對比教學法在單片機課堂教學中的應用

李杰　青小渠　任堰牛

摘要：產品多樣性是單片機區別于通用計算機的主要特征和重要優勢。傳統教學通常以MCS-51單片機作為授課內容，這不僅不利于學生理解多樣性特征，同時與實際運用也存在一定脫節。文章提出將對比教學法引入單片機課堂教學，通過對比主流單片機結構和功能異同加深學生對概念的理解，同時大大豐富單片機授課內容，強化與實際運用的結合。

關鍵詞：對比教學法；單片機；嵌入式系統；教學

0 引言

單片機技術課程作為工科專業的必修課程，受到普遍重視。目前，全國高等院校計算機科學與技術專業和電子信息類專業已普遍開設單片機相關課程，各個高校開設的單片機課程一般以51單片機作為授課內容。MCS-51系列單片機是單片機發展史上的里程碑，無論在結構上還是功能上都有很多可借鑒的地方，將其作為單片機課程的主要授課內容本無可厚非，然而隨著單片機技術的發展，以PIC、AVR、ARM為代表的新型單片機技術迅速崛起，使得單片機多樣性特征日趨凸顯。多樣性帶來的是運用的靈活性，令用戶在成本、功能、耗能等各方面有更多選擇。同時，多樣性也是單片機區別于通用微機的重要特征。

單片機技術教學應該如何改革才能適應這一新的變化？這個問題是擺在每個單片機教學工作者面前的新課題。對比教學法作為一種十分有效的教學手段已廣泛運用于許多教學領域，合理對比相關事物的異同能夠迅速加深學生對知識點的理解，開拓學生視野，豐富授課內容。提出將對比教學法引入單片機課堂教學中，通過對比不同類型單片機在結構和功能上的共性和差異，達到溫故知新、舉一反三的教學目的，是單片機技術教學改革的一次有益嘗試。

1 對比教學法的內涵及作用

明確事物之間相同點和不同點的思維方法就是對比，而對比教學法就是在知識深度和廣度的基礎上，以比較為基礎，找出兩個不同對象之間的相同點和不同點，然后以此作為依據，將有關知識和理論遷移到另一對象上。對比教學的關鍵在于抓住對比事物間的“共同性”，通過舉一反三，再找出對比事物間的“差異性”，從而更好地區分不同事物。

與傳統教學方式相比，對比教學法有以下幾個顯著優點：

（1）通過對比差異迅速加深學生對概念的理解；

（2）通過課堂上教師示范對比的思維方法潛移默化地影響學生的思維方式，鍛煉學生的學習能力；

（3）溫故知新（縱向比較），將新知識點與學生已學習過的知識點作對比能有效幫助學生鞏固舊有知識；

（4）舉一反三（橫向比較），將新學知識點與同類型知識點作對比能有效擴寬學生知識面，開闊學生視野；

（5）增強學生學習積極性和實際應用能力。

當然，在日常教學活動中運用對比教學法還要注意針對不同內容及知識點，合理靈活地運用不同對比方法。例如，為有效利用課堂時間突出重點，只針對重點知識進行對比；在對比時引導學生不僅要找出對象的異同，還應該深入思考導致這些異同的原因，應讓學生注意到不是每組對象都適合進行對比。合理選擇對比對象才能達到良好的教學效果，否則就會適得其反，導致學生分不清重點，產生思維困惑。

2 對比教學法與單片機課堂教學

目前單片機課堂教學內容一般包括單片機概述、單片機硬件結構、指令系統、單片機功能擴展、單片機接口與應用、單片機C語言應用程序設計等幾大部分。我們在日常教學實踐過程中發現各部分均可引入對比教學法進行擴展教學，但考慮到課堂時間限制，因而在實際運用中根據教學大綱要求適當選取各章節重、難點進行比較。

1）通過對比單片機相關概念，加深學生理解。

單片機課程概念和知識點較多，學生在學習過程中應盡量避免死記硬背。經過分析后我們發現許多概念在學生前序課程中已有所涉及，如中斷、中斷源及中斷優先級的概念在微機原理及應用中出現過，ROM及一次性可編程的概念在數字電子技術中也有介紹，抓住概念的共性和內涵，能迅速增強學生對知識的熟悉度，從而達到溫故；具體到51單片機，它有5個中斷源，兩級優先級，這是在學習概念的外延，同時也是在對比和通用微機的差異，即為知新。另外，還有一些概念可以通過橫向比較達到舉一反三的作用，如雙向并行I/O口的概念在51單片機中有真雙向口和準雙向口的區分，而在PIC和ARM中雙向并行I/O口都是雙向I/O口，但需要通過設置寄存器配置其輸入、輸出屬性。

2）通過對比不同單片機體系結構，強化學生對硬件結構的認識。

單片機硬件結構一直是單片機教學的重難點之一，一方面其概念較多，結構框圖復雜，很多知識點需要學生在理解的基礎上記憶；另一方面，學生在學習時感覺內容枯燥，學習興趣不高。其實，計算機體系結構歷來有馮·諾依曼結構和哈佛結構之分，單片機作為計算機的一個分支也承續了這個區分，如MCS-51系列單片機采用馮·諾依曼結構，而PIC單片機采用哈佛結構。兩者共同點在于都使用ROM存儲程序，用RAM存儲運算數據且CPU都是先從ROM中取指令然后將運算結果放到RAM中。兩者差異體現在前者采用單總線結構，將所有部件掛在同一根數據總線上，這種結構使得CPU取指和執行無法同時進行，但結構相對簡單；而后者采用雙總線結構，專門用一根程序總線負責從ROM取指，而用另一根數據總線傳送運算數據，該結構允許取指和執行同時進行，從而實現流水線作業。

通過以上分析不難看出，對比教學法從一個新穎的視角審視MCS-51硬件結構，開闊了學生的視野，加深了學生對硬件結構的理解，同時也增強了學生學習此類知識的學習興趣。

3）通過對比幫助學生掌握單片機對外擴展的通用方法。

單片機對外擴展的內容和方法歷來是單片機課堂教學的重點內容，也是實際應用的必備知識。MCS-51系列單片機常用對外擴展方式看起來規范、簡潔，但實際上與其他類型單片機并不十分兼容。例如，雖然都采用三總線對接并配合嚴格時序的策略實現對外擴展功能，但是MCS-51中存在P0這樣的地址/數據復用口，它與P2口聯合完成16位地址輸出，同時P0又兼作對外輸入輸出數據線，除此之外，51單片機還有專門的控制線和控制信號輸出，如PSEN、WR等；而PIC、ARM等單片機并沒有提供專門的地址信號線和控制信號線，因此在擴展時是通過通用I/O線“模擬”上述總線并通過編程實現信號輸出。事實上，采用“模擬”方式進行擴展正是一種通用的單片機擴展方法，適用于絕大多數單片機類型。由此可見，通過對比教學不僅能夠擴展視野，還能進一步歸納總結知識，實現知識的升華。endprint

4）單片機指令系統對比教學。

學生在學習單片機指令系統過程中常感到比較吃力且積極性不高，究其原因一方面是指令系統知識點繁多，學生掌握不易，另一方面是學生課后疏于練習，尤其是近年來隨著PIC、AVR等單片機市場占有率的提升，在實際應用中學生往往需要從頭學習新的指令系統，這無疑會影響學生學習51指令系統的積極性和主動性。如果在指令系統教學中合理使用對比教學法，就可充分發揮其舉一反三的優勢。例如，數據傳送類指令是將數據從一處存儲單元傳遞到另一處，那么在51、PIC、AVR中分別采用何種指令實現傳送呢？又如，算數運算類指令運算結果會影響程序狀態標志，那么該影響對于不同類型單片機有何異同等。

3 改變考核制度和考核內容

單片機的考核形式和內容一直是單片機教學改革的重要方向。對于單片機課程學習效果的傳統評價方法無非考試，而考試題目無論如何變化，學生總難逃脫死記硬背。單片機是十分注重實際運用的課程，教師一方面可以通過增加實驗部分的比例，減少期末結業考試的比例，促使學生更加重視實踐環節；另一方面可以在試題中增加綜合比較及分析設計題型，以考查學生對概念理解的深度和廣度以及對比分析能力。

4 結語

實踐證明，在單片機課堂教學中合理運用對比教學法是提高教學質量的有效途徑，有利于提高學生掌握知識的深度和廣度以及學習的主動性和積極性。同時，為了實現更好的教學效果，最好選擇配套的教材和實驗設備。此外，虛擬實驗平臺的運用也是對比教學的有益補充。

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（編輯：宋文婷）endprint