單片機(jī)原理教學(xué)改革研究與實(shí)踐

向繼文+陳善榮+劉昕+廖柏林

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.029

摘 要： 文章討論了單片機(jī)原理課程教學(xué)改革的有關(guān)問(wèn)題。選取STC15F2K60S2單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，保證了教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性；改革教學(xué)方法，強(qiáng)化課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生思考，提高了教學(xué)效果；精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的融合；采用“平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)+期末卷面成績(jī)+作品加分”的考核方式，突出綜合考核。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與實(shí)踐，證明了這些方法能很好地提高課程教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)原理； STC單片機(jī)； 教學(xué)改革； 研究； 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）07-98-04

Research and practice on the teaching reform of SCM principle

Xiang Jiwen， Chen Shanrong， Liu Xin， Liao Bolin

（College of Information Science and Engineering， Jishou University， Jishou， Hunan 416000， China）

Abstract： This paper discusses the problems about SCM （single chip microcomputer） principle teaching reform. Select STC15F2K60S2 single chip microcomputer for the teaching model， to ensure the advanced nature of teaching content； reform the teaching method， and strengthen the classroom teaching to stimulate students thinking and improve teaching effect； carefully select the experiment project to deepen the fusion of experiment teaching and theory teaching； and use the assessment method of "regular grades+experiment grades+final grades+works bonus grades" to highlight the comprehensive assessment. After a long period of research and practice， it is proved that these methods can well improve the teaching effect of the course.

Key words： SCM principle； STC SCM； teaching reform； research； practice

0 引言

“單片機(jī)原理”是電類專業(yè)一門十分重要的主干課程，該課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生以單片機(jī)為核心控制器件，綜合運(yùn)用所學(xué)電子、通信、控制、計(jì)算機(jī)等方面的知識(shí)分析、設(shè)計(jì)、制作單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，單片機(jī)課程教學(xué)通常采用“先理論講解，再動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，期末試卷考試”的教學(xué)模式，這種模式使得學(xué)生理解困難，學(xué)習(xí)枯燥乏味，課堂氣氛沉悶。教學(xué)過(guò)程中，以單片機(jī)原理為核心，其應(yīng)用只是點(diǎn)綴，這造成學(xué)生的應(yīng)用能力培養(yǎng)不足；將軟硬件分離介紹，對(duì)單片機(jī)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)不夠，這使得學(xué)生在構(gòu)建實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，缺少系統(tǒng)化的思路[1]。單片機(jī)教學(xué)往往存在教學(xué)內(nèi)容、考核方式與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生成績(jī)不能真實(shí)反映開發(fā)能力等問(wèn)題[2]。所以，改革單片機(jī)原理課程教學(xué)模式，突出實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，實(shí)踐證明是行之有效的。

1 與時(shí)俱進(jìn)，構(gòu)建新的教學(xué)體系

1.1 明確教學(xué)目標(biāo)的定位

明確教學(xué)目標(biāo)是做好課程教學(xué)工作的重要環(huán)節(jié)。不同的課程有不同的教學(xué)目標(biāo)，有些課程的目標(biāo)在于構(gòu)建學(xué)生的基礎(chǔ)理論體系，有些課程更注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

鑒于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力對(duì)電類專業(yè)學(xué)生的重要性，單片機(jī)原理課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該著力于學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)戰(zhàn)能力，并打通相關(guān)課程之間的壁壘，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)課程知識(shí)的融會(huì)貫通。

1.2 與時(shí)俱進(jìn)，優(yōu)化理論課教學(xué)體系

在人才培養(yǎng)方案中，很多高校將單片機(jī)原理放在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、微機(jī)原理與接口技術(shù)等課程的后面，或者與其中一部分課程同時(shí)開設(shè)，學(xué)生從事單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)所需要的基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)基本具備。在教材選用方面，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原因，通常選用8051系列單片機(jī)教材。但是，傳統(tǒng)的51單片機(jī)已經(jīng)顯得太過(guò)陳舊，落后于時(shí)代發(fā)展，所以需要結(jié)合實(shí)際對(duì)教學(xué)內(nèi)容加以優(yōu)化整合。既要考慮到前期基礎(chǔ)減少不必要的重復(fù)，又要考慮到單片機(jī)自身的特點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展將最重要的教學(xué)內(nèi)容梳理出來(lái)，在教學(xué)中貫徹實(shí)施。本課程理論教學(xué)安排了36學(xué)時(shí)，單片機(jī)型號(hào)選用了增強(qiáng)型的51單片機(jī)STC15F2K60S2，教學(xué)時(shí)間緊，任務(wù)重，為了順利地完成教學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)既定的教學(xué)目標(biāo)，經(jīng)優(yōu)化以后的教學(xué)內(nèi)容[3-4]如表1所示。

對(duì)于教材中的數(shù)制系統(tǒng)、A/D及D/A接口等與“微機(jī)原理”課程相重復(fù)的內(nèi)容做刪減，由學(xué)生自主學(xué)習(xí)；對(duì)于C語(yǔ)言部分，只學(xué)習(xí)單片機(jī)C語(yǔ)言特有的內(nèi)容，其余部分刪減，以便節(jié)省教學(xué)時(shí)間。此外，還強(qiáng)調(diào)了STC15F2K60S2單片機(jī)由于內(nèi)部資源豐富，存儲(chǔ)器容量大，基本上不需要做存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，而其他很多系列的單片機(jī)可能需要做擴(kuò)展，以便于學(xué)生設(shè)計(jì)制作單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)選擇機(jī)型。

1.3 精心選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)最多安排了24學(xué)時(shí)，時(shí)間基本夠用，但要做到面面俱到是不可能的，只能挑選部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)，其余實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)實(shí)驗(yàn)室開放等方式由學(xué)生自主完成。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：Proteus繪圖實(shí)驗(yàn)、Keil C51開發(fā)環(huán)境的使用、基本IO口擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、P1和P3口輸入/輸出實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)與PC機(jī)串行通信實(shí)驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、矩陣鍵盤識(shí)別及顯示實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、串并轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)等，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則根據(jù)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不同做選擇。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用原有的51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱以及宏晶科技公司贈(zèng)送的STC單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，兩者相互補(bǔ)充。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備附帶的源程序全部刪除掉，要求學(xué)生閱讀電路，并自己編寫程序，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所編寫的程序中，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的源程序要求用匯編語(yǔ)言編寫，另外一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的源程序要求用C語(yǔ)言編寫，使學(xué)生匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的編程能力均得到有效培養(yǎng)。

1.4 加強(qiáng)校企合作，實(shí)現(xiàn)校企雙贏

為了保證教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)施及教學(xué)機(jī)型的先進(jìn)性，通過(guò)努力，開展了與南通國(guó)芯微電子有限公司的合作，建立了“STC單片機(jī)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。在機(jī)型選擇方面，選用了該公司研發(fā)的STC15F2K60S2單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，由該公司贈(zèng)送所需要的實(shí)驗(yàn)箱。通過(guò)合作，實(shí)現(xiàn)了校企雙贏，為企業(yè)培養(yǎng)了現(xiàn)實(shí)及未來(lái)的客戶，學(xué)校則保持了教學(xué)體系的先進(jìn)性。

2 改進(jìn)教學(xué)方法，強(qiáng)化課堂教學(xué)，提高教學(xué)效果

2.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是關(guān)鍵

課堂教學(xué)是教學(xué)的主陣地，高校課堂教學(xué)效果的好壞直接關(guān)系到人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低[5]，提高課堂教學(xué)效果的關(guān)鍵是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師在課堂教學(xué)中要善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段。要注意用風(fēng)趣的口頭語(yǔ)言、生動(dòng)形象的身體語(yǔ)言、靈活多樣的教學(xué)方法打動(dòng)學(xué)生、吸引學(xué)生、激勵(lì)學(xué)生，采用啟發(fā)式、研究型的教學(xué)方法，吸引學(xué)生跟上教師的教學(xué)節(jié)奏，激發(fā)學(xué)生思考的激情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高課堂教學(xué)的質(zhì)量[6]。

2.2 改進(jìn)教學(xué)方法，加強(qiáng)課堂演示

在單片機(jī)課程教學(xué)中，Proteus軟件是學(xué)生必須學(xué)習(xí)并基本掌握的一款設(shè)計(jì)與仿真軟件。Proteus軟件由ISIS和ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中，ISIS是原理圖編輯與仿真軟件；ARES是布線編輯軟件，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是ISIS軟件，對(duì)于PCB圖的設(shè)計(jì)可使用Protel、Altium Designer、OrCAD等軟件。教學(xué)中，要充分利用Proteus軟件強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真功能，加強(qiáng)課堂演示，激發(fā)學(xué)生興趣，促進(jìn)學(xué)生思考，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.3 精選課后作業(yè)，激發(fā)學(xué)生潛能，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式

為了促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)消化吸收，須布置適當(dāng)?shù)恼n后作業(yè)，但是要注意精選作業(yè)題，課后作業(yè)的布置要圍繞以應(yīng)用能力的培養(yǎng)為教學(xué)目標(biāo)。對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)類的作業(yè)，如數(shù)制系統(tǒng)、基本指令、尋址方式、簡(jiǎn)單程序段的分析等，通常做為課堂作業(yè)完成；除此以外，精選部分綜合性的課題，要求學(xué)生分組完成，每組1-5人，給學(xué)生較充裕的時(shí)間查閱資料，設(shè)計(jì)電路，編寫程序，仿真調(diào)試，并完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫。實(shí)踐證明，這種以綜合性、設(shè)計(jì)性課題作為課后作業(yè)的方式，對(duì)于促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能是非常有效的，有利于促進(jìn)學(xué)生轉(zhuǎn)變以知識(shí)記憶為核心應(yīng)付考試的被動(dòng)式學(xué)習(xí)方式為以主動(dòng)思考，尋求解決方案為核心的主動(dòng)式學(xué)習(xí)方式。

2.4 引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建完善的課程體系

很多學(xué)生覺得課程任務(wù)繁重，學(xué)習(xí)壓力大，其中很重要的一個(gè)原因在于學(xué)生對(duì)各門課程的學(xué)習(xí)往往是孤立的，學(xué)生缺乏將所學(xué)課程有機(jī)地串起來(lái)從而做到融會(huì)貫通的能力。通過(guò)引導(dǎo)，將C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電子電路CAD、傳感器技術(shù)等課程串接起來(lái)，幫助學(xué)生建立課程體系的觀念，促使學(xué)生逐步融會(huì)貫通，減輕學(xué)習(xí)的壓力。

3 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的融合

傳統(tǒng)教學(xué)中，理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，學(xué)生難以將課堂理論知識(shí)與實(shí)踐需求聯(lián)系起來(lái)。因此，需要改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，深化實(shí)驗(yàn)與理論的相互融合、相互滲透、相互促進(jìn)。例如，在串并轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)中，如圖1所示，一方面結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路繪制出完整電路圖，并利用Proteus和Keil軟件聯(lián)調(diào)仿真；另一方面，通過(guò)提出定時(shí)及外部中斷、定時(shí)中斷、位傳送等不同的計(jì)數(shù)啟動(dòng)方式，要求學(xué)生修改電路，修改程序，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目貫穿多個(gè)知識(shí)點(diǎn)和多種技術(shù)方法。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)、課外與課內(nèi)、軟件仿真與實(shí)際系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，還讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到了仿真軟件強(qiáng)大的功能與不足，感受到了在某些環(huán)境下，仿真系統(tǒng)不能完全替代實(shí)際系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際系統(tǒng)檢驗(yàn)過(guò)的電路和程序才是更加可靠的。

4 改革考核方式，突出綜合考核

4.1 傳統(tǒng)考核方式存在的不足

傳統(tǒng)的考核方式通常采用閉卷考核，總成績(jī)由平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、課堂出勤、期末卷面成績(jī)按一定的比例構(gòu)成，這種考核方式，有利于對(duì)學(xué)生理論知識(shí)及平時(shí)學(xué)習(xí)情況做綜合的考核。然而，對(duì)于單片機(jī)原理課程來(lái)說(shuō)，存在著對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力考核不足的問(wèn)題，考核成績(jī)高不代表其實(shí)際應(yīng)用能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力強(qiáng)。

4.2 改革課程的考核方式，突出實(shí)際應(yīng)用

單片機(jī)原理課程具備極強(qiáng)的工程應(yīng)用特點(diǎn)，傳統(tǒng)的考核方式不足以全面考查學(xué)生的學(xué)業(yè)狀況，因此，需要改革課程的考核方式。

本課程采用的考核方式為：考核成績(jī)=課堂出勤+平時(shí)作業(yè)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)+期終考試+作品加分。各考核分項(xiàng)的分?jǐn)?shù)比例一般為：課堂出勤占10%，平時(shí)作業(yè)占10%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占15%，期終考試成績(jī)與作品加分合計(jì)占65%。作品加分的辦法為：作品分為25至40分，按照作品質(zhì)量評(píng)分，獨(dú)立完成的最多加40分，合作完成的每人最多加30分，每件作品最多允許2人合作完成，作品加分與期末考試成績(jī)合計(jì)最高可為100分，合計(jì)分按65%的比例參加總成績(jī)的折算。

4.3 取得的成效

通過(guò)四年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐及改進(jìn)，學(xué)生制作的單片機(jī)作品主題逐步豐富，作品設(shè)計(jì)主題包括：電子鐘、數(shù)字溫度計(jì)、搖搖棒、交通燈控制系統(tǒng)、鍵盤顯示系統(tǒng)、籃球賽計(jì)分器、GPS定位儀、紅外測(cè)距儀、音樂播放器、智能玩具、語(yǔ)音控制系統(tǒng)及學(xué)生感興趣的其他課題。

四年來(lái)，我院電類專業(yè)學(xué)生共制作了單片機(jī)作品252件，學(xué)生實(shí)踐能力獲得了顯著增強(qiáng)，對(duì)于提高學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽成績(jī)也起到了顯著的促進(jìn)作用，部分學(xué)生的作品如圖2、圖3和圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)原理教學(xué)改革，特別是考核方式的改革取得了顯著的成效，獲得了學(xué)校有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及教學(xué)督導(dǎo)團(tuán)的一致好評(píng)，具有較好的推廣價(jià)值。

⑴ 選用STC15F2K60S2單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，保證了教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性。

⑵ 強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生開展自主性、研究性的學(xué)習(xí)，改變學(xué)生為考試而學(xué)的被動(dòng)式學(xué)習(xí)，踐行了“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念。

⑶ 采用“平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)+期末卷面成績(jī)+作品加分”的考核方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)、理論知識(shí)及工程能力的綜合考核。

⑷ 通過(guò)與企業(yè)開展合作，實(shí)現(xiàn)了校企雙贏。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 王海燕，楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的

應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012.31（5）：88-91

[2] 朱敏杰，羅珩，余亞?wèn)|.改革單片機(jī)教學(xué) 培養(yǎng)應(yīng)用型人才[J].實(shí)

驗(yàn)室研究與探索，2012.31（2）：144-147

[3] 丁向榮.單片微機(jī)原理與接口技術(shù)：基于STC15系列單片機(jī)[M].

電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 陳桂友.單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)[M].高等教育出版

社，2012.

[5] 黎奇升，吳青峰.地方性高校課堂教學(xué)中存在的問(wèn)題及對(duì)策

探索[J].高等理科教育，2011.5：142-145

[6] 向繼文.以應(yīng)用為目標(biāo)的單片機(jī)原理教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，

2013.22：49-54