單片機思維的建立與強化在教學工作中的應用

劉濤 沈為民 陳慧芳 馮桂蘭

【摘要】《單片機原理與應用》課程是工科專業課程體系的重要環節，但教學質量和教學效果差強人意。本文提出“建立和強化單片機思維”的教學方法，對該教學方法進行理論分析和研究、具體實施過程的分析，并用該方法在課堂上加以嘗試，取得很好的教學效果。本文旨在找到一條提高單片機教學質量，達到或超出教學大綱要求的教學效果的方法，為單片機教與學找到一條新路。

【關鍵詞】單片機教學 單片機思維 微機結構體系 討論課

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）07-0019-02

《單片機原理與應用》課程是工科專業課程的重要環節，尤其是在光電、自動控制、機電、電器、電子信息等專業中，單片機都是專業必修課程。在《模擬電路》、《數字電路》等課程的系統學習之后，通過單片機的學習，使學生掌握單片機的基本原理和使用方法，從分立元件構成的電路，逐步過渡到數字集成電路的應用，進而轉入DSP、PLD、嵌入式等更高一級的專業技術的學習。

1．單片機教學過程中的難點

單片機課程的重要性毋庸置疑，但是教學質量和教學效果卻差強人意。單片機課程有其自身的特點。數字電路是它的基礎，但是學習方法又有別于數字電路。單片機有完整的理論體系和構架，單片機的入門需要立足于這個理論體系，但是對于初學者而言，過多的專業術語很陌生，難以理解，入門的門檻相對較高。單片機的各個組成部分之間看似松散的關系，也使得單片機的教學不夠連貫、邏輯性不強。實驗環節側重于各部分的使用方法的驗證，學生自主發揮的空間不大。這些都是單片機教學過程中應該予以重視并加以解決的問題。

本文提出“建立和強化單片機思維”的教學方法，對該教學方法進行理論研究，并用該方法在課堂上加以嘗試，取得了很好的教學效果。本文旨在找到一條提高單片機教學質量，達到或超出教學大綱要求的教學效果的方法，為單片機教與學找到一條新路。

2.強化單片機思維教學法

單片機思維是指：在深刻理解微機的構成機理和原則、熟練掌握單片機的應用方法的基礎之上，從微機體系的視角思考和解決單片機應用系統的具體問題。“建立和強化單片機思維”的教學法，是從學生的認知過程的連貫性和邏輯性的角度出發，將單片機的核心理念貫穿于整個教學過程中，使學生對單片機的認識不僅僅停留在如何使用，而是深入到單片機這個芯片的設計思想中，從而形成一種用基于單片機芯片設計的理念來構建單片機應用系統的思維模式。單片機思維的形成需要教師在教學過程中有步驟、有層次，系統地引導。總的來說，課堂和課外的理論教學和實踐教學要相互配合，取長補短。本文僅從理論教學的角度來探討如何幫助學生建立和強化單片機思維的問題。

2.1課堂理論教學

2.1.1注重微機體系概念和單片機思維的建立

將微機體系的概念貫穿于單片機教學始終，將單片機各組成部分有機地聯系起來，啟發學生從微機體系角度思考單片機的具體問題，從而使學生建立“單片機思維”，深刻理解單片機原理，從而靈活運用單片機。

單片機理論教學的內容是MCS-51單片機，51單片機的特點是結構清晰，層次分明，構架簡潔。中央處理器是計算部件，相當于人的大腦；與之相對應的是計算的數據的存儲部件：存儲器，相當于人的臟器；計算機需要和外界交流，也就是輸入輸出部件，相當于人的眼和嘴或者手；將這些部件聯系起來的是總線，相當于人體的血管和神經。這些基本部件構成了單片機的最基本的組成構架。教師在講解過程中，將這一構架貫穿始終，使學生展開想象，理解微機的工作原理是什么，各部分是如何聯系，協同工作的——這是單片機思維的“基本點”，這個基本點和另一個基本點——“單片機對硬件的操作是通過對硬件的地址的讀寫來實現的”相結合，構成了整個教學過程的主線。在學習單片機的各個組成部分以及在學習其他類型的單片機的時候，都要從這兩個基本點出發，把握住這根主線。

該系列的單片機誕生于1978年前后，雖然其歷史悠久，但具有51內核的眾多單片機一直都是工業應用上的主要型號。AVR、PIC單片機以及功耗更低、處理能力更強和資源更豐富的MSP430單片機，在微機的核心構架、基本理念上，都以51為基礎，但又風格迥異。可以說，MCS-51的教學目的，不僅僅局限于學習如何使用MCS-51單片機，更在于使學生深入理解單片機的構成，掌握一般意義上的單片機的學習方法，靈活運用單片機，形成單片機思維，進而籍由相同理念，將單片機的基本概念和學習方法推廣到其他類型的單片機學習過程中，可以起到事半功倍、舉一反三的效果。實踐證明，基于微機體系的教學方法，使學生學得更加扎實，更加廣泛，學生能快速地掌握其他類型的單片機。

2.1.2入門時弱化專業術語

學生們在進入單片機課程之初，就會面對很多新的概念或專業術語，如：具有存儲功能的：鎖存器、寄存器、存儲器；接口、端口等。這些專業術語一方面準確、精煉地表達了相關的知識內涵，但另一方面也在很大程度上給學生的認知造成了一定困難，學生們面對這些新詞匯的時候，感到不解、害怕、無所適從，從而降低了學生的學習興趣，打消了學習的積極性。單片機課程十分重要，很多同學都希望能學有所成，學有所用，但他們的學習熱情，往往在正式進入單片機課程之初就被澆滅了。所以，在入門之初，可以弱化這些術語、概念和詞匯，僅僅從字面入手，用容易為學生所接受的方法，對這些術語所涉及的功能進行簡單闡述，并不花過多精力解釋和追求概念的完整性，帶學生跳過這道門檻，直接進入主題。弱化專業術語并不是回避概念，而是在認知過程中的一種策略，從淺層次了解概念，降低難度，從而掃清障礙，打開學習的上升通道。

2.1.3 用啟發式的教學引導學生，展開主題

在每個知識點講授之初，從兩個方面引出該知識點：（1）從微機體系的角度看，除了前面講過的部分之外，大家認為還需要哪些組成部分或者功能？（2）從實際運用的角度看，如果要完成某個具體的工作任務，需要哪些方法和步驟？僅僅用前面講過的方法去實現，有什么不足？如果大家來設計單片機，碰到這種實際任務的要求，應該給單片機添加什么功能或部件？這種任務驅動的教學，既是對前面講過的內容的回溯，同時也啟發了學生思考，從而引出了本課主題。基于這兩個方面的方法不僅可以用來教學單片機知識，同樣適用于針對單片機外圍芯片的學習。

目前有許多的單片機教學都趨向于“任務驅動”的模式，從實際應用的角度出發，希望學生通過任務的分析、分解，逐步完成知識點的學習[1]。但這種方法有一定難度，理論依據有所欠缺，對于剛入門學生的認知水平而言難以理解和掌握，所以教學效果并不理想。這個時候，需要教師引導學生思考。首先，要運用貫徹始終的主線“微機體系”，引導學生用“單片機思維”思考問題。比如：在講授“系統擴展”這個知識點時，提出實際問題：如何解決單片機的內部資源不夠用的問題。通過討論和分析，學生得出結論：需要在單片機外部增加資源，從而引出“系統擴展”的概念。接下來提問：大家認為系統硬件擴展應該遵循什么原則，或者說如何實現？引導學生圍繞著微機體系構架尋找答案。很快，學生們就有了答案：系統擴展是單片機內部的延伸，所以系統擴展可以看成是內部構架的映像，和內部構架的聯結一樣，必須依據總線結構來進行。問題的討論到這里并沒有結束，緊接著教師請學生思考：系統的硬件擴展完成后，如何訪問或使用擴展出來的資源？回答這個問題，需要學生們把握單片機思維的另一個基本點——“單片機對硬件的操作是通過對硬件地址的讀寫來實現的”。通過從微機體系和單片機思維出發的任務驅動的啟發式教學，可以幫助學生鞏固所學，主動用已知解決未知，獲取新知，提高理解的層次，從而為靈活運用打下基礎。

2.1.4講授內容突出重點，適度留白

中國畫講究畫者對意境的表達，以及賞者對意境的體會和精神上的共鳴。在畫作中有些地方要潑墨，重點勾畫，有些地方則要留白，不著筆墨。留白不是空白，卻是畫者提供給賞者想象和情感表達的空間，甚至是賞者參與畫作的再創作過程。如果把單片機教學比作是中國畫的創作過程，那么在講解過程中的突出重點，適度留白，對于學生的理解的深入，思維的擴展，認知能力的提高有極大的好處。知識點中的重要部分要反復強調，分析透徹，并將單片機的主線貫穿在講解過程中。但知識點中的某些部分可以提出來，但不做講解，留給學生思考。學生們通過自己的思考，運用學習方法，獲取該部分的信息，這個過程不僅強化了基本概念和學生的單片機思維，更可以使學生產生共鳴，產生成就感，提高學習興趣。哪些部分需要留白，是值得教師反復斟酌的問題，是教學質量能否提高的關鍵。

比如：MCS-51單片機中的定時器/計數器的模式寄存器TMOD，這個寄存器的主要功能是設置定時器/計數器的工作方式。教學過程中，設置定時器計數器的工作方式的相應位是著重要講解的內容，而且配合例題加以講解。在TMOD中還有兩個GATE位，如果設置為1，那么相應定時器/計數器用來對/INT0或/INT1引腳上的信號的高電平時間進行測量。在授課過程中，僅提醒學生注意GATE位的存在，要求學生在學習完中斷的內容后，回過頭來思考。在“討論課”中，組織一個“測量”專題，由學生對這個內容加以討論，問題會迎刃而解，學生感到豁然開朗。

2.1.5完善和強化概念

主題或知識點講授完畢之后，要總結歸納，完善和強化概念，這是課堂教學的最后一個環節。在進入主題之初，我們提出要弱化專業術語，目的是為了降低學習門檻，提高學生的學習興趣。但是在學習過這些知識點之后，幫助學生總結歸納和補充，完善和強化概念，將學生對概念的理解和掌握提升到更高的層次，顯得尤為重要。一方面，這樣的完善和強化鞏固了學生的“單片機思維”，另一方面，學生站在更高層次上，更能促進他們發現新問題，產生新想法，迸發出思想的火花。

2.2課外理論教學作為課堂理論教學的補充和延伸

課外理論教學采用開設討論課的方式進行。課外理論教學和課堂理論教學有本質的區別，旨在引導學生自主學習課外的單片機相關知識，既是理論教學內容的補充以及課堂的延伸，也是對課堂教學過程中所教授的單片機構成理念、單片機思維、單片機學習方法的直接運用。國內大多數大學都沒有重視用討論課的形式展開教學。美國“常春藤聯盟（Ivy League）” 的課程非常重視小型討論班，往往在正式授課之外把大班拆成幾個小組上討論課，由教授或者研究生主持。這種討論不是滿堂灌輸理論，而是對話式的、互動式的，要發展學生提出問題、進行置疑、辯論、說服、論證等能力。這種教學模式培養了大批理性思考、分析透徹、擅長創新的人才。受此啟發，單片機課程的討論課鼓勵學生自主學習，從教師作為講授主體的灌輸型的課堂教學模式，逐步轉換到以核心成員組織討論的研討型課外學習模式。討論課的主題由教師加以列舉，開設有“測量”、“顯示”、“驅動”、“控制”、“總線”等主題。主持者和參與主體都是學生，學生們根據自己的興趣選擇某個主題參與討論。討論的形式多樣，輕松活躍，學生通過對所選主題涉及到的資料的查閱，制作ppt，給其他同學講解，大家互相提問和解答，圍繞單片機系統構成和基本理論結構，啟發思考，讓學生有目標，有依據，有方法，并且通過互相問答啟發地自學，達到補充課堂教學內容，激發思維的效果。討論課作為從理論學習到工程項目訓練的過渡，結合本科生科研訓練計劃（SRTP）和課程設計、學科競賽等實踐性環節，讓學生在“研究中學習”。[2-4]

3.教學效果評價

我們首次采用“建立與強化單片機思維”的教學方法，取得了很好的教學效果。課時（理論+實驗）為66學時，授課對象是光電專業的大三學生，人數69人，學習過《電子技術》、《計算機基礎》等必修的專業基礎課程，僅有一人有單片機開發應用的經驗。試題偏重理論，其中基礎題占57%，中等難度題占25%，難題18%，從卷面成績上看，及格率達到83%，其中80分以上學生占48%。說明學生對于理論知識的理解較好，遠高于往屆學生的掌握程度。另一方面，實踐教學中，學生表現出很高的主動性和創造熱情，能熟練運用匯編或C51編程的學生超過60%，這一比例也遠遠高于非實驗班級。

4.結束語

單片機教學效果關系到工科學生專業技能的培養和創造力的提高。社會對人才的要求越來越高，提高單片機的教學質量，對夯實學生的理論基礎，挖掘學生的創造潛能，尤為重要。通過將“建立與強化單片機思維”的教學方法運用到理論教學上，使學生對單片機理解得更加透徹，掌握得更加深刻，運用得更加靈活，更有興趣和創造力。

參考文獻：

[1]劉國光.《任務驅動法在單片機教學中的應用》，《中國職業技術教育》, 2005年4月總第194期.

[2]鄭家茂，張胤.《對大學生科研訓練計劃的若干思考》，《高等工程教育研究》，2008年第6期.

[3]徐敏，盧周平.《“單片機原理及應用”課程教學改革與實踐》，《實驗室研究與探索》, 2006. 第25卷(第1期).

[4]王慶成.《“單片機”課程教學改革及綜合應用能力的培養》，《吉林工程技術師范學院學報》, 2008. 第24卷(第12期).