單片機實驗教學的改革與探索

摘 要：針對目前單片機實驗教學中存在的弊端，通過優化實驗教學內容和改革實驗教學方法，推進綜合應用型實驗的建設，提高學生的實踐創新能力。

關鍵詞：單片機；教學方法；教學內容；教學改革

由于單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，因此廣泛應用于智能儀器儀表、家用電器、醫療設備、航空航天、電子通信、專用設備的智能化管理及過程控制等各個領域。掌握單片機技術，不僅有助于培養學生對專業知識技能的提高和動手能力的培養，更重要的是能夠使學生獲得實用技能，提高實踐創新能力，增強就業競爭力，所以目前國內外各高校電子信息及機械工程等專業都開設有單片機相關課程。

單片機是一門綜合性和實踐性非常強的課程，學習單片機必須理論與實驗相結合，而且實驗在整個課程的教學中起著非常重要的作用，通過實驗環節可以激發學生的學習興趣，鞏固理論知識，培養學生的動手實踐能力和創新設計能力，使學生把理論知識轉變為工程實踐應用的能力。但是，傳統的單片機實驗內容基本上都是驗證性實驗，缺乏綜合應用型實驗，實驗過程中學生只要根據實驗指導書的要求進行簡單的連線，把現成的程序代碼輸入計算機并編譯下載即可得到相應的實驗結果，然后提交實驗報告就算完成了實驗。經過多年的教學實踐發現，雖然學生學習過單片機，但是在需要進行單片機應用系統綜合設計時往往對課題不知所措，不知該如何選擇芯片型號和如何設計系統，而這些都是在學完單片機課程后應該初步掌握的內容。針對目前單片機實驗教學中存在的弊端，本文通過優化實驗教學內容和改革實驗教學方法，推進綜合應用型實驗的建設，提高學生的實踐創新能力。

一、實驗內容的優化

根據單片機課程的特點和培養學生實踐創新能力的要求，實驗教學的內容可分為初級軟件實驗、基本硬件接口實驗和綜合應用實驗三個部分。要正確處理好三部分實驗之間的關系，合理安排各部分實驗的具體內容，使學生在有限的時間內盡快熟練掌握單片機軟硬件知識，提高學生的實踐創新能力。實驗內容的選取要做到對典型的芯片都安排有相關的實驗，增加綜合應用型實驗的比重，逐步將單純的驗證性實驗向綜合應用型和創新型實驗發展，增強學生學習的積極主動性，提高學生的實踐創新能力。

初級軟件實驗包括：不同進制之間的數據轉換、內外RAM之間的數據傳送等，這部分實驗的主要目的是讓學生熟悉和掌握單片機匯編語言指令系統、程序設計方法及Keil .Vision2仿真軟件的使用方法。由于軟件仿真實驗只要在電腦上裝上Keil .Vision2仿真軟件就可以進行，基于學時的限制，這部分內容課堂上教師只需簡單講解一下該軟件的用法和編程時要注意的要點，讓學生在課外預習實驗時根據實驗指導書的要求自行運行并修改程序，同時觀察實驗結果。

硬件接口實驗部分包括硬件接線和軟件編程兩部分，其中主要有I/O口輸入/輸出、定時器/計數器、鍵盤接口、串行通信、存儲器擴展、外部中斷及AD/DA轉換實驗，對于這部分實驗，學生首先要根據實驗任務完成硬件設計，搭建好電路，然后閱讀并運行程序，同時觀察實驗現象分析實驗結果。最后，教師指導學生在理解程序的基礎上修改程序，觀察實驗現象的變化，使學生更加深入地理解和掌握實驗的軟硬件原理。

綜合應用實驗通常要結合課程設計、畢業設計等來完成，該部分實驗的內容主要有溫度測量與控制實驗、語音芯片控制實驗及電子時鐘實驗等。學生需要根據實驗要求，自行選取合適的接口模塊和芯片，獨立完成軟硬件設計和調試，分析并解決實驗中出現的問題，在解決問題的過程中要進一步加深對單片機軟硬件系統的理解和認識。通過綜合應用實驗能幫助學生全面掌握所學單片機知識，充分挖掘學生的創新能力，培養他們的綜合應用設計能力以及解決工程實際問題的能力。

二、教學方法的改革

學生在初次接觸單片機一般是聽教師介紹單片機在眾多領域的廣泛應用，了解學好單片機的重要性和必要性后會對單片機產生濃厚的學習興趣，但是隨著后面對單片機內部硬件結構以及匯編語言指令系統的、空洞的、枯燥的理論知識的學習后，學生又會慢慢對單片機失去興趣，這就是傳統的單片機教學只重理論而忽略實踐導致的結果。所以，為了提高學生對單片機課程的學習興趣，激發學生學習的熱情，在整個單片機教學過程中，一定要重視實驗教學，打破傳統的先是單片機硬件知識，然后是匯編指令系統及編程設計，再是單片機的中斷系統及定時器/計數器、存儲器及I/O口擴展、串行通信的這種循序漸進的教學方法，而是以單片機的應用為目標，結合基本的工業控制系統中的具體應用，將課堂理論教學與實驗教學相結合，先讓學生觀察實驗現象，通過所見即所得的實驗來講解各種指令的編程方法，順便介紹相關的基本概念及產生這種現象的硬件原理，從而使學生掌握單片機的硬件知識及軟件編程方法。

目前，我校采用的是浙江天煌教儀研發的THGQC-1型嵌入式單片機（80C51）實驗開發系統。例如，在做其中的8155交通燈控制實驗（用8155并行接口芯片的PC口驅動發光二極管模擬十字路口的交通信號燈）時，可以讓學生先觀察實驗現象得到感性認識，然后再引導學生思考產生這些現象的原因，包括控制各信號燈亮或滅所涉及的硬件資源和軟件編程內容以及如何通過改變單片機的定時器/計數器的計數初值來改變定時時間等。最后，在學生理解基本原理、概念和編程思路的基礎上，結合實際生活中需求設計交通信號燈。例如，假設某個十字路口，早晚上下班高峰時間東西方向的車流量遠大于南北方向的車流量，這時就可以將東西方向綠燈時間調長一些，而南北方向綠燈時間調短一些。根據不同時間段車流量的不同，設計一個能夠根據每天的時間段調整各方向信號燈的亮/滅持續時間，以確保四個路口的紅黃綠燈能協調工作。這樣，通過由淺入深，舉一反三，從各個不同的角度考慮實際產品研發過程中涉及的問題，不僅使學生對單片機理論知識有了深入的理解和掌握，而且能夠激發學生的主觀能動性，調動學生的積極性，潛移默化地提高學生的獨立思考能力、獨立操作能力和分析問題、解決問題的能力，這對培養創新意識和創新能力非常有效。

本文根據單片機課程的特點和培養學生實踐創新能力的要求，對實驗教學內容和教學方法進行了研究和改革。教學內容方面，把實驗內容分為初級軟件實驗、硬件接口實驗和綜合應用實驗三部分，通過合理安排三部分的具體教學內容使學生在熟練掌握Keil.Vision2仿真軟件和單片機程序設計方法的基礎上，理解和掌握單片機的各種硬件接口的原理和使用方法，最后通過綜合應用型實驗進一步提高學生對單片機知識的綜合應用能力和創新實踐能力。教學方法方面，打破傳統的循序漸進的教學方法，以單片機的應用為目標，結合基本的工業控制系統中的具體應用，先讓學生觀察實驗現象，通過所見即所得的實驗來講解各種指令的編程方法，順便介紹相關的基本概念及產生相應現象的硬件原理，從而使學生掌握單片機的硬件知識及軟件編程方法。發揮學生在實驗中的主體作用，在掌握初級軟件和硬件接口實驗的前提下，根據現實生活中控制功能的需求，研發創新型綜合應用實驗，提高學生獨立思考、獨立操作能力和分析問題、解決問題的能力，培養學生的創新意識和創新能力。

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？誗編輯 薛直艷