單片機基礎課程教學改革研究

吉鶴　孫秀玲

摘 要：嵌入式技術是當今電子信息領域應用最廣泛的技術之一。作為嵌入式系統教學基礎和核心的單片計算機基礎課程教學，有著自身特殊性。本文在分析單片機教學特點及現狀基礎上，介紹了在單片機基礎教學相關的宏觀問題、教學改革的核心思想、單片機理論和實踐教學等方面的改革探索，提出從知識點講授到以項目為主線的教學改革、注重單片機課程與相關課程的良性互動等觀點，介紹教學內容和體系調整、基于項目引領的實踐教學模式和多種實驗手段綜合運用的實踐教學方法以及實施過程和取得的教學效果。

關鍵詞：單片機 基礎課程 教學改革 教學效果

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0118-02

單片機基礎課程涉及計算機原理、電子、感測和控制等多學科技術，要求較高的電子技術、數字邏輯和程序設計能力。課程內容抽象，實踐依賴性強。從經典課程的公式推理演算到單片機的數字邏輯、軟硬件結合，是一種全新的學習方式，傳統的教學方式在這門課中表現出較多的不適應性。以下是在單片機基礎課程教學改革實踐中的若干體會。

1 單片機基礎課程教學改革的核心思想

1.1 從知識點講授到以系統設計為主線的教學改革

我國高校在20世紀80年代初開始在少數高校開設單片機課程，面向電子和計算機專業高年級本科生和研究生，教材內容基本是單片機生產商提供的技術手冊、匯編程序設計和計算機原理與接口技術的綜合體。目前單片機教材雖然較多，但基本延續了這種傳統的教學思路，即以單片機的知識點為主線進行單元技術教學。隨著單片機教學在各層次學校的廣泛普及，這種教學思路顯現了明顯的不適應。系統設計性內容缺失和細節內容深度不夠，使一般學生在實際應用過程中仍然會遇到許多迷茫的問題。

目前單片機基礎課教材的一個普遍性的問題是教學集中在分散的各個點，而對單片機系統整體結構性考慮不夠；重在局部和單元模塊，缺乏組織成項目的考慮。這種問題嚴重地體現在系統軟件設計中，一般學生會做例題和作業，不會設計解決實際任務的系統軟件。因此，單片機基礎課程教學改革的一個重點就是從知識點講授到以系統設計為主線，基于課程整體性并結合項目系統整體性考慮實施單元教學，重點提升學生系統性、綜合性設計能力。

1.2 單片機與其它課程教學形成良性互動

在目前課程體系中，考慮到知識銜接關系，單片機課程在模擬電子技術、數字電路、計算機組成（微機原理與接口）、匯編程序設計等課程之后，一般安排在第6學期。這個安排的問題是學生實際綜合應用及拓展學習的時間較短。這在單片機進入我國高校的早期階段僅高端學生學習的情況下是合理的，在目前單片機普及教學情況下，作為工具和重要的學科基礎課，單片機課程應盡早讓學生掌握，對其熟練和提高系統設計能力、提高學習興趣、結合和促進其它課程學習將產生良好作用。

單片機基礎課程涉及到的模擬電子技術、數字電路等知識，是相對簡單的，在課程中從應用的角度介紹即可，對單片機課程的教學沒有影響。實際上，有些同學從大一就開始自學單片機而且都取得了很好的效果，這對我們教學是一個很好的啟示。

2 單片機理論教學的改革

單片機教材最初源于單片機生產廠家技術手冊、匯編語言程序設計和計算機組成與接口技術的綜合。單片機應用初期面向對象是重點院校電子和控制專業的學生和科研人員。傳統的授課方式是以知識為驅動，知識點之間比較分散，學生學完之后沒有系統的概念，缺乏貫穿所有知識的主線，形成不了體系。這種教學方法亟待改革。

2.1 以項目為主線

系統結構性設計是一個重要的教學內容。從宏觀教學的角度考慮，我們將整個教學內容設計成基本涵蓋了本課程全部教學內容的一個項目，基于課程整體性并結合項目系統整體性考慮實施單元教學。對結構性的適當變化和局部內容的取舍，即可衍生和變化為其它的應用系統。通過這樣的教學設計，學生加大了對課程的興趣，逐漸地積累成就感，并最終能較快地進入系統設計者的角色，能較好地完成實際應用系統的設計。

2.2 整體與局部關系

基于項目為主線的教學設計，在講述局部技術的同時進行系統結構性的教學，使系統整體性的考慮體現在局部中。

例如LED數碼管動態顯示、步進電機驅動等技術，在目前教材中基本都是完成單一這類功能的小程序，而在實際應用系統中，這些功能要與系統核心任務并行執行，是一個“多任務”的概念，不能簡單地將教材示例的單一的小程序搬到應用系統中。其它如結合鍵盤掃描和多級LCD菜單形成多任務下的人機交互通道這些系統性內容的考慮，在單元教學中都要考慮到。

2.3 教學內容和體系調整

調整應用匯編和C語言教學的比例。匯編指令有助于對單片機硬件的學習，程序代碼短、速度快，較多地應用在對時序有嚴格要求的測控系統中。隨著單片機硬件和軟件編譯技術的發展，代碼長度和速度已不是主要問題，重在軟件質量、開發周期和開發維護成本，大多數場合應用匯編的必要性已不存在。因此教學應以C語言為主，匯編只講解指令原理、尋址方式、必要的指令和在C語言中嵌入匯編程序的方法和實例。

調整單元模塊教學順序。現有教材中一般將人機交互設計的內容放在最后，這不利于學生自主實踐。由于無法實施對運行過程必要的監測，使其在沒有仿真系統情況下調試有相當的難度。因此，將人機交互部分盡可能地提前可達到很好的效果。

單片機基礎課程傳統教學對新機型和新技術介紹較少，應做適當的補充。增加IIC、SPI、PS/2等相關技術和應用的介紹、對其它典型單片機如AVR簡要的介紹，使學生在掌握基本單片機技術基礎上，能更容易地進入到高級層次的應用。

2.4 挖掘基本知識內容的深度

把MCS-51單片機基礎知識講透徹，對后續嵌入式系統深層次學習可打下良好的基礎。以外中斷的重復響應和堆棧的溢出問題為例，學生在實際應用中經常遇到，但在教材中沒有相應的說明。前者是由于外中斷請求信號有毛刺，即使在進入中斷立即屏蔽中斷，且中斷請求信號已經撤銷的情況下，在退出中斷后還將引起此中斷的重復響應。問題在于對中斷請求信號、請求標志和響應過程這些基本知識講述不到位；后者是對堆棧空間位置、容量及系統對堆棧使用沒有準確概念。類似的因基本知識講述深度不夠，導致學生困惑的問題還有很多。因此要注重研究實際應用中典型問題背后的原因，深化和細化基本知識的講授，這對實際應用和提高可起到至關重要的作用。endprint

2.5 理論課中的實踐內容

單片機是一門實踐性極強的課程，該理論課不講授實驗實際是一個誤區。在理論課應用Proteus做部分仿真實驗，實驗效率高、理論教學效果好，并可達到擴展學習到課外的效果。因此，需協調好理論與實驗課關系，對仿真實驗學時做一定的硬性要求。

另一個問題是系統調試技術的教學。系統調試是初學者開發單片機應用系統的一個難點，特別是在無仿真器情況下進行軟件調試。因此，在理論課中講述初等調試技術是有必要的，例如用示波器、LED顯示測信號、串行通信監測程序流程等。使學生提高系統設計和調試技能的同時，提高了實驗課效率，使實驗課有更多的時間用于綜合性實驗中。

3 實踐教學模式的改革

3.1 基于項目引領的實驗模式

我們許多課程的實驗課教學模式，基本上都出于傳統的公共基礎課實踐教學。其特點是對單一某個理論教學內容進行實驗演示和驗證。由于思維的慣性，這種傳統自然也延續到單片機實驗課中，致使學生綜合性實驗能力較弱，完成課程設計和實際應用設計的難度較大。

作為嵌入式基礎和初級應用的單片機基礎課程，其最大特點是工程性。單片機本身是一個強大的系統集成工具，學生在專業知識基礎上用單片機及相關器件進行綜合分析和設計，最終要制作出滿足用戶要求的產品。因此，單片機實驗課的主體思路是綜合性、工程性。

基于這一點，我們對實驗課在宏觀上調整為基于項目引領的實驗模式。首先是將基礎性實驗以Proteus軟件仿真形式在理論課上實驗和演示；其次是配合理論課將整個學期的實驗課安排成一個應用項目，將整個項目按照內部資源、擴展資源、前向通道、后向通道和人機通道等部分分解成各個模塊作為每次試驗課的內容。學生在完成單次試驗的基礎上，從軟硬件的角度對項目整體架構不斷地加深認識和理解，最后完成一個項目的全過程實驗。在這個過程中，學生不斷地積累系統級分析設計的能力，不斷地積累著成就感。學生增強了對實驗課的興趣，大幅提高了單片機實驗課的效率和效果。

3.2 多種實驗手段的綜合運用

現在高校學生基本上都基于實驗箱做實驗。相對于傳統實驗手段（手工焊接或用面包板），實驗箱在單片機應用系統的軟件實驗方面具有優越性，但在硬件實驗方面，則現出其明顯的弊端。學生按照實驗指導書的指示在實驗箱上連接各端子，學生大多不去了解這種連接后形成的電路；沒有從設計、元器件連接、調試到完成全過程的鍛煉；實驗箱資源有限；不能進行多種硬件方案的試驗、硬件電路的優化設計和創新。

我們根據實驗不同分別采用不同的實驗手段。應用面包板的實驗，側重于自己設計電路實驗方案、創新潛能的開發和硬件系統級調試技術的學習；手工焊接的實驗側重于實際動手技能和模塊及硬件調試方法的學習和鍛煉；應用試驗箱的實驗則重點側重于復雜系統的編程和軟件調試。同時，這些實驗手段的綜合應用，給學生創造了一個寬松的軟硬件實驗環境和發揮創造性的空間，增大了實驗課的吸引力，促進了對理論教學的理解，達到了很好的效果。

3.3 發掘第二課堂的深度和廣度

單片機課外教學活動是可行和必要的。組織成立學生課外活動小組，為學生設計階段性任務。這些任務可以是承擔科研項目的分解部分，也可以是有意義和價值的小題目。學生的任務可以指標化，小組實行優勝劣汰。這對學生提高課程興趣、加深理解、拓展知識和帶動整體學習起到了重要作用。

每年一次由教育部和信息產業部共同舉辦的大學生電子設計競賽，是一次極好的單片機實踐教學活動。要進行規范整理，優化模塊設計，使之成為標準件，進而成為教學資源，進而促進教學教改工作進展和良好學風校風的建設。

4 結語

單片計算機是技術發展快速的IT前沿技術。要改變思路，以特別的眼光研究這門特殊的課程。我們從教學體系、理論教學、實踐教學和自主學習等全方位進行的研究探討，在教學實際中呈現了良好的效果。

參考文獻

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[2] 吉鶴.電子信息專業課程體系與實踐教學的探討[J].光電教學與研究，2009（1）.

[3] 汪萬維.單片機課程教學改革探討[J].武漢大學學報（理學版），2012（S2）：95-97.endprint