“單片機原理與應用”在我校機械電子工程專業教學中的改革與探索研究

于淼

摘要：“單片機原理與應用”課程是工科電類專業一門很重要的專業基礎課。本文提出了在本課程教學過程中遇到的問題，指出了教學改革和探索的思路；最后在基于AT89C51單片機的城市交通燈控制系統設計過程中實施本教學方法，并得出結論：與同類項目相比，本教學方法具有很強的教學方法先進性，可操作性強，把提出的相關教學方法運用到課程教學中也是目前相關教學研究工作的進一步深入和拓展。

關鍵詞：教學改革；單片機；課程教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）46-0168-03

一、引言

“單片機原理和應用”課程將匯編語言、微機接口知識、通信技術等知識相結合在一起，是一門重要的工程電類專業的專業基礎課，技術性、工程性、實踐性很強，具有很高的理論性與實踐性。該課程作為機械電子工程專業最重要的核心課程之一，具有相當重要的地位[1，2]。雖然針對“單片機原理與應用”課程教學改革的方法有很多，但總體上在我校機械電子工程專業教育教學中，其可操作性較差，大部分方法僅僅是對傳統教學法做一些皮毛上的改進或是徹底顛覆傳統的學科教育體系。這些改革可以作為學習和借鑒的模板，因此本文針對“單片機原理與應用”課程在傳統教學模式和手段上的不足，提出新的解決思路和解決方法，具有重要的理論價值和現實意義[3，4]。

二、教學難點

“單片機原理與應用”是一門非常實用的價值課程：從工業控制到民用電子產品，從大功率電力設備到微弱信號高精度快速采集等，都有單片機應用技術的身影。但通過教學反饋發現，學生們都認為這門專業課程難學，難懂。筆者在“單片機原理與應用”課程教學過程中體會到本課程有下面三個教學難點：

1.傳統的單片機教學過程是將系統作為一個起點，在系統結構和邏輯連接前后對課程本身的過分強調，導致了大部分學生的恐懼，影響了他們的學習積極性。

2.長期以來單片教學過程理論教學與實踐教學脫節，分開進行。理論講授以老師為主，學生作為一個聽眾，被動地跟著老師走，在課堂上，學生處于被動模式，不能積極參與整個教學活動，無法達到教學的目的，即以學生為中心，培養學生的操作技能。

3.實驗實踐環節和課堂教學環節沒有相互連貫和相互印證，低層次的實驗與課堂教學相關內容的培訓是不夠的，學生的課堂學習與實踐未能實現有機結合，未能充分體現知識的實際應用，抑制了學生的創造力和學習的主觀能動性。

由此可見，傳統教學模式不能更好地適應“單片機原理與應用”課程的教學，為了適應新形勢下機械電子工程專業教育的培養目標，需要致力于改革傳統的教學模式，必須嘗試新的模式和方法。

三、一些課程改革和創新探索的想法

1.改革課程內容體系結構和教學內容組織模式。“單片機原理與應用”課程教學內容是高度抽象的，因此對學生在課程學習上的思辨能力要求相對較高。目前的教學內容很少體現出單片機知識在相關領域的實際應用，使學生學習與使用脫節。另外，在實踐教學中，不同學生對單片機課程的學習需求沒有給予足夠的重視，所以有必要對單片機的教學內容進行必要的選擇和更新。作者以近五年的“單片機原理與應用”課程教學經驗和體會，把教學內容創新為“模塊—主題—任務”，即首先將整個課程分為多個模塊，每個模塊設有多個主題，每個主題由一個或多個任務組成，每個任務和任務目標又分解為任務分析和相關部分知識。針對在如何開展單片機學習方法的研究，為學生提供有針對性的學習指導，激發學生的學習興趣，培養學生的自學能力以及今后加強教學改革必要性方面，作者提出以學生學習和實踐為中心的教學方法，即在老師授課的過程中，學生需要在電腦軟件上直接驗證編程結果，并要求學生對結果進行分析和操作，對課堂授課的電路和程序進行局部修改，培養學生獨立自主掌握單片機電路的應用和設計方法。

2.實驗內容設計與開放運營相結合的管理模式。對于“單片機原理與應用”這一應用方面非常強大的課程，雖然課內實驗配備了實驗管理教師，但理論課教師也需要走進實驗室對實驗指導，加強理論與實驗的溝通環節，這樣才能使學生將課堂所學的理論知識進行實踐，并將實驗中遇到的問題帶回課堂討論。在實驗內容設計方面，實驗主題可分為基本設計、改進設計和集成設計，也可由學生自主選擇。同時，實驗編程語言采用匯編語言和C語言來保證學生的編程能力。實驗項目設計也提供了一種開放式的建設和管理新模式，為學生準備、復習、電子設計和常規實驗提供了良好的環境。同時也充分利用實驗室資源調動教師的積極性，在平時的實驗基礎上，通過與學生的交流和討論，發現有潛力的優秀學生，逐漸參與教師的科研項目，并發現優秀學生參加全國大學生電子設計大賽。

3.改革考試形式，實現教學與實際應用的統一。“單片機原理與應用”課程的考核機制在過去是比較單一的，雖然有些學生在單片機測試中有很高的分數，但在實踐中不會使用。因此，有必要對“單片機原理與應用”課程的考核形式進行改革，以恢復這門課程的生命力，從而滿足社會發展的需要。因此，必須加強基礎知識考核，注重應用，淡化死記硬背的測試方法。充分利用試題收集和設計，實現教學與應用的統一。作者以“專業知識評估+實踐評估”的方式對學生進行考核，20%-30%的比例來評估學生專業知識，70%-80%的比例在實踐中評估和檢驗，主要考查學生熟練運用單片機Proteus仿真軟件和Keil編譯軟件的能力，使學生掌握先進的單片機編程工具和設計方法，由幾個學生組成一個考核小組，給每個考核小組一個測試題目，在以小組為考核單元的情況下，每個學生都應該解決題目中相關的問題，這樣可以區分并促進學生的學習主動性，從而實現教學與實際應用的統一。

四、基于AT89C51單片機的城市交通燈控制系統設計教學研究實例

下面，結合筆者在指導學生基于AT89C51單片機課程實際教學案例來說明如何進行教學改革以及培養學生思考的獨立性。教學系統主要以DB-52EH萬能單片機實驗開發系統為平臺，使其能夠模仿城市十字路口交通燈的功能，并且能夠滿足特殊的控制要求。設計一個十字路口的智能交通燈控制系統，使得東西和南北兩個方向的交叉路口所行進的車輛分時準行與禁行，并且兩個方向能夠根據車流量的大小來自行智能調節通行時間，車流量大的方向，則通行時間長；反之，車流量小的方向則通行時間短。

筆者在講解中，首先給與充分的時間來讓學生們自行了解AT89C51單片機的工作原理，讓學生們將單片機理論與十字路口交通燈實踐相結合，并讓學生們了解AT89C51單片機應用的前景，讓學生們清楚AT89C51單片機重難點的劃分，并注意不同學生之間理解能力的層次差別等。在學習AT89C51單片機硬件結構的過程中，包括十字路口交通燈部分、人行道紅綠燈部分、緊急情況控制系統部分以及通行時間調節電路部分。理論與實踐的結合不僅可以實現對現有課堂教學手段的補充，還能夠實現大規模教學，通過精心設計的教學過程和認真制作的教學資源，使得教學效率更高。

在講解AT89C51單片機軟件程序設計的過程中，在學生思維受卡處提供思維誘因，在學生思維狹窄時培養他們思維的廣闊性，在學生思維膚淺時發展他們思維的深刻性。然后設計各種單片機實驗功能，將單片機各知識點有機結合于軟件程序設計中，這些程序設計結合著硬件設備要帶有最大可能的興趣性，而不是枯燥的軟件編，這可以極大地激發學生的興趣和想象力，化被動學習為主動學習。最終指導學生們完成如表1所示的程序執行表達表格。

經過硬件系統的元件選擇和軟件系統的構架設計以及各種數據的計算，學生們大多數得出圖2的結果，筆者進而對其打分并完成整個系統的模擬仿真和設計工作。

在學生了解了硬件及軟件的使用后，學生順利地得出仿真結果，從圖2中可以看出各個參數仿真結果和變化，圖中的數據也很直觀。但是本設計系統的功能還是不夠完善，在將來本設計系統還將增加更多功能，比如對于時間的隨意控制調節，加入攝像頭監控的檢測方式，以及盲人在通過時對交通燈的控制等，另外隨著無線技術的發展，還可以將無線技術應用到智能交通的控制系統中，以使系統更加智能和完善。

五、結論

單片機技術已成為目前應用廣泛、發展迅速的一項前沿技術領域，是機械電子工程相關專業研究生需要具備的一項實用技能，本文針對“單片機原理與應用”課程在傳統教學模式和手段的不足，針對性地提出了新穎的教改思路，主要解決在“單片機原理與應用”課程教學過程中的教學難點，本教學改革具有很強的教學方法先進性，可操作性強，通過實際教學案例說明該方法具有重要的理論價值和現實意義。最后以實際問題為出發點，旨在為智能交通領域做出一小步的突破，來指導學生實現單片機的交通燈功能、倒計時顯示等功能，得到了不錯的教學結果。

參考文獻：

[1]劉玉叢.單片機技術應用課程實踐化教學改革的探索[J].電子世界，2018，（97）.

[2]王桂亮.單片機在電子技術中的應用[J].電子技術與軟件工程，2017，3（15）：252.

[3]李楠.基于單片機技術的多機通信系統設計[J].現代電子技術，2016，39（12）：164-166.

[4]王東霞，溫秀蘭，黃家才，盛黨紅.工程教育專業認證指導下的微機、單片機原理與應用課程教學改革[J].中國現代教育裝備，2016，（21）：32-34.