單片機原理與接口技術課程教學模式改革探索

丁保華 張有忠

[摘 要]單獨開設單片機原理與接口技術的理論課程和實驗課程，教學內容及其系統性大大增加了。理論教學內容模塊化，采用貫穿的實例將知識點構成有機的整體以及軟件虛擬仿真教學，使課堂教學前后連貫、生動形象。獨立實驗克服了實驗受課堂教學的束縛，時間靈活，選修實驗有效增加，激發學生實驗的主動性，有利于學生的專業培養和個性發揮，切實提高教學效果。

[關鍵詞]課程教學 教學改革 獨立實驗 單片機

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）01-0158-03

隨著計算機應用技術的迅速普及，單片機原理與接口技術課程是作為機電等相關專業的主干課程開設的，是理論與實踐結合非常緊密的課程。[1]主要介紹一種典型類型單片機的基本硬件組成，指令系統和程序結構，單片機常用外圍接口芯片的接口電路及編程，單片機的實際系統應用等。[2]通過該課程的學習，學生具有開發單片機應用系統的初步能力，包括軟件、硬件及系統等，為后續的專業課程設計和畢業設計打下良好的基礎。為了提高單片機的教學效果，人們也不斷進行教學方法、內容、手段的改革與探索實踐，取得了一定的成績。[3] [4]不過學生仍感覺到課程內容抽象，建立單片機系統的概念困難。當然這與學生自身的相關知識儲備有關，但從單片機教學的角度出發仍然有許多方面值得教師研究和探索，切實有效提高課程的教學質量。

一、單獨開設單片機理論課程和實驗課程

單片機課程的傳統教學模式是把理論教學和實驗教學作為一門課程來進行的，也就是常說的理論和實驗混編課程，實驗形式叫課內實驗，這是大多數課程采用的教學模式。[5] [6]這種模式對實驗內容多、實踐要求很高的單片機課程教學明顯不足。

首先，是實驗學時數明顯不足且難以協調。原來的單片機課程總學時為48，其中包括安排了10個學時的實驗。這對于課程實驗學時的占比來說已經是比較高的了，但對于單片機這類課程要進行較全面系統的實踐訓練是遠不夠的，只能安排少學時的驗證性實驗，同時也給出了參考程序和實驗步驟。這樣雖然加快了實驗周期，但學生獨立思考能力、動手實踐能力和創新能力得不到有效的鍛煉。同樣隨著單片機技術的發展，串行通訊及低功耗串行器件在微控制器中的廣泛應用，要求掌握的內容也在增加和變化，38學時的課堂理論學時也是不夠的。在課程總學時確定的情況下，調整實驗與理論之間的學時分配也很困難。

其次，理論教學限定了實驗時間的靈活性和內容的擴展性。對于混編課程，課堂理論教學和實驗教學最終給出一個總成績，理論和實驗各占一部分，兩者在時間上就存在制約。一般是課堂教學結束，實驗也基本上要完成，否則將會影響考試的時間安排和成績的評定。這樣就造成實驗周期較短且相對集中，在這段時間實驗室的負荷非常高，實驗的時間安排非常緊密，靈活性受到很大的限制，甚至影響正常的實驗開展。

為了加強單片機課程的教學，特別是加強實驗教學，將原單片機原理及應用混編課程改為單片機原理與接口技術理論課（學時48）和實驗課（學時24），兩門在形式上完全獨立的課程。這不僅僅是學時數和內容的增加，而且使得課堂理論教學和實驗教學能夠根據各自的不同特點和差異，改革完善各自的教學模式及教學方法，有助于實驗教學改革，改變實驗長期作為課堂理論教學輔助地位的狀況，實現理論教學和實踐教學兩條腿走路。

二、單片機課堂理論教學模式及方法探索

對初學者來講單片機的內容抽象，同時需要一定的電子技術知識支撐，對知識綜合性、實踐性要求都比較高，學生總感覺內容零散難以構成系統應用。因此在大力加強實踐教學的同時，對單片機課堂理論教學的模式及方法等許多方面同樣需要改革和探索。

（一）模塊及層次化的教學內容組合

單片機常規教學一般都是按照教材的先后順序講授單片機的硬件結構、指令系統，匯編語言程序設計方法和技巧、定時計數器及中斷系統、串行口通訊，單片機的擴展、人機和機電接口應用等，知識點較多，前后知識有機聯系弱，難以構成完整系統性的概念。為此，從系統角度出發將單片機內容劃分為硬件結構、軟件程序、外部擴展、應用實例等四大模塊，每個內容模塊中又劃分有不同的知識層次子模塊。[7]如硬件結構模塊劃分為單片機核心基礎層（包括寄存器、存儲器結構、端口等）和片內功能層子模塊（包括中斷、定時器、串口等）;軟件程序模塊包括指令基礎子模塊和基礎程序設計子模塊等。在課程講授的開始就讓學生對單片機三大模塊的關系有初步的感受，并在后期交叉講授過程中不斷強化認識，建立知識與系統的概念。

如何建立軟硬件之間的聯系對理解單片機是非常重要的，教學中要加強軟硬件模塊之間聯系的講解。指令是編程的基礎，但一條條指令的講解又是非常枯燥的事情，因此要求學生強化課下的指令記憶，課堂上著重講解典型指令、指令對比以及和硬件存儲關系等。如傳送指令MOV、MOVX和MOVC的區別和對應存儲空間的位置;堆棧指令PUSH、POP對指針的影響及調整初始指針的原因;比較指令CJNE和減法指令SUB實現同樣功能的編程等;對于功能部件及擴展器件則加強軟件與硬件結合的講解，如何實現接口的編程。這樣使學生逐步建立單片機軟硬件系統結合的方法。

（二）適當引入虛擬仿真教學

單片機的廣泛應用使得其軟件的虛擬仿真技術也得到了迅猛的發展。Keil軟件是單片機開發軟件，它支持包括51系列等流行單片機的宏匯編及C語言的程序編譯、連接及仿真調試等;Proteus軟件電路設計和分析軟件，可以進行硬件電路原理圖設計、PCB電路板布線及電路仿真，還可以結合單片機的軟件實現軟硬件的聯合仿真。因此通過Keil軟件環境中編寫單片機程序，Proteus軟件環境中設計相應的單片機硬件電路，然后通過兩個軟件的關聯就可以模擬將程序加載到單片機中進行仿真了。[8]

在單片機的課堂教學中適當引入Keil和Proteus軟件，用它們編寫軟件、設計電路和虛擬仿真，不僅可以培養學生嚴謹仔細地編寫指令和設計硬件電路的態度，還可以使枯燥的單片機學習變得直觀、形象和生動，激發學生學習的興趣和主動性，提高教學的效果。當然，軟件仿真和單片機的實際系統還是有差異的，只是驗證其邏輯關系。但在單片機應用系統的開發過程中先在PC電腦上進行軟硬件結合的虛擬仿真，不僅可以縮短開發時間，節約硬件成本，而且使開發的初期過程變得簡單、直觀，對于既要學習單片機并不需要進行實物開發的廣大學生來說更是很好的學習軟件。

（三）一個應用實例貫穿教學始終

學生對單片機比較困惑的是相關的內容學完后認識還是比較零散，不知道該如何應用。老師在講授過程中，不同的章節也會舉一些局部的應用實例，各個實例僅僅是局部詳細的，但缺乏整體性，不同章節例題很少有關聯性，老師感覺基本應用都講解了，但學生仍難以有效建立整體系統應用的觀念。

為了強化學生單片機系統應用的理解，在教學的開始就提出一個具體的應用實例，并貫穿整個課堂教學活動中。例如溫度對學生來說是一個很熟悉的，因此就提出單片機溫度測量系統設計的實例，可以是教室的、宿舍的溫度測量，給出實時溫度顯示，并模擬給出控制信號（模擬空調電機控制）、超限報警等。教師還可將相關的內容分散到各個章節中介紹，最后構成一個完整的系統。在講解軟件程序設計時，介紹如何根據已知數（模擬采集的溫度數據）通過查找比較編程來確定溫度;在講解中斷及定時器時，介紹如何用定時中斷的方法進行定時溫度信號的采樣;在講解鍵盤及顯示時，如何設定溫度值，顯示鍵盤功能及數據，然后再返回顯示實時溫度等接口編程;在講解A/D時，以AD590集成溫度傳感器講解電壓與溫度的關系（輸出電壓可以用電位器模擬），A/D轉換后的數字量對應關系;在講解D/A時，講如何輸出電壓或電流信號，以模擬控制調節空調電機。然后進行問題實例總結，給出完整的軟件編程和硬件電路，并進行Keil和Proteus軟件的仿真。這樣學生比較容易將單片機的知識點串成一個有機的系統，有效掌握設計的基本方法。

三、單片機獨立實驗教學模式改革

獨立開設單片機實驗課程的學時數大大增加了，實驗內容的系統性得到了充分的保證，可以使學生對單片機的存儲器結構、匯編程序編寫設計、定時/計數器和中斷應用、并行/串行通訊方式、A / D和D / A轉換、鍵盤和顯示、系統實際應用等方面得到較為完整系統的訓練。與原來的單片機課內實驗的模式相比優勢是顯見的，更能反映學生實驗的本質特點。獨立課程的實驗使得實驗在時間安排上更寬泛和靈活了，不再受課堂教學的嚴格束縛，實驗時間可以安排在整個學期內。學生選做實驗項目的自由度大大提高了，前期有充足的時間對實驗內容進行預習和軟件仿真，有助于學生自主實驗的開展，實行開放式的實驗教學[9]，也促進實驗教學管理模式及方法的改革。

單片機的實驗教學中除開發系統的使用及基本編程操作實驗進行集中指導之外，大多數實驗是學生以實驗小組為單位自由與實驗室聯系，自主地決定實驗時間。不再按課堂教學時間，而是按上、下午及晚上三個單元安排實驗，這樣使學生有充足的時間進行實驗操作、分析，同時也考慮到學生快慢層次上的差異。

在單片機實驗獨立開設課程之前，實驗的學時少且實驗的時間跨度有限，實驗內容一般都是由指導教師安排的，學生主動選擇實驗內容的機會很少。而獨立開設實驗課程后，大大增加了選修實驗的內容，實驗安排上指定實驗和選做實驗的學時數基本上各占50%左右。這樣即能夠保障學生對單片機主要內容實踐的基本要求，又能讓學生可以根據自己的興趣選擇不同的實驗內容，培養自主實驗的意識和主動探究知識的動力。

四、結束語

單片機的理論教學和實驗教學分別獨立開課，使得理論和實驗的教學內容得到了加強。特別是獨立實驗課的開設，除了實驗內容更加系統化，時間更加靈活，提高學生做實驗的主動性和興趣，還有效提升了實驗教學的地位，有利于加強學生對實驗教學的重視。教學課堂采用軟件仿真和系統的實例，使得枯燥呆板的指令、電路變得生動形象，有效提高學生單片機知識的綜合和實際應用能力。單片機課程的教學改革雖然也取得了較好的效果，但對于這類實踐性要求很強的課程，需要進一步加強實驗和實驗室教學，改變傳統的課堂與實驗的認識，深化高等教育的改革。

[ 注 釋 ]

[1] 胡晶晶，李娟.虛實結合的單片機實踐教學探討[J].赤峰學院學報（自然科學版），2013（4）：206-208.

[2] 李朝青，劉艷玲.單片機原理及接口技術（第4版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[3] 姜寧，樊延虎.單片機教學改革與實踐[J].延安大學學報（自然科學版），2011（1）：45-46.

[4] 張江印.高校單片機教學模式的研究[J].實驗室研究與探索，2011（9）：103-106.

[5] 陳向奎，李元臣.單片機教學的思考與探索[J].洛陽師范學院學報，2012（5）：84-86.

[6] 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.

[7] 朱敏杰，羅珩，余亞東.改革單片機教學培養應用型人才[J].實驗室研究與探索，2012（2）：144-147.

[8] 馬華玲.Proteus+keil在單片機教學中的應用[J].高等函授學報（自然科學版），2012（4）：26-27.

[9] 王曉崗，張星，李靜，等.開放實驗教學管理研究[J].實驗技術與管理，2012（4）：155-157.

[責任編輯：鐘 嵐]