“單片機原理與應用”課程教學改革

張德寧，蔡振江，張 夢

(河北農業大學機電工程學院，河北保定071001)

單片機原理與應用是河北農業大學電氣信息類專業和自動化專業的基礎課，通過對該課程的學習，要求學生掌握單片機硬件結構和軟件編程，具有在本專業及相關領域中的單片機開發能力［1］。由于該課程比較抽象，學生剛接觸的時候較難入門，難以了解單片機的整體結構，從而對單片機的學習失去信心，學生普遍認為課程難學;教師認為課程難教。為此，任課教師都在探索提高該課程教學效果的方法［2-4］，這些方法一定程度上提高了單片機原理與應用課程的教學效果，但是仍然存在一些問題，下面分別從課堂教學、實驗教學、實踐教學、課程考核4個環節介紹課程教學與課程考核中存在的問題及解決方法。

初學單片機課程的學生大多數對該課程沒有好的印象，課堂上聽課難以聽懂，實驗課上不明白實驗原理，不能正確使用實驗儀器和開發環境;實踐課中對老師安排的設計內容沒有頭緒，無從下手;復習考試覺得記憶內容太多，不知道如何復習等諸多問題，導致學生對該門課程失去興趣，甚至產生畏懼心理。

一、當前單片機教學中存在的問題

學生對該課程產生畏懼心理的根源在哪，如何正確引導初學者輕松入門，如何培養學生的學習興趣、學習主動性，成為現在很多高校教學改革的研究方向和主要內容，下面從課堂教學、實驗教學、實踐教學和課程考核4個環節介紹一下當前單片機教學中存在的問題。

(一)課堂教學

課堂教學包括教學內容和教學方法、教學手段兩個方面:

1．課堂教學內容。單片機原理與應用課程以MCS-51單片機為對象，包括單片機硬件結構和程序設計兩部分內容，硬件結構部分主要包括存儲器結構、并行I/O接口、定時器/計數器、中斷系統、串行接口等內容，這些內容固然重要，但在此基礎上缺乏對單片機發展現狀及主流單片機的介紹，缺少對單片機系統整體結構及工作過程的介紹;單片機程序設計部分主要講解匯編指令和匯編程序設計，教材用了很大篇幅講解匯編指令，講的過慢就會占用后面內容的時間，講得過快學生難以接受，因此需要對匯編指令部分內容進行調整。另外，現在電子系統的開發絕大多數采用C語言，課程教學與企業需求不一致，使教學與應用相脫離，企業需求與高校培養不能接軌。

2．教學方法和教學手段。傳統的教學方法是教師在講臺上講，學生在下面聽，學生學習的主動性和積極性不易發揮，教師為了完成教學任務采取滿堂灌，學生只能被動聽講，違背了以學生為主體，以教師為主導的教學理念;教學手段主要采用板書和多媒體，因單片機硬件結構主要由電路圖組成，編程語言主要有英文字母組成，枯燥無味，難以記憶，以存儲器結構為例，其內部結構看不見、摸不到，聽起來抽象難懂，僅使用傳統的教學方法和教學手段開展教學過程，學生很難理解什么是單片機，有哪些用途，用在哪些場合，如何使用，學生不知道因何而學，如何去學，學習興趣受到影響，因此需要對教學方法和教學手段進行改革。

(二)實驗教學

單片機是一門培養學生動手能力的課程，學生只有自己動手設計電路、編寫程序、進行仿真調試，才能更好地掌握課程的理論知識和系統的實際應用。傳統實驗教學中，學生基本上是按照實驗指導書上規定的步驟進行實驗，機械性地完成實驗內容，動手能力很難得到鍛煉，達不到實驗教學效果。目前，我校單片機教學實驗課存在的問題有兩個。

1．實驗課課時偏少，內容陳舊。例如電氣工程及自動化專業的理論課時為46學時，而實驗課時僅為10學時，試驗箱的認識與開發環境的學習要用2學時，剩余的8學時只能為學生開設一些基本的驗證性實驗，無法完成綜合性實驗。

2．實驗手段單一和實驗設備陳舊。傳統實驗教學采用實驗箱方式。由于一套實驗設備價格較高，導致實驗教學資源更新慢，難以跟上單片機系統發展的節奏，且使用壽命較短，加之學生對試驗箱不了解，帶電插拔大大縮短了試驗箱的使用壽命，導致試驗箱燒壞而無法使用，只能依靠仿真軟件對實驗進行仿真，影響了教學效果。另外，實驗指導書中有參考程序，有些同學不經思考就將程序直接復制過來，進行編譯和調試，因程序都是驗證過的，一般不會出現錯誤，學生觀察到正確現象，便以為掌握了整個實驗，整個過程中沒有遇到問題，無法有效地鍛煉學生動手、動腦解決問題的能力，所以無法達到實驗課原本的效果。

(三)實踐教學

理論講解過多，實踐應用缺失，無法給學生提供實踐平臺是現在單片機教學中存在的最大問題。因為課程性質的原因，要真正掌握單片機的使用，實踐環節必不可少。實踐環節主要通過課程設計進行，課程設計的教學目的是讓學生將理論知識與實際應用相結合，設計一個簡單的單片機小系統，在設計過程中進一步掌握硬件電路的制作過程，熟悉軟件編程、排錯調試及相關儀器儀表的使用方法，為以后能夠完成單片機應用系統的開發打下基礎。我校只有電子信息工程專業有單片機課程設計，時間也較短，只有1周，電氣工程和自動化專業沒有設置課程設計;因此，我校單片機原理及應用課程的實踐教學環節需要進行改革。

(四)課程考核

目前單片機原理課程考核環節也存在一些問題。學生為了考試而學習，偏離了學習的目的。現在學生的成績考核組成為平時成績占10%，期末考試占60%，實驗成績占20%。在2011年之前期末考試主要考核基本理論知識，試卷中記憶型題目較多，且程序設計題也比較簡單，考查學生對知識的應用和實踐類題目幾乎沒有，這樣的考核方式無法客觀地考察學生學習的實際效果，學生通過考前突擊也能取得不錯的成績，不能達到課程考核的真正目的。為擺脫應試教育的不利影響，引導學生明確學習目標，必須對考核方法進行改革。

課程考核的另一個問題是考試形式單一(閉卷考試)，該課程記憶性內容較多，學生往往因為記不住一個小環節而放棄一道題的解答，因此，應當拓寬考試方式與形式。另外，同專業多人講授時，考試試題不統一，試題難易程度也不盡相同，這樣導致同專業的學生沒有相同的評價標準，對學生專業評定產生不利因素。

二、解決方案

(一)課堂教學環節

教學內容上，以MCS-51單片機為主，除了講解大綱規定內容外，簡單介紹主流單片機的應用，并通過對日常生活中單片機系統應用的講解，使學生知道什么是單片機，用在哪里，為下一步如何使用單片機奠定基礎。學生有了初步認識，學起來便事半功倍。為了滿足企業對人才的需求，使課程教學與企業需求相接軌，我校電氣信息類專業從2013年開始增加了C51語言程序設計部分內容，在講解匯編語言的同時，以Keil uVision軟件為平臺，介紹C51程序設計，并且在課程考核中鼓勵學生使用C51語言編寫程序。這樣，學生既掌握了匯編語言，又了解了 C51的開發過程，能根據實際系統需求，發揮兩種編程語言各自的優勢，高效地完成開發過程［5-6］。

為了提高學生對單片機的直觀認識，引入Proteus仿真軟件，使學生建立直觀的仿真思想。該軟件含有豐富的元件庫，可以設計各種單片機應用系統，學生通過該軟件既可以搭建自己需要的單片機系統，又能熟悉程序的調試方法，通過仿真過程，加深對單片機工作過程的理解［7］。

在教學方法上，除了采用傳統的“板書+多媒體”的教學方式外，嘗試討論法，項目教學法，任務驅動教學等方法。例如對于匯編指令部分內容的講解應適當減少講授學時，轉為任務驅動型學習方式，即在課堂上對常用的少數指令進行詳細講解，剩下的大部分指令以課下作業的形式留給學生自己學習。這樣既能為課程流出時間講解單片機的系統應用，同時又可以培養學生自學能力。

針對學生們普遍反映抽象難懂的存儲器結構一節，在實際教學中采用類比的講解方法，將存儲器比作大學宿舍樓，每個宿舍作為一個存儲單元，宿舍號就是相當于存儲空間地址，宿舍里的8位同學相當于存儲單元中整字節的數據，每個同學代表一個數據位，這樣特殊功能寄存器可以比作宿舍樓里具有特殊功能的房間，字節尋址是一個宿舍的8位同學必須同時進出宿舍的尋址方式，位尋址是宿舍的每位同學都可以單獨進出宿舍的尋址方式。經過這樣的舉例，學生很容易理解存儲器、存儲單元地址、存儲單元內容及數據位之間的關系，也會很輕松地理解字節尋址和位尋址的區別。

在教學手段上，除了采用傳統的教學手段外，可以觀看小動畫給學生展示一些單片機的小制作、小應用的實物，并針對這些實物多與學生交流、討論，通過這些展示培養了學生的學習興趣，變被動學習為主動學習。

(二)實驗教學環節

針對實驗課時偏少，實驗內容陳舊等問題，應適當增加實驗課時，在此基礎上增加應用較廣且能增強學生動手能力的綜合性實驗。學生通過這些實驗不僅掌握了課本知識，提高自己的動手能力，同時對單片機的工作過程有了深入的了解。

對于實驗手段單一的問題，引入Proteus軟件進行實驗教學，該軟件可以在沒有硬件的條件下，僅僅利用計算機便可以實現硬件和軟件的同步仿真。學生首先需要將各元件進行連接，然后根據要求編寫程序，并進行仿真。學生經過上述步驟的練習，進一步了解了實驗的原理，實踐證明該軟件的使用取得了較好的教學效果。

試驗箱價格較高，投資成本大，不宜更新。因此從實用性和性價比綜合考慮，應選用適合大學生的單片機開發板，其成本較低，容易實現更新換代，且開發板上處理器具有ISP功能，省去了仿真器;為了避免學生機械性的去復制已有程序，將每次實驗分為兩部分，一是基本實驗，這部分學生可以參照已有程序完成，二是在此基礎上的拓展實驗，這部分需要學生在掌握本節實驗內容的基礎上發揮自己的能動性和創造力，學生在此過程中會遇到各種問題，這就培養了其解決問題的能力。

(三)實踐教學環節

實踐環節的改革主要是引導學生參加電子設計制作等課外實踐活動，首先是要在電氣工程專業和自動化專業開設課程設計實踐教學環節，課程設計的時間以2周為宜;二是要改革課程設計的內容，難度不宜太高，要有一定廣度，能夠包含課程的各個主要環節，如硬件電路原理圖的繪制，PCB印制電路板圖的繪制，器件的焊接，程序編寫、下載、調試等過程。最后提交完整的設計報告。在設計過程中，由老師布置設計任務，并引導學生拓寬思路，嘗試不同方案解決同一問題，鼓勵學生查找故障所在位置，耐心分析導致錯誤的原因，并培養其獨立解決問題的能力。通過實踐環節的訓練，使學生掌握單片機的硬件設計和軟件開發能力，通過課程設計教學環節，學生能夠了解單片機應用系統開發的整個流程，為以后從事單片機系統開發工作打下良好基礎。

此外，筆者在機電工程學院電氣系四樓建設了創新實驗室，學生可以在此完成自己感興趣的小制作，有高年級的同學進行設計指導，充分激發了學生學習、應用單片機的興趣。

(四)課程考核環節

對于課程考核存在的問題，筆者以培養學生獨立創造力為目的，改革考核形式。從2012年開始，增加了應用型設計題目的比例，近4年的試題類型及所占分值如表1所示。

表1 2011—2014年單片機原理與應用課程試題分值結構

由表1可以看出，近4年內單片機原理課程考試題型中客觀題的比例逐年降低，增加了主觀題比例，特別是應用型題目的比例。近4年中應用型題目的平均得分如圖1所示。

由圖1可知，學生對應用型題目的得分呈逐年上升趨勢，改革起到了效果。

針對考試形式單一，適當改變課程考核方法，嘗試采用閉卷和開卷相結合的考核方式，盡量減少死記硬背的題目比例，轉而考察學生對知識的應用能力。當多名教師任同一門課程時，建議由各系教研主任負責召開教研室會議，推薦1人單獨命題或者2人共同命題，以保證各套試卷之間內容的協調。考試命題須由命題教師填寫試卷命題審定表，由課程負責人審查后上交教務處審批。

圖1 應用設計題目4年平均得分

(五)素材庫建設

單片機原理與應用屬于應用實踐類課程，課程學時有限，學生很難在課堂上掌握單片機的應用和系統設計方法，教師也沒有太多的時間給學生講授工程應用實例。若想讓學生牢靠的掌握理論知識，并具有一定的實踐操作和動手能力，就需要課堂教學以外的第二課堂。教學素材庫的建設可以彌補這一缺陷，滿足課程建設以及教學需要，整合優秀的教學資源，實現資源共享，提高教學質量。教學素材庫建設的目的及作用有以下兩方面。

1．教師能根據素材庫提供的課程教學任務、教學素材、教學方法、教學案例等現有資源構思自己的教學方案，使用多媒體課件庫進行教學，使用習題庫完成作業布置，使用案例庫中的生動案例培養學生學習該課程的興趣。

2．學生可通過素材庫獲得自己所需要的教學資源(習題、案例、軟件等)便于課余時間學習;學生可通過素材庫中任務模塊完成自己感興趣的小電子制作，培養其對知識的運用能力;學生可通過素材庫提供的交流平臺與教師和其他同學進行經驗交流，相互借鑒，共同進步。

三、結語

通過分析單片機原理與應用課程在課堂教學、實驗教學、實踐教學、課程考核等4個環節中存在的問題及解決方法，在改革過程中結合農業院校工科學生特點，以學生為主體，教師為主導，充分注重理論與實踐相結合的原則，因材施教，提高了單片機原理與應用課程的教學效果。

［1］ 張松燦，徐迎曦，付主木，等．單片機原理及應用課程教學改革的探索［J］．中國電力教育，2010(27):72-73．

［2］ 劉志壯，張文昭，周文真．單片機原理課程教學改革研究與實踐［J］．當代教育理論與實踐，2014(9):48-50．

［3］ 孟建，劉瑞祥，劉永啟．單片機原理及應用試驗教學改革研究［J］．中國電力教育，2013(11):97-98．

［4］ 石明江，顧亞雄，張禾．單片機原理與應用課程教學改革與實踐［J］．計算機教育，2011(6):11-13．

［5］ 趙麗清，惠鴻忠．單片機原理與C51基礎［M］．北京:機械工業出版社，2012．

［6］ 郭天祥．新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發、拓展全攻略［M］．北京:電子工業出版社，2010．

［7］ 徐愛鈞．單片機原理與應用——基于Proteus虛擬仿真技術［M］．北京:機械工業出版社，2011．