單片機原理與應用課程教學改革與實踐

　　摘要：以培養高素質人才為目標，以注重基礎、訓練能力、提高素質為原則，通過對單片機原理與應用課程教學的分析，文章總結出課程教學中存在的問題。結合單片機教學的特點從理論教學、實踐教學、師資建設和考核制度4方面進行闡述，重點強調以應用為主，采取多種教學方式，增強學生的應用能力。實踐證明，采用改革后的教學方式效果較好，學生學習興趣和創新能力得到很大提高。
　　關鍵詞：單片機；教學；改革；實踐
　　
　　
　　單片機技術是現代電子工程領域一門飛速發展的技術，它廣泛應用于工業測量控制系統、儀器儀表、家用電器等行業之中，是電氣信息類專業學生必須掌握的一門技術知識[1-2]，也是電氣信息類工科學生就業需具備的基本技能之一。同時，它是電氣信息類各專業的專業核心課，是一門面向應用、具有很強實踐性與綜合性的課程，它以模擬電路、數字電路等課程為基礎，后續的專業課程中也會反復使用到單片機知識，該課程在電氣信息類專業整個課程體系中具有承上啟下的地位。但是，由于該門課程相對比較抽象，學生普遍反映開始學習的時候入門較難且難以理解單片機的內部結構，因此如何使學生循序漸進地掌握單片機技術？怎樣使理論教學與實踐教學有機結合？這些問題已成為單片機原理與應用課程體系建設的重要議題。
　　
　　1教學存在的問題及原因
　　
　　傳統的單片機教學往往偏重于單片機原理及系統各部件的介紹，內容比較單調枯燥，學生實踐欠缺。在教學安排上，大多把理論教學與實踐教學分開進行，注重課程本身的體系結構，忽略了課程實用性，出現理論與實踐相脫節的現象，究其原因，主要有以下幾點。
　　1) 教學安排不適應現行單片機原理與應用的教學。傳統教學大綱大多都是對單片機內部結構、工作原理、指令系統、工作流程等詳細的敘述，但是在怎樣設計一個完整的單片機系統與詳細實例方面不足。單片機的內部結構和指令系統以及工作原理，與微機原理課程有很大的相似之處，在此如果過多地詳細介紹這些內容，會使學生感覺內容重復和枯燥，極易產生厭學情緒。
　　2) 實踐環節重視不夠，未使學生掌握單片機系統的設計方法，并且學生的應用能力也沒有提高。傳統的實踐教學主要以驗證性實驗為基礎，使學生熟悉單片機系統結構、匯編語言的使用、簡單輸入輸出實驗。而且，大量的驗證性實驗都是按照實驗指導書完成，學生只要按照指導書上的步驟和方法，就可完成實驗，這樣使一部分學生動手與動腦的機會少，應付教學，對綜合性和設計性的實驗非常吃力。
　　3) 教學手段有待提高。單片機技術快速發展，單片機集成芯片日新月異，各種仿真軟件大量涌現，單純依靠板書教學以及“板書式”的多媒體教學不能很好地提高學生的學習興趣，教學成果不明顯。
　　4) 教師自身能力有待提高。單片機原理與應用是一門面向實際、具有很強實踐性與綜合性的課程。但目前開設該門課程的多數院校都是以年輕教師執教為主，缺乏對單片機進行系統開發的經驗和工程實踐經驗，上課存在照本宣科的現象，這使得課堂教學效率不高。
　　
　　2理論教學改革
　　
　　2.1適當調整課程學時以順應單片機技術的快速發展
　　結合單片機技術的發展與多年來單片機教學的經驗，我們對我院5個專業的教學大綱與學時進行了修訂。從原有的32學時調整為48學時，實踐教學環節從4學時調整為8學時，并且加上了一個周的課程設計。學生在先修完微機原理及應用課程之后才開設單片機原理與應用課程，這樣可以大大節約單片機內部結構、工作原理、匯編語言的教學學時，這部分的內容既可以類比微機原理又可以作為基礎，使學生易于入門。經過修訂，MCS-51單片機的硬件、指令系統壓縮為10學時；單片機的擴展、接口電路與應用為12學時；其他類型的單片機原理及應用為8學時；單片機系統的開發調整為10學時；實踐環節為8學時。
　　2.2以實際應用為主，培養學生學習興趣
　　為了提高學生學習的積極性，一般在本門課程開始的時候，教師應系統地講解單片機的發展、應用、重要性以及與本專業的關系，從而明確本課程的學習目標。特別是應用方面，教師可以給學生首先展示一塊單片機的實物，以數字電路的觀點來說明其實一塊單片機就相當于大家都很熟悉的集成塊，使學生建立學習的信心。另一方面教師可以通過演示一個對LED簡單驅動的系統，讓學生直觀地感受一下單片機在生活中的應用，從而激發學生的學習興趣。
　　在教學過程中，將理論與實踐有機地結合起來的教學方法，優于先理論后實踐的教學方法。在理論教學的過程中，可以大量穿插演示性實驗，最好在每一部分的開始用演示性實驗將學生引入門，在每一部分的結尾用驗證性的實驗來加深學生的印象。
　　2.3加強C51語言的教學
　　多年來，單片機的教學和單片機系統的開發，大多都以匯編語言作為開發工具，這是由于匯編語言具有代碼緊湊、執行時間短、控制及時且易于記憶等優點。但是隨著單片機技術的發展也出現了一些問題，主要表現在對硬件結構的過分依賴，不同類型的單片機匯編指令有所不同，而且程序比較繁瑣，可移植性差等。與匯編相比，C語言在功能上、結構上、可讀性和可維護性上有明顯的優勢，而且C語言有豐富的函數庫，可以有效減少編程工作量，對單片機的硬件稍作了解即可進行系統開發，特別是C語言對寄存器的分配與尋址方式都是由編譯系統自動完成，由此可見，將C語言引入單片機的教學是很有必要的。
　　在教學過程中，匯編語言與C語言并重。讓學生能看懂匯編語言，可以用匯編語言完成簡單程序的設計，但不要求完成復雜系統的程序設計，這樣大大降低了學生學習的難度。同時，要求學生能夠用C語言完成簡單和復雜程序的設計，從對比中加深對匯編語言和C語言的理解。
　　
　　3實踐教學改革
　　
　　3.1實驗內容與類型的多樣化
　　在單片機實踐環節中，我們依托西南石油大學四川省重點實驗室(測控技術與自動化)，合理分配驗證型、綜合型、設計型實驗的比例以加深學生對單片機課程的理解。為了達到培養應用型人才的目標，我院根據學生的特點將驗證型實驗設置為4學時，綜合型與設計型實驗設置為4學時。與以往相比，加大了后者的比例。
　　除在本身的實驗環節以外，我們還設置了開放性設計實驗，即所有實驗室全天免費為全校學生開放，并提供常用元器件。開放性實驗主要由任課老師與教研室共同組織，實驗室老師提供支持配合，學生可以利用課余時間到實驗室完成整個設計，這樣不但鞏固了教學內容而且還使學生的技能水平大幅度提高。
　　在學期的最后，我們利用一周的時間進行單片機原理與應用的課程設計。在課程設計中，老師作為輔導的角色，學生作為主角。以測控技術與儀器專業2006級為例，該專業共68個學生，將整個專業的學生分為23個組，教師根據實驗室的條件列出23個題目分配給每一個組。要求每組的3個同學各自分工進行查閱資料、硬件設計、軟件編寫等工作，在調動學生積極性的同時也鍛煉了團隊合作能力。
　　3.2結合電子設計競賽，加強實踐教學環節
　　我校從2003年開始，每年都參加各種電子設計競賽，并且獲得了比較優異的成績。2個隊獲“全國大學生電子設計大賽”國家二等獎，5個隊獲省一等獎，9個隊獲二等獎，15個隊獲三等獎；1個隊獲“全國大學生挑戰杯課外學術科技作品”國家優秀獎；獲“飛思卡爾”杯智能汽車競賽全國二等獎等[3]。分析各種競賽，很多控制類、數據采集類和信號發生類的題目都會涉及到單片機技術。為了在各種電子競賽中取得好成績，對單片機而言，學生可以在凌陽單片機開發系統、飛思卡爾單片機開發系統、周立功單片機開發系統以及自研的單片機開發板進行開發，在不斷的鍛煉中提升自身的專業技能。教師在其中扮演指導角色，這樣既拓寬了教師的知識面，也達到了鍛煉教師的目的，增強了其教學能力[4]。
　　
　　3.3單片機仿真軟件的應用
　　在實踐環節可以引入Proteus仿真軟件與Keil編譯軟件。Proteus仿真軟件包含了國際通用的虛擬儀器與電子元器件庫，可以完成對數字電路、模擬電路、單片機及其外圍電路進行仿真[5]。Keil編譯軟件可以對匯編、C語言進行編譯與調試。將Proteus仿真軟件與Keil編譯軟件相結合，可以在計算機上調試和查看一個完整的單片機系統的運行結果。通過仿真軟件模擬調試通過后再制作硬件系統，使系統建立更加可靠，節約資源。Proteus仿真軟件與Keil編譯軟件極大地開拓了學生動手實踐的時間和空間，降低了學習成本，提高了學習效果。
　　在實踐過程中，可以要求學生借助于網絡，特別是各種單片機論壇，從更多的渠道獲得開發經驗與技巧，拓寬知識面。同時引導學生查閱各種單片機的芯片資料，為單片機的選型和硬件電路的搭建奠定基礎。
　　
　　4加強師資建設
　　
　　為了達到教書育人、為人師表的目的，我們要求單片機教學組的教師應具有合理和優化的知識結構、職稱結構和年齡結構，當然必須是一只樂于奉獻、積極向上、認真負責和互相幫助的教學團隊。在提升教學質量方面，教學團隊定期進行經驗交流，要求年輕教師完成歷屆全國大學生電子競賽所涉及到單片機的題目，同時參與指導學生參加各種電子競賽。
　　
　　5完善考核制度
　　
　　由于我院在2007－2010年獲得了中地共建資金的支持，實驗設備大幅度增加，我們也增強了對學生動手能力的培養。單片機原理與應用課程的成績評定主要由平時成績(20%)，實驗成績(40%)，期末結業考試(40%)構成。平時成績主要考察學生平時作業完成情況，增加了實驗部分的比例，減少期末結業考試的比例，促使學生更加重視實踐環節。在實驗評定方面，主要考察學生平時實驗的完成情況，特別是課程設計部分有無創新、特色、技巧等。最后期末結業考試基本覆蓋整個教學內容。
　　
　　6結語
　　
　　實踐證明，通過教改，我院學生的單片機應用能力得到了很大提高，參加各種電子競賽的獲獎率增加，學習熱情高漲。由于我校為石油類高校，學生就業絕大多數在石油企業，但近幾年每一年都有部分學生進入地方企業從事單片機開發。隨著就業壓力的加大，學好單片機可以為學生的理想擇業增加砝碼，拓寬就業面。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 李建忠. 單片機原理與應用[M]. 2版. 西安:西安電子科技大學