基于單片機課程應用能力培養的實踐教學體系構建

劉開緒，楊桂花，馬駿馳

(大慶師范學院物理與電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163712)

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095－0063.2014.03.040

1 實踐環節貫穿式的單片機教學方式的提出

單片機在工科電類專業教育中占據重要地位，單片機課程涉及芯片內部結構、編程語言及高級語言軟件環境、外圍接口硬件資源等，它能夠將電子技術等先修課程聯系到一起，屬于技術性、實踐性、工程性很強的一門課程，但在目前的教學中主要存在以下兩方面問題:

1.1 理論與實踐環節脫節

單片機的語言是與其硬件緊密聯系的，單片機系統是軟件和硬件的有機體系，初學者會感覺很枯燥。中斷的概念、可編程定時器/計數器、串行通訊、系統擴展等教學環節，一旦學生出現厭倦情緒，或者跟不上教學進度，學生就會掉隊，并以此產生厭學情緒。傳統的教學是理論教學先行，開課兩三周之后才開始第一次實驗課，而且不是每周都有實驗課，造成了理論教學與實踐教學環節銜接松散。學生如何理解“01H”既能代表地址，又能代表數據，到底有什么區別?存儲器空間的概念為學生交代不清的話，那么就會使得學生無法理解后續的內容。如何一開始就能夠降低學生學習的難度，使生澀難懂的內容變得直觀和形象，不斷激發學生學習的濃厚興趣呢?教學活動全程融入實踐環節是真正解決問題的關鍵。

1.2 傳統實驗資源、實驗模式的不適應性

傳統的實驗臺、實驗箱的資源整合很緊湊，學生只能按部就班地進行連線實驗，創新發揮的空間十分有限，這體現了現有實驗資源的不適應性。能否將實驗資源設計成開放式的、模塊化的、組合式的，從而使學生以單片機核心板為基礎進行按需擴展，充分發揮單片機應用靈活多樣的應用特點。

傳統實驗模式是實驗教師給定具體的實驗題目，每次實驗課學生都在規定的試驗箱上做同一個項目。試驗箱上的資源確實很豐富，但多數學生只能機械地進行連線、下載給定的程序，驗證固有現象而已。傳統實驗模式束縛了學生的思維，限制了學生創新能力的發揮，扼殺了學生學習的興趣。

對于單片機教學，如按傳統教學的陳規，學生在校或畢業已無法面對新形勢的挑戰，他們應聘就業時底氣不足。面對這些問題，作為教師，應大膽地進行課程教學方式方法的研究，讓學生在學好基礎知識的同時，迅速掌握單片機的設計應用技術，以培養學生綜合素質與實踐能力的有效方法，為培養“落地型”技能人才所做的努力都是必要的。解決這些不適應性就需要從教學環節、教學資源、教學模式等多方面著手，為此我們結合實際教學提出了實踐環節貫穿式的單片機課程教學改革。

2 新型實踐教學方式的構建

2.1 演示實驗進課堂

首先是開發與課程內容相配套的系列化演示實驗教具。演示教具來源于教師的精心設計，起初需要教師親自制作，也可以珍藏學生的設計作品;圖片及視頻資料，來源于從學生的創新設計、各類競賽中獲取的資料，或來源于網絡資源等。課堂上通過演示實驗、播放視頻及圖片資料加強學生學習的直觀感，克服學習的畏懼情緒，激發學習興趣。

在第一次課或每一次課的導引部分，除了簡要列舉大量圖文并茂的應用案例外，把一些新穎的作品的視頻、實物帶進課堂，并簡要介紹它們的工作原理及應用，創建一個“單片機不但有用而且有趣”的情景，從而激發同學們的學習興趣。

其次，設計開發STC89C52核心板，它采用USB線供電，H340型USB轉串口下載線，另配5V穩壓電源及光盤資料。STC89C52核心板上整合了16位LED、8位SW按鍵、4位數碼管、1個蜂鳴器、1個繼電器、1 塊24C02 串口存儲芯片［1］。

該核心板能夠完成I/O端口實驗、中斷二級嵌套實驗、定時器實驗等，兩塊板可以進行串口通訊。只要有一臺電腦，學生在哪都可以進行實驗。在機房課堂上，學生跟隨教師完成課內訓練內容。課外，學生可以在宿舍、家庭等場所繼續實驗練習，這種方式便于在學生中形成共同學習單片機的氛圍。

理論教學與“實物”相結合之后，使得單片機教學中所涉及到的抽象內容變得直觀易懂了，使得學生直觀具體地認識和了解單片機的實際工作和應用方式。在教學中為學生提供電路板的完整電路原理圖，將課堂教學的內容和其“實物”聯系起來，并逐步讓學生學會讀圖、識圖，為設計單片機系統的應用電路打好基礎。

開發的單片機核心實驗板套件成本價控制在50元以內，可鼓勵學生購買后自行組裝焊接使用，或者實驗室提供成品板供學生租用，保證每生人手一套。擁有核心板的同學可以把核心板傳承給下年級學生繼續使用。

2.2 教學過程強調三種技能培養

在教學過程中強調基本技能、綜合技能、工程應用技能的培養。課堂理論教學著重強化基本技能訓練和培養，結合課程內容，強化各模塊的訓練項目，這也是將來進行工程應用的基礎;課內實驗教學重點強調綜合技能培養，訓練項目以綜合設計性、研究型項目為主，鍛煉學生綜合運用知識的能力;課堂之外教學環節，在課程設計、學科競賽、畢業設計等多元化實踐教學環節中，以工程項目為訓練內容，重點強調工程應用技能的培養。把對學生要求的知識和技能相互融合，使之成為一個有機的考核體系。通過給學生布置項目或學生自選項目，讓每位同學選做一個。項目可以是一個單片機控制的模擬系統，如恒溫加熱系統，也可以是一個單片機控制的電子產品，如智能壁障小車等［2］，并要求在指定時間內完成，并驗收答辯。在學生制作實物的過程中教師給予必要的幫助和引導，并鼓勵學生充分利用教材及其他參考書等資源獨立完成項目，鍛煉學生獨立開發單片機產品的能力。

所提倡的新型教學方式使實踐環節融入到單片機課程教學的全過程，不同的階段、不同的層次安排不同的訓練項目，側重培養不同的技能。調動起學生學習的積極性后，以學生為中心的氛圍就會自然形成，培養學生綜合技能的目標才能更好地實現。圖1為單片機課程教學活動流程圖。

圖1 單片機課程教學活動流程圖

在傳統的教學模式中，都是按照單片機的結構體系來授課的，存在很多問題。在本門課程教學過程中，我們用模塊化、項目驅動和任務驅動教學方法為主，將課程中所學的知識內容劃分成若干個教學模塊，每個模塊包含一個或幾個知識點，理論及實訓均圍繞模塊展開，每個模塊以工程項目為背景，項目涉及的內容采取任務驅動方法。教學中以學生為主體，教師為主導，以知識點應用為載體，以培養學生實踐能力為目的。

在單片機課程教學活動流程中，貫穿于三條教學活動主線的是教學團隊建設和學生能力培養。

3 實踐教學體系建設的配套保障

3.1 推行實驗室開放

學生想要完成某些工程項目的驗證，缺少的實驗模塊和器件怎樣解決?我們采取開放實驗室并出借資源的方式來解決。學生可以在實驗室開放的時間段利用實驗室資源完成設計和制作，也可以租借單片機擴展模塊，并定期歸還。如實驗室可以提供LCD12864、18B20、Zigbee無線通訊模塊、陀螺儀、直流電機、舵機、步進電機、機械臂、履帶車體、L298驅動模塊等，租借方式為學生提供了使用實驗資源的有效途徑。

為了保證開放性實驗管理有序進行，我們完善了實驗教學網站建設。學生可以在網站上預約實驗實踐、實驗項目，網站的建設也促進了實驗室開放的管理。

3.2 課程網站建設

經過幾年的努力，我們建成了校級單片機精品課程網站，為學生提供了系統的訓練項目及學生交流互動平臺，為課程教學提供了強有力的資源平臺支撐。

3.3 教學團隊建設

學生技能的培養是教學的結果，而教學是師生雙方互動的過程。沒有高素質的教師，沒有高水平的教學團隊，就傳授不了先進的教學思想和系統的知識。要完善教學團隊建設，就得使教師參與到教學的全過程之中去鍛煉，每位教師都勝任理論教學、實踐教學，都具備指導競賽、指導畢業設計的能力，過硬的教師隊伍建設勢在必行。

3.4 實驗硬件條件的保障

課程團隊自行設計制作了20多個演示實驗教具，引導理論教學起到了很好的教學效果。自行開發了STC89C52RC及C8051F020單片機最小實驗系統板及外圍擴展模塊，并在大學生電子設計競賽中付諸應用，取得了很好的效果［3］。實驗室現有沈飛生產的51/86單片機原理試驗箱30套，北京新華龍電子有限公司生產的C8051F020試驗板30套，及模塊組合式試驗箱30套。

通過課程改革研究，實現理論與實踐互動、師生互動、直觀與抽象互動，實現現代教學和傳統教學相結合、虛擬實驗和真實實驗相結合、基礎實驗和工程綜合應用相結合，全面提升課程的教學效果。

4 結語

新型的教學方式試行兩年多來，取得了演示實驗教具30多件，自行開發的單片機核心板有STC89C52、C8051F020、MSP430－169系列及 M3－Cortex系列，及 ADC/DAC、MOTOR、8位 LED 數碼管、LCD12864等配套模塊近20種，設計出了模塊組合式單片機試驗箱。近兩年來，學生參加電子設計競賽取得了省級一等獎一項，省級二等獎1項，三等獎6項的成績，主持省級大學生創新項目四項，并在課程設計、畢業設計展示了單片機使用的靈活性。

［1］王效華，張詠梅.單片機教學改革的探討［J］.武夷學院學報，2010(4):93－99.

［2］劉開緒，張維，郭險峰.電工電子實訓教程［M］.長春:吉林大學出版社，2013.

［3］宋蘊璞，裘文進，徐鳴謙，等.單片機實驗教學方式探討［J］.高等教育研究，2007，12:46－48.