“單片機原理及應用”課程改革實踐和探索

摘要：“單片機原理及應用”是電氣工程及其自動化專業的一門重要學科基礎課，是信息技術目前在電力系統中應用的入門級課程和基礎課程。隨著國家教學改革的推進和社會單位對人才需求的變化，單片機課程改革和實踐需不斷深入，不斷創新。從單片機課程教學現狀分析入手，從課程內容優化、實踐教學創新、教學方法改革、考核體系完善及創新人才培養等幾個方面進行了論述，探討了新時期單片機課程的改革實踐方向和采取的措施。教學創新是課程生命力的動力和源泉，教學改革實踐是課程永葆青春的法寶。只有不斷教學創新，才能培養出一批又一批的高素質創新型人才，為國家發展和教育事業推進做出了貢獻。

關鍵詞：單片機；課程改革；課程探索

作者簡介：許景輝（1978-），男，河北藁城人，西北農林科技大學水利與建筑工程學院，講師；張成鳳（1978-），女，山東安丘人，西北農林科技大學水利與建筑工程學院，講師。（陜西 楊凌 712100）

基金項目：本文系西北農林科技大學本科優質課程建設項目（項目編號：2013-53）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0074-02

“單片機原理及應用”是電氣工程及其自動化專業的一門重要學科基礎課，是專業建設方向中“強弱電結合、軟硬件結合”的重要體現課程之一。該課程幫助學生理解嵌入式控制系統的原理、工作模式和常用芯片參數，是目前信息技術在電力系統中應用的入門級課程和基礎課程。

“單片機原理及應用”經過多年的教學實踐和改革，從教學方法和教學手段上進行了不斷創新，教學效果日益提高。但在新科技時代背景下，隨著現代科學技術的飛速發展，更多的技術和方法可應用到“單片機原理及應用”教學中，為課程改革的不斷推進注入了活力。[1]2012年新的專業目錄調整后，專業課程設置及學時要求發生了一定變化，這也為該課程的改革提出了新的要求。

一、單片機課程教學現狀

單片機課程是目前高校電類專業的骨干課程，雖然從課程名字上有所不同，但教學內容基本為MCS-51單片機基本原理及其應用方法，故課程名字多為“單片機原理”、“單片機原理及應用”、“單片機原理與接口技術”等。根據教學任務要求及課程設置不同，單片機課程學時從32學時到64學時不等。結合現在專業培養方案變化，目前該課程以48學時居多，同時根據教學需要增設1～2周的課程設計。從教學形式上來看，各校基本延續課堂講授和課程實驗相結合的傳統教學模式。由于多媒體的推廣及實驗設備價格的降低，學生知識掌握和實踐動手能力都較過去有了很大進步。以單片機為主的應用電路設計一直是各個學校學生科技創新活動的主流，通過各類實踐活動，學生在畢業時的理論和實踐能力顯著增強，為學生進入工作單位打下了堅實的基礎，受到社會各個用人單位的青睞。

然而，目前單片機教學中也存在很多問題，需要不斷進行教學研究，進一步提高該課程的教學效果。首先，該課程的教學內容需要適度更新，以適應當前社會對單片機技術人才的需求。在課程教學內容上，多年來該課程以MCS-51系列單片機為例，從單片機硬件結構、常用指令、編程方法和單片機硬件擴展等方面進行單片機的教學和實踐鍛煉。但實踐中發現，單片機匯編語句部分應增加C51對照程序以加強學生實際應用開發的能力和水平。在單片機知識結構上，應對目前普遍使用的I2C、SPI、ICP和ISP等加以介紹，讓學生了解目前廣泛采用的單片機技術。除了MCS-51單片機外，還應對日常廣泛采用的PIC和AVR系列單片機進行適當介紹，使學生不至于與實際脫節，降低課程教學效果。在實踐環節中，很多學校仍采用傳統的試驗箱，這雖然在一定程度上方便了學生實驗，但與學生進行單片機系統開發脫節，容易造成學生眼高手低的教學弊病。實踐教學中，應將具有在線可編程功能的單片機引入到實驗課程之中，讓學生真正體驗單片機開發的實際環境，更好地了解系統設計過程及調試過程。結合現代虛擬仿真技術，應將PROTEUS等仿真軟件引入到教學和實踐體系之中，讓學生能夠在理想的環境下進行軟硬件調試，增強學習興趣。

二、單片機課程教學改革實踐

“單片機原理及應用”課程改革主要包括課程內容優化、實踐教學創新、教學方法改革、考核體系完善及創新人才培養等幾個部分，通過不同部分的教學改革實踐，可優化教學內容體系，提高學生綜合素質，培養學生具有“理論基礎扎實、實踐創新能力強”的創新型人才。

1.明確培養目標，優化教學內容

單片機課程是一門理論和實踐性都比較強的課程。由于該課程較為抽象，需要學生用“有限硬件資源”的思想去考慮各類復雜的自動控制問題，這就要求課程的理論教學和實踐教學內容合理，能通過相互補充的方式提高教學效果。目前，“重基礎、寬口徑、重應用、高素質”是電氣專業培養的原則，在這個培養目標下，學生應該掌握堅實的課程基礎，建立較為全面的課程知識結構，在實踐教學環節的基礎上，具有較強的動手實踐和科技創新能力。但在新的專業培養大綱修訂中，專業學時不斷壓縮，因此更需要認真考慮教學內容，滿足現在培養目標的要求。

單片機教材多種多樣，但在教學內容上基本相似。單片機課程內容主要有數字電路基礎、MCS-51單片機硬件結構、單片機指令系統、匯編語言程序設計、單片機中斷及定時/計數器、單片機存儲器及擴展、單片機串行通信、單片機接口技術、D/A和A/D轉換電路設計、單片機系統設計方法、單片機應用及開發舉例等內容。從內容上來看，單片機硬件結構、指令系統及匯編程序設計、中斷及定時/計數器、單片機存儲器及擴展和單片機串行通信等是該課程基礎知識，應通過各種教學手段進行重點講授。不論學時如何壓縮，這些基本內容應該保留并保證教學的實際效果。D/A和A/D轉換理論在數字電路課程中有所介紹，因此可以結合單片機應用及開發舉例等內容進行講授，結合實踐教學要求，還可將其放入到實踐環節之中。單片機匯編語言部分教學內容應補充C51編程方法及實例，但匯編語言不應省略，因為它是鍛煉學生軟硬件編程思維的重要內容，不應過分追求與社會接軌而讓學生建立空中樓閣式的課程知識結構。在串口通信教學中，可對RS-232接口及單片機串口工作方式進行簡要介紹，但應增加I2C、SPI等串口總線教學內容以適應現在硬件接口設計的時代需要。[2]PIC和AVR單片機作為現在單片機應用的主流，在課堂中應對其特點加以介紹。

2.加強實踐教學，提高學生創新能力

單片機課程實踐性非常強，只有通過理論和實踐相結合，學生才能真正掌握單片機的使用方法和應用技巧。單片機課程實踐教學分教學實驗、課程設計兩個部分。兩部分應結合課堂教學內容，相互補充，相互呼應。

在教學試驗中，首先應采用切近實際生產的教學設備。目前很多高校仍采用傳統的實驗仿真箱，這種設備讓學生關注于程序設計，單片機硬件部分只需插線即可完成。從目前教學效果來看，采用這種設備進行教學，學生對軟硬件知識的掌握程度不盡理想。現在廣泛采用的單片機均有ISP（在線可編程）功能，其單片機ROM多采用可擦寫的flash芯片，因此延續過去燒寫器時代的仿真實驗箱將給學生造成錯覺，讓其在實際硬件開發中有種無所適從的感覺。單片機實踐教學要求學生能夠掌握單片機基本指令和使用方法，掌握單片機系統的開發流程及操作技巧，因此需要學生在軟硬件上均應進行實踐鍛煉，這就要求啟動新型實驗教學儀器的應用。目前，單片機開發板功能日益完善，其價格越來越低，因此可以通過單片機開發板，讓學生進入單片機系統開發的實戰環境，真正讓學生對系統硬件結構和軟件指令有一深入的了解和掌握。在實踐教學中，采用了積木式單片機硬件系統，單片機建立最小系統后，其外圍設備均通過經典電路制作成模塊，學生在實驗中要對其電源、總線等設計，需要通過引線組件不同功能電路，這充分鍛煉了學生的動手能力和系統設計能力。

在單片機實踐教學中，PROTEUS軟件是取代傳統實驗仿真箱的另一利器。PROTEUS軟件是英國Labcenter electronics公司開發的EDA軟件，是目前唯一能夠進行單片機軟硬件仿真的計算機輔助軟件。[3]該軟件有豐富的元器件模型庫，能以較為形象的方式進行51系列、PIC系列、AVR系列和ARM7等軟硬件仿真。[3]該軟件注重于器件的關鍵引腳連線，能結合Keil等編程環境，對單片機系統進行主要功能檢驗和輸出結果仿真，這有效提高了單片機學習和開發的效率。PROTEUS軟件在軟件環境中集成了各類檢測儀表，學生只需一臺計算機即可進行相關知識的學習和功能開發，其應用范圍越來越廣。[4]西北農林科技大學（以下簡稱“我校”）根據教學中常用電路及實驗仿真箱等經典電路開發了“基于PROTEUS的單片機實驗平臺”，通過模塊化的方式排列了教學和實踐中常用電路模塊，學生需要通過硬件連線和軟件編程完成相應控制功能，對學生軟硬件設計能力提高起到很大促進作用。

3.采用多種教學手段，不斷提高教學效果

近年來，隨著國家教育改革的不斷深入，“強基礎、寬口徑”已是目前高校專業教學目標的主流，與之呼應的專業培養方案修訂使得專業課程學時不斷壓縮，但教學大綱中對課程內容要求并未減少，這就勢必造成教學效果的下降。為了適應這種狀況，教學中必須采用新式教學方式，以提高教學效率。

現代教學手段中，多媒體授課形式已經不是新的創意，但多媒體課件如何設計卻是一個常說常新的話題。目前，對于如何進行多媒體課件制作的論文已經很多，[5，6]但如何設計課件內容及如何設計內容展示方式的論文卻不多。多媒體教學中，對于抽象的內容需要用POWER POINT中動畫功能予以演示，如單片機工作方式內容講解時，學生很難想象單片機取指令、編譯指令和取數據的過程，而通過動畫顯示的方式，學生就很容易理解PC指針的工作方式以及CPU進行取、解譯和執行指令的過程。現在網上資料非常多，在進行單片機硬件擴展內容講解時，可將學生分成幾組，分別對常用的電容、晶振、液晶顯示器、數碼管等進行型號和圖片的搜集和整理，然后利用課堂5分鐘進行各組的講解和展示，這不但拓展了學生的視野，而且鍛煉了學生的能力，起到了教學相長的目的。

除了多媒體教學外，還應充分利用各種資源，為學生進行立體式教學環境布置。應充分利用板書、多媒體、網絡等手段，揚長避短，充分發揮各自優勢。教師通過板書給學生以思考的時間，利于學生進行理論知識的課堂消化。網絡是目前知識學習的寶庫，豐富的網絡資源為課程難點解答提供了多種版本的解釋，為學生正確理解知識點提供了幫助。比如說單片機型號多樣，課本講解是有限的，學生就可查閱論壇和精品課程網站來了解新知識，各類國家、省級優秀精品課程網站為學生學習提供了良好的平臺。

4.建立多樣考查方式，注重學生學習效果考核

各種教學方式改革，目的是為了給學生提供一個良好的學習環境，因此學生學習效果還需通過多種考核方式進行評測，為學生質量鑒定提供一個標尺。單片機課程應用性較強，死記硬背式的學習方式不能適應現代社會對人才的需求。因此從課程考核方式上應將作業、出勤、實驗報告、課堂測試、大作業及期末考試結合起來，通過教學過程中的引導，調動學生學習積極性。隨著社會思潮對大學校園的沖擊，每一屆學生的學習特點各有不同，因此需靈活確定各類考核比例，引導學生加強某個教學環節的學習和鍛煉。比如說，某屆學生實驗積極性不高，那這屆考核中的實驗出勤和實驗報告比例就要加大，而且其考核比例要及早通知學生，這樣才能引導學生重視實踐教學環節。在不同考核方式中，也應該注重考核形式。如課堂點名時，很多教師拿點名冊進行點名，由于缺課情況無法展示給學生，容易讓不愛上課的學生懈怠。而通過大屏幕式Excell點名，情況就不一樣了。這不僅利于學生出勤情況的統計，還可以讓全體同學掌握各自出勤情況，利于彼此的監督和提醒。

三、積累教學經驗，不斷加強教學創新

不同教學方式的改革都是圍繞創新性人才這個培養目標進行的。已有的教學經驗利于當時的教學，但隨著時代的變化，其教學方式就需要不斷創新。

教學方式改革的主導者是教師，只有加強師資隊伍建設才能形成良好的教學和學風，才能不斷創新教學形式，提高教學水平和效果。在師資隊伍建設中，應通過教案編寫、課程講授、專題研討和學術交流的形式不斷加強教師素質，提高教學水平。應鼓勵和支持教師參加各類單片機產品發布會和學術團體會議；通過科研活動、全國性技能競賽和學生科技創新活動，積累理論和實踐經驗，為教學工作積累豐富的教學素材；應積極創造教師進修和考察機會，開拓眼界，豐富經驗，為樹立其正確的教學理念創造條件。

學生創新型教育是時代賦予高等教育的目標和使命，是促進國家發展和生產力提高的重要保障。在教學中，應積極引導學生發揮創新性思維用單片機的思維解決生活中的自動控制問題。同時應在作業、課程設計選題及綜合性、設計性實驗項目中積極貫徹創新型人才培養思路，讓學生多動腦、多動手。結合目前實驗室開放和PROTEUS平臺，讓學生多進行創新性思考和科技創新活動。學生素質的進步既是高等教育創新的成果，也是教學創新的動力。

教學創新是課程生命力的動力和源泉，教學改革實踐是課程永葆青春的法寶。教師只有不斷創新，才能讓學生由淺入深、由易到難地進行單片機概念、原理、使用方法的學習，才能通過豐富多樣的實踐創新活動掌握單片機控制系統設計、制造方法，才能培養出一批又一批的高素質創新型人才。

參考文獻：

[1]吳允平.單片機教學改革與學生工程素質和創新意識的培養[J].福建師范大學學報（自然科學版），2004，20（1）：111-113.

[2]翟玉文.單片機課程教學改革探究 [J].吉林化工學院學報，2013，30（4）：34-37.

[3]張靖武，周靈彬.單片機系統的 PROTEUS 設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4]袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲.基于 Proteus 的單片機課程教學與實驗改革[J].實驗室研究與探索，2007，26（12）：75-78.

[5]吳建平.多媒體課件制作與多媒體教學方法的研究[J].學科教育，2004，4（4）：8-11.

[6]宋友，鐘聰華.多媒體課件制作實用教程[M].北京：清華大學出版社，2001.

（責任編輯：王意琴）