單片機課程教學改革初探

胡曉毅，解永軍

（廈門大學信息科學與技術學院電子信息實驗中心，廈門　361005）

單片機課程教學改革初探

胡曉毅，解永軍

（廈門大學信息科學與技術學院電子信息實驗中心，廈門361005）

0　引言

單片機（Microcontrollers）即單片微型計算機，也稱微控制器。它是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等微型計算機的功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統。單片機技術的出現促使了電子信息系統設計從傳統的純電子電路設計思想到以處理器為核心的智能化系統設計的變革。它已然是當今智能電子通信系統的核心靈魂部件。單片機技術的特點也決定了單片機課程在電子信息學科本科教學課程設置中的必要性和重要性。

隨著半導體集成技術以及工藝的不斷發展，單片機向著大容量、高性能和外圍電路集成化方向發展，目前，單片機已把眾多的外圍電路模塊全部集成在單片機，形成單片機的片上系統（SoC）。這就促使單片機課程必須順應單片機技術的發展，進行有效的課程內容和實驗方法改革，以便培養面向社會應用和人才市場的合格電子信息本科畢業生。

1　單片機教學課程定位和目標

從技術特點上看，單片機技術是高級嵌入式電子信息系統設計開發的基礎。單片機與嵌入式技術應用系統的相互補充，相互協調，可以研制出滿足各種不同層次需要的電子通信系統設備。單片機技術的特點決定著單片機課程擔當著培養學生如何將知識應用于實際，如何設計出可實用的智能電子通信系統的重要角色。因此，單片機課程是一門技術應用類課程，它具有很強的工程應用背景，是一門以動手實驗為主，以驅動學生自主學習，積極思維，創新設計為主體的實踐類課程。它是高校電子信息專業面向社會應用，面向市場，培養工程技術人員的重要實踐環節。因而，單片機類課程在本科教學中占有非常重要的地位。

電子通信類本科專業課程的設置，一般分為以學習理論知識為導向和以解決工程實踐問題為導向的教學計劃。課程的設置和大學的教學定位和教學目標緊密聯系的。廈門大學的電子通信專業的培養目標之一就是要培養適合社會發展的多層次的復合型人才。也就是說我們教師在課程設置和安排上既要考慮到精英教育，為研究型大學輸送學術研究人才，同時又要兼顧大眾教育，要考慮到信息社會的發展對技術和人才市場的需求，能及時為社會輸送合格的專業人才。對于單片機課程來講，我們的目標是同時兼顧大眾教育和精英教育，努力完成以下兩個方面的目標任務：①以全面提高本科教學質量為己任，夯實學生的基本技能和動手實踐能力。通過改進教學方法，通過課堂學生為主角，教師為配角的主配角關系變化，教師積極激發學生多提問題，多動手實踐，以實現提高學生分析問題、解決問題的能力為目標。②以引領學生的實踐積極性為導向，通過實驗項目設計與師生間的交流等發現和培養具有創新意識、動手能力強的學生，為本科的大學生創新項目實踐和各類大學生競賽項目輸送優質人才。③通過課程的改革，教學相長，提高教師的業務素質和教學能力。

2　現狀

單片機由于自身的技術優勢，能快速地開發并形成低功耗、小型化電子信息的商業化產品。因而，眾多器件廠家也根據不用的產品應用領域和場合，開發生產了不同型號和資源的系列單片機，方便用戶選擇合適的單片機，從而最大化獲取產品效益。

單片機經歷從8位單片、16位單片機發展成為32位單片機的演變過。現在新型的單片機已經改變了原來單片機微型計算機的概念，它已然成為單片機片上系統（SoC）。設計人員只需要外接傳感器電路、鍵盤顯示模塊以及后級驅動組件，就可形成一個完整的電子通信的智能產品。因此，而傳統的單片機硬件接口電路的設計已經被弱化，如何合理高效的配置編程單片機的各內部資源，從而形成合理可靠的單片機應用系統已變為單片機系統設計的一個重點之一。

如前所述，單片機課程是實踐性很強的課程，實驗平臺和實驗項目決定了課程的教學效果。目前，單片機實驗室的實驗箱是2006年度修購計劃根據當時單片機的技術特點定制的（見圖1）。主要使用的單片機為8位的C51系列的單片機和16位的PIC系列雙單片機實驗平臺。從所開設的實驗項目內容上和硬件接口資源上能夠滿足單片機課程的基本軟硬件實驗的教學要求，達到幫助學生建立單片機技術開發應用的概念和組成各種簡單的單片機系統。但其設計的理念已經落后于當今單片機技術的發展。這些硬件接口模塊如簡單I/O口，8255，8155，8279，ADC0809，DAC0832等這些并行接口模塊已經被市場淘汰了，學生做了也幾乎沒有用處。一些功能強大的A/D，D/A模塊也已經由單片機器件廠家集成在單片機中。因此，原有單片機實驗箱的接口模塊陳舊，很難滿足單片機課程和技術發展的實驗要求。

圖1　

圖2　

3　單片機課程改革思路方案

3.1教學方法的改革

以引發學生興趣為切入點，努力激發學生的學習動手實踐的積極性，喚醒學生的求知欲望。按照項目設計管理的方法，從實驗教學的三個環節（實驗前，實驗中和實驗后）進行改革。通過教學改革，期望在師生的共同努力下，教師能夠用“授人以魚不如授人以漁”的思路，改進教學方法，能夠引領學生主動探求知識。學生能夠獲得電子系統設計的能力提高和科學研究思路方法的培養。

為此，我們首先考慮改變課堂角色，將以教師為主角的實驗課堂，轉換為學生是實驗的主人，改進教學方法。作為配角，教師積極激發學生多提問題，多動手實踐，以實現提高學生分析問題、解決問題的能力為目標。學生能夠獲得電子系統設計的能力提高和科學研究思路方法的培養。

實驗前：逐步通過與實驗內容相關的實物樣品展示激發學生的興趣，引導學生主動做好實驗前的理論和實驗設計的準備工作。

實驗中：教師通過以項目為導向的實驗內容的設計，誘導學生積極思考，采用提問啟發式的方法，激發學生動手實踐的主觀能動性。幫助學生將抽象的理論概念落實應用到具體的實驗中，掌握電子信息系統設計和調試的方法；幫助學生能夠不斷地思考問題，學會提出問題，鼓勵學生主動找教師討論問題，為創新思維打下基礎。

實驗后：以小論文的形式替換以往的實驗報告。教師啟發引導學生進行知識的提煉、總結以及應用前景的思考，進一步激發學生思考能力的主動性。鼓勵學生上講臺演講自己的項目論文，加深學生對科學研究的認識和培養。

3.2實驗內容項目的開發

為達到課程改革的目標，實驗內容的開發包括：

（1）實驗課前實物演示實驗：由實驗相關的教師開發具有與本次實驗內容相關的小應用系統實物演示實驗；讓學生初步體會到學以致用的樂趣，激發學生進行實驗準備和設計的積極性。

（2）學生實驗內容項目開發：

①基本接口實驗（30%）：目的是為了幫助學生掌握單片機各個基本資源模塊的編程配置和使用方法。主要包括單片機各基本資源的使用：如：基本輸入/輸出口、定時器、中斷系統、串行通信口、A/D和D/A轉換器的編程設計方法。每個單元接口實驗中，根據特點，結合實際電子應用系統設計漸次性的實驗內容，包括基本實驗和提高實驗兩個部分。教師幫助學生選擇適合自身條件和能力的實驗項目，以此讓每個學生能夠學生能夠掌握硬件接口設計和軟件的設計的基本思路方法、調試方法和設計要領，為后續的系統實驗打下良好的基礎。

②應用系統設計型（70%）：結合流行的新型外部接口模塊的特點，設計不同要求和不同難度的應用系統設計型實驗。可由學生自由選擇，進行系統設計方案的論證，經過和教師討論確認后，分階段進行設計實驗的設計調試。

（3）學生實驗報告的完成：實驗報告改傳統實驗報告為項目總結小論文格式形式。最大化提高學生的提煉知識，探索思維的能力，培養學生的科學研究的素養。

（4）教師輔導：為提高教學相長，相互促進，教師輔導采用項目負責制的形式，按照系統實驗的各個項目對學生進行輔導。

3.3實驗硬件平臺設計

根據單片機技術的特點：門類繁多，各有優勢，從學生系統設計、創新設計出發，實驗平臺設計具有多樣性和靈活性。根據目前單片機集成度高，內部資源豐富的特點，根據目前單片機集成度高，內部資源豐富的特點，擬采用如下實驗平臺兩級積木式模塊搭建架構。

基本單元實驗模塊。這部分主要是由32位單片機的核心開發板以及基本外設構成。為了解決經費缺乏的問題，我們與器件公司積極合作，借助各公司的大學教育計劃。例如我們和德州儀器TI公司的大學計劃合作項目。由TI公司贈送我們近百套的32位單片機的口袋實驗板（見圖2），利用該實驗板的資源滿足學生的基本實驗要求。除此之外，學生還可以將口袋實驗板帶宿舍，利用課余時間進行開發實驗。

單片機外部接口模塊：這部分為此次平臺設計開發的核心之一。此部分為根據技術的發展和應用系統需要，由實驗教師開發完成構成標準的接口底板和模塊。這部分能夠保證各個外部接口模塊方便與口袋實驗板和各個新型功能的功能模塊連接。學生可以根據需要自由組合接口資源，完成單片機系統設計的目標任務。

3.4課程考核

課程考核主要評價學生學習和教師教學的效果。為了提高促進學生的學習積極性，我們的考核采用兩種機制：1、對于滿足教學大綱要求為目標的學生，我們采用實驗考試制度。通過現場抽題，在限定的時間內完成實驗內容，分步打分的方法。2、針對部分學生對單片機課程有濃厚興趣的特點，我們采用由學生自行獨立完成單片機應用系統設計的考核方法。首先由學生提交系統設計方案，經教師核準后，由學生在課內和課外時間進行系統方案的設計調試。最后結果由教師考核提問。經實踐檢驗，這種考核機制能夠滿足不同層次同學的要求，有利于激發學生的學習興趣。

4　結語

與2015年初我們已經開始著手根據此改革思路開始逐漸試行。本學期（2015～2016年第一學期）我們開始采用TI的基于Tiva C系列Cortex-M4微控制器為教學實驗平臺。在TI公司的支持下，我們給選修的學生每人發一套實驗板，有學生自己保管。從目前的情況看，學生已經顯示出很大的興趣，不少學生出了完成基本實驗外，還積極在課外完成提高部分的實驗。相信隨著我們師生的的不斷努力學習和配合，經過兩輪的單片機實驗課的教學，學生的動手能力可以獲得較大的提高，學習主動性和積極性也會大大提高。

［1］用于C系列的TivaWare.http://www.ti.com.cn/tool/cn/SW-TM4C

［2］Tiva C Series TM4C123G LaunchPad（EK-TM4C123GXL）.http://www.ti.com/ww/en/launchpad/launchpads-connected-ek-tm4c123gxl. html#project0

Microcontrollers（MCU）；Teaching Reformation；Practice Ability

Teaching Reformation of MCU Course

HU Xiao-yi，XIE Yong-jun

（The Teaching Experiment Center，School of Science and Technology，Xiamen University，Xiamen 361005）

1007-1423（2015）34-0018-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.005

胡曉毅（1966-），女，陜西西安人，碩士，教授級高級工程師，研究方向為水聲通信、單片機與嵌入式系統設計

2015-11-04

2015-11-16

隨著單片機技術的發展，迫使單片機課程必須進行教學改革。從單片機在本科教學中的課程定位和目標出發，闡述單片機教學改革的思路和方法。通過教學改革，期望提高學生的學習積極性和動手實踐的能力。

單片機；教學改革；實踐能力

解永軍（1978-），男，山東日照人，碩士，高級工程師，研究方向為水聲通信、單片機與嵌入式系統設計

With the development of microcontroller，it is necessary for the teaching reformation of MCU course.Based on the course orientation and aim，discusses the idea and methods of MCU course reformation.Through the reformation，improves the students’learning enthusiasm and practical ability.