能，成為當代電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的重要任務(wù)。
一、課程的特點(diǎn)及現狀
“單片機原理及應用”是一門(mén)理論和實(shí)踐結合非常緊密的課程。傳統教學(xué)方式多以課程原理的講解與少量硬件實(shí)驗相結合，整個(gè)教學(xué)過(guò)程始終圍繞基本原理，實(shí)際應用知識只作為點(diǎn)綴，實(shí)踐應用講解偏少，不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，學(xué)生處于被動(dòng)接受知識的狀態(tài)。再就對實(shí)驗環(huán)境的選擇，長(cháng)期以來(lái)部分教師推崇開(kāi)發(fā)板（或試驗箱）教學(xué)，認為*可以滿(mǎn)足基本的實(shí)驗教學(xué)要求，對單片機基礎知識如IO口、中斷、定時(shí)器/計數器的驗證能輕松應對。部分教師則認為使用開(kāi)發(fā)板耗材較大，需要不斷地購買(mǎi)新的硬件，認為用Proteus來(lái)搭建虛擬實(shí)驗室，這樣有助于學(xué)生能自主設計自己期望的效果，不會(huì )出現硬件短缺的可能性。對實(shí)驗編程語(yǔ)言的選擇也是很多教師爭議的問(wèn)題，現今大多數的單片機教材的編程語(yǔ)言仍是以匯編語(yǔ)言為主，使用匯編語(yǔ)言編程的優(yōu)點(diǎn)在于其所編寫(xiě)程序的代碼緊湊、執行時(shí)間短、便于控制。然而其缺點(diǎn)也是明顯的，由于其缺乏通用性，需要程序編寫(xiě)人員對單片機硬件系統有相當深入的理解，且程序不易移植。部分教師則認為C語(yǔ)言運算速度快、有良好的可移植性、編譯效率高，可以直接實(shí)現對單片機硬件系統的控制。此外，該門(mén)課程的考核方式也不夠客觀(guān)。傳統的考核方式以期末閉卷考試為主，總評成績(jì)由卷面成績(jì)和平時(shí)成績(jì)按照一定比例計算得出。其中平時(shí)成績(jì)的評定標尺比較模糊。盡管大多數教師明確標出平時(shí)成績(jì)由上課表現、作業(yè)情況、實(shí)驗情況等部分組成，但由于課時(shí)較緊，多數教師忙于授課，對具體每位學(xué)生的上課表現無(wú)從客觀(guān)評價(jià)。作業(yè)情況亦是如此，由于對同一具體問(wèn)題解答大多數同學(xué)的答題思路基本相似，作業(yè)情況也很難辨別有無(wú)抄襲情況。
二、改革思路
為了響應教育部提出的工程師培養計劃，結合應用型本科院校單片機課程教學(xué)的特點(diǎn)，從2011屆部分電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)始，本校進(jìn)行了如下改革。
1.精簡(jiǎn)和優(yōu)化教學(xué)內容。單片機的教學(xué)目標是要求學(xué)生掌握單片機的基本組成及各個(gè)部分的工作原理，在此基礎上繼續學(xué)習單片機的中斷系統、定時(shí)器及單片機系統的擴展和通信方法，進(jìn)而能夠完成簡(jiǎn)單的單片機應用系統的設計。在授課過(guò)程中，既要照顧到理論的周全，又要結合應用型人才的培養需求，盡可能多地融入一些實(shí)際應用。為此，必須打破原有教
學(xué)框架，精簡(jiǎn)和優(yōu)化教學(xué)內容，將單片機課程的核心技術(shù)提煉為若干知識點(diǎn)，并通過(guò)一個(gè)個(gè)具體案例體現出來(lái)，引導學(xué)生邊做邊學(xué)，逐步掌握單片機技術(shù)。例如在介紹I/O口應用時(shí)，同時(shí)把系統配置章節的數碼管顯示部分講解進(jìn)來(lái)，以實(shí)現I/O口控制數碼管的顯示。
2.選擇C語(yǔ)言編程。在編程語(yǔ)言的選擇上，由于電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生普遍都有C語(yǔ)言基礎，為此本校選擇了C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，指導學(xué)生掌握C語(yǔ)言在單片機開(kāi)發(fā)中的程序設計方法。對單片機C語(yǔ)言及程序設計章節，不再孤立地講解具體某條指令的含義，而是采用活學(xué)活用的方法，分析某一具體應用中需要用到的新的指令，再具體講解其作用及書(shū)寫(xiě)規范。如當學(xué)
生已經(jīng)掌握了LED燈的亮滅控制程序后，及時(shí)的把延時(shí)函數講解進(jìn)來(lái)，即可實(shí)現LED燈的閃爍程序。這樣，學(xué)生對所學(xué)知識點(diǎn)的理解和記憶也會(huì )更加深刻。
3.建立典型案例庫。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，程序的講解一定要遵循由易到難、循序漸進(jìn)的原則。教學(xué)初期，先講解一些如IO口驗證、數碼管、鍵盤(pán)識別類(lèi)的驗證性程序，再由前面知識的一步步積累設計出一些綜合性較強的實(shí)際應用。因此，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，典型案例庫的建立是*的。依據本校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)對“單片機原理及應用”課程教學(xué)內容的要求，結合筆者自身實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗，把單片機案例庫教學(xué)內容大致分解為三大模塊，詳見(jiàn)表1，并依據案例庫，設計出相應的實(shí)驗手冊。表1所列試驗并非要求每位學(xué)生都要*掌握。在教學(xué)過(guò)程中，對學(xué)生的學(xué)習情況分層次是*的，針對不同層次的學(xué)生設置不同的培養目標。
4. 采用開(kāi)發(fā)板和仿真軟件相結合的實(shí)驗教學(xué)方式。在對學(xué)生分層培養目標下，實(shí)驗教學(xué)可采用開(kāi)發(fā)板和仿真軟件相結合的教學(xué)方式。對基礎培養型學(xué)生，僅要求其掌握到案例9的內容，其實(shí)驗環(huán)境采用開(kāi)發(fā)板進(jìn)行教學(xué)。對于興趣較濃的學(xué)生，期待設計出更多綜合性較高、具有一定實(shí)用價(jià)值的單片機系統，則需要一個(gè)長(cháng)期培養的過(guò)程。要達到這樣的培養目標，應在完成單片機課程學(xué)習的基礎上，利用開(kāi)放實(shí)驗、大學(xué)生科研項目、畢業(yè)設計或者電子競賽等方式進(jìn)行強化訓練，讓學(xué)生在長(cháng)期的訓練中，能夠在熟悉的知識環(huán)境中逐步設計并增強其實(shí)際應用的能力。在此期間，為了避免出現硬件短缺的情況，對這部分學(xué)生，還應引入Proteus單片機系統虛擬仿真軟件的教學(xué)，用虛擬單片機系統來(lái)替代實(shí)際硬件電路，把程序運行于虛擬的MCU上，使軟件調試不再依賴(lài)于實(shí)際的硬件電路，當仿真結果達到系統預期目的后，再進(jìn)行實(shí)際硬件電路的制作。仿真軟件的使用讓學(xué)生能夠更加靈活、深入地學(xué)習單片機知識。
5.加強實(shí)驗考核在平時(shí)成績(jì)中的比重。傳統的考核方式以期末閉卷考試為主，總評成績(jì)一般由卷面成績(jì)和平時(shí)成績(jì)按照一定比例計算得出。其中平時(shí)成績(jì)中的上課表現、作業(yè)情況受到一些客觀(guān)條件的限制，教師很難做出客觀(guān)評價(jià)。教師可以抓住實(shí)驗教學(xué)的機會(huì )，把案例庫中的內容分解到每次實(shí)驗中，在每次實(shí)驗中，布置3—5個(gè)小實(shí)驗，并對每位學(xué)生的實(shí)驗情況及時(shí)做出評價(jià)。通過(guò)加強對學(xué)生平時(shí)實(shí)驗的考核，能得出更為準確的平時(shí)成績(jì)，從而對學(xué)生做出更為客觀(guān)的評價(jià)。
采取上述措施后，經(jīng)過(guò)三年多的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映《單片機原理及應用》不再是一門(mén)枯燥難懂的課程，學(xué)習有了更大的興趣，能夠更好地掌握并應用其所學(xué)的知識。同時(shí)，通過(guò)眾多的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節，學(xué)生也容易將課堂知識進(jìn)行轉換。很多學(xué)生主動(dòng)利用所學(xué)的單片機知識申報了相關(guān)的大學(xué)生科研項目和參加了各類(lèi)電子競賽，并取得了不錯的成績(jì)。此外，在畢業(yè)設計選題方面，選擇單片機設計方面的學(xué)生也越來(lái)越多。