單片機原理及應用課程教學改革與實踐

侯甲童，孫克偉，王玉龍

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單片機原理及應用課程教學改革與實踐

侯甲童1，孫克偉，王玉龍

（哈爾濱理工大學 榮成學院，山東 榮成 264300）

針對目前單片機原理及應用課程教學中，理論課基本上是采用板書結合多媒體教學，實驗環節的設備較多采用實驗箱或實驗臺，而考核中卷面成績比重較大這一現狀，提出了將仿真軟件Proteus和Keil聯合調試引入理論課教學．通過在實驗和實踐環節中采用仿真和實驗板雙重驗證，提出相應的課程考核方式．根據教學反饋，單片機原理及應用課程的教學改革改善了教學效果．

單片機；仿真；課程教學；實踐教學

單片機原理課程通常在本科三年級開設，本門課程的前導課程為電路、模擬電子技術、數字電子技術、PROTEL、微機原理與接口技術等．本課程對前導課程的掌握要求較高，并且在后續的課程如計算機控制技術等課程中，有很多的應用，起著關鍵的銜接作用．此外，各高校開設的名稱不盡相同，但基本上單片機原理課程的講授都以51單片機為主，此外也有部分高校在51系列單片機的基礎上講述其他類型單片機，如AVR，PIC，TI的MSP430系列等[1-3]．

1 單片機原理課程特點與現狀分析

單片機原理課程理論性強，需要講述51單片機的內部資源、硬件結構、指令系統、軟件編程及擴展等，但同時注重實用性，需要學生在理解原理的基礎上，完成相應的系統設計．在現有的教學中，往往理論較多，而舉例與實踐環節薄弱．目前各個學校制定的教學大綱，均給予單片機課程一定的理論學時[4-5]．但只關注理論的講授，從學生的角度出發，就顯得比較晦澀，不容易理解和接受．所以如何在課堂教學上將理論和實際應用舉例兼顧，以及如何在實驗環節加強動手能力就非常重要，它能拉近學生與單片機的距離．關鍵的一點是，采用什么樣的設備和手段給學生舉例，以及用何種實驗設備進行實驗．

1.1 教材選取與授課現狀

以往的國內教材，大多以敘述講解為主，較注重元器件及相應電路內部機理的研究，較少注重元器件及各典型電路外部機理的研究及典型應用，并較少有綜合類實驗，不利于提高學生實際動手能力及理論聯系實際的能力[6]．

目前的課堂教學，較多采用板書或多媒體教學，或者二者的結合．這對于初學單片機的學生而言，顯得過于深奧和枯燥[7-10]．沒有軟件仿真和實物舉例，給學生造成純理論這一印象，很多學生死記硬背單片機內部資源，忽略了應用單片機進行系統設計這樣一個最終的目的．

1.2 實驗設備現狀

現有的實驗室設備，實驗箱居多，很多高校還是使用傳統的實驗箱讓學生做實驗．這種方式是使用統一的實驗箱，在實驗室規定的時間內，按照實驗指導書的步驟完成實驗．這樣做實驗的方式效果很差，從學生的角度來看，很多學生根本不知道做了什么．只知道這樣做可以完成實驗，而為什么可以，有沒有其他的解決方案卻不知道．甚至在做實驗的過程中出現一些小的故障，也不知道如何下手．這樣做實驗，學生對于課堂講授的理論不容易結合實驗去理解，無法將理論與實踐真正地結合，往往事倍功半，不利于培養學生的思考能力，動手及解決問題的能力，也不容易激發學生學習單片機的興趣和主觀能動性[11-13]．

所以，為了更好地培養學生興趣，提高學生應用單片機開發系統的能力，需要對單片機教學進行改進．

2 課程內改進措施

2.1 理論教學的改進措施

2.1.1 教材的編寫和選擇貼近實際 目前采用的教材為李全利教授主編的《單片機原理及應用（C51編程）》[14-15]，本教材為“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材．該教材對于單片機的內部資源有較詳細的介紹，對于匯編和C51編程均有詳細說明．本教材的突出特點是，強調工程實踐，配合相關的實驗開發板，所列舉的均是可以直接應用的實例．對于其他開發板，修改相應的接口即可．

2.1.2 教學內容模塊化 為了讓學生充分了解單片機相關概念，掌握使用單片機開發系統的技能，將教學內容模塊化（見圖1）．在各個模塊中，虛線的部分表示可以根據需要進行選擇性的授課．這一部分可以不介紹，也可以介紹其中一種方法或者介紹一部分內容，而適應不同學校的授課需求．

圖1 單片機原理及應用教學模塊

2.1.3 教學方法及手段的更新 課堂教學上，采用板書與多媒體結合的方式．通過板書這一經典的授課方式，可以幫助教師根據學生的接受能力調整上課進度．多媒體教學可以將一些內容做成動畫的形式，可以活躍課堂氣氛，增加學生的興趣．另外，在課堂上引入仿真軟件Proteus和Keil聯合調試，使學生明確硬件設計與軟件設計的概念．最后，通過實驗開發板來演示和講解實驗．實驗板為自制的實驗設備（見圖2），該實驗板便于攜帶，極大地方便調試與學習．

圖2 實驗開發板

若教學中引入Proteus和Keil，首先應在課堂上介紹2種軟件和使用說明，使學生逐步接受軟件仿真這一概念．通過使用Proteus來繪制電路原理圖，加深硬件電路設計的概念．通過Keil來編寫程序，使學生建立起軟件調試的基本概念．二者的聯合仿真與調試，使學生進一步建立起系統設計的概念．而將實驗開發板引入到理論教學，可以進一步地將系統開發的流程灌輸給學生，結合實例來講解，也更生動．

2.2 實驗教學環節的改進

實驗室采取開放式的實驗方式，使用實驗開發板和Proteus共同來完成實驗．每一個實驗需要使用Proteus繪制出原理圖，使用Keil編寫程序，并進行聯合仿真與調試，最終在實驗板上實現．

使用Proteus繪制原理圖，既可以使學生明確電路設計的概念，還可以通過仿真驗證電路，避免耗材的浪費，掌握聯調的基本方法．此外，使用實驗開發板來最終實現，相比于實驗臺、實驗箱的方式，實驗板便于攜帶和方便調試，可以滿足學生在課下的時間來完善自己的實驗設計．

在實驗題目和內容上，首先包括存儲器、IO、鍵盤、顯示、中斷、定時、AD和DA等必選題目．學生在完成固定的必做實驗的基礎上，可以在教師的指導下，進行溫度測量，直流電機控制與調速，繼電器與步進電機控制等選做實驗題目，使學生能自主地完成發揮性實驗任務[16-18]．

2.3 實踐教學環節的改善

實踐教學環節可以提高學生的動手能力和創新意識，設有“學年設計”環節．在這個環節，可以提出系統設計的需求，讓學生來實現．

設計題目可以采用：簡易密碼鎖設計，溫度測量裝置設計，濕度測量裝置設計，便攜式數字電壓表設計及熱釋電報警裝置設計等題目．在這個環節，不僅給出題目，還給出任務書和進程表，樣式見圖3．

圖3 任務書及進程表

要求使用Proteus繪制原理圖，并和Keil實現聯合仿真，最終在硬件上實現功能，完成驗收，寫成報告，通過答辯．單片機原理及應用的教學方法、內容及手段圖例見圖４．

圖４ 教學方法、內容及手段圖例

2.4 課程教學與專業特點的結合

在專業教學上，可以和單片機原理課程教學結合．在自動化專業中，強調系統的概念．控制系統包含了輸入輸出設備，控制器，驅動裝置，執行機構和反饋裝置等部分．而單片機屬于控制器的一種．本文設計了一個基于單片機的步進電機控制系統，采用閉環控制的方式，對轉速和角度等量進行調節．硬件系統連接見圖５．

圖５ 步進電機控制裝置

在這個小型裝置中使用按鍵設定預期的轉速或者角度，使用液晶顯示屏顯示預期和實際量，并采用某種控制規律（如PID等）進行自動調節，最終達到一致．通過這個實驗，很好地將單片機應用在自動化專業的教學上，激發了學生學習本專業課程的興趣．

3 課程考核方式的改革

以往的課程考核，均采用筆試的方式進行，學生往往靠死記硬背來應付考試，達不到提高應用能力的目的．而單片機課程教學在教學內容、教學方法和教學手段方面實施改革，決定考核方式也需要作出相應改革．

單片機原理及應用課程的考核，在100分的成績中，平時成績占10分，實驗教學的必做實驗項目占30分，發揮性實驗項目占10分，期末卷面成績占50分．實踐教學環節，對于Proteus和Keil的聯合仿真調試占30分，實驗板實現占50分，報告及答辯占20分．

通過考核方式的改革，不僅注重學生理論知識的學習，更注重單片機開發應用能力，最終達到使學生具備初步系統設計的能力．

4 結論

單片機原理及應用是電類專業必修課，在專業培養計劃中處于專業基礎課的地位，掌握好本門課程，具有重要意義．本文在分析單片機原理及應用課程教學現狀的基礎上，提出了改進措施，并進行了實踐．

2014—2016年2個學年的2個學期，在自動化專業進行了教學改革實踐．通過學生的反饋意見表明，課堂反應熱烈，實驗環節學生收獲大，實踐環節充分發揮了學生的創新創造力．同時，在整個教學過程中，學生們收集資料，查詢相關專業書籍，為后續的各門課程的學習打下了較好的基礎．

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The teaching reform and practice on teaching of MCU

HOU Jia-tong，SUN Ke-wei，WANG Yu-long

（Rongcheng College，Harbin University of Science and Technolog，Rongcheng 264300，China）

The way of writing on the blackboard with multi-media are used in theory course of the teaching of fundamentals and application of MCU，the experimental box or experimental platform are often used in the experiment teaching，and the examination paper have a larger proportion in the evaluation．In view of this problem，the simulation software Proteus and Keil joint debugging to introduce the theory of class teaching is put forward．The double verification of simulation and experimental board in the experiment and practice，then the corresponding course examination is put forward．The effection of the teaching is improved according to the feedback of teaching．

MCU；simulation；curriculum teaching；practice teaching

1007-9831（2016）09-0064-04

TP368.2∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.09.019

2016-05-27

哈爾濱理工大學教育教學研究項目（320140021）

侯甲童（1984-），男，山東成武人，講師，碩士，從事檢測技術與自動化裝置研究．E-mail：houjiatong0601@163.com