面向計算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)課程實驗教學(xué)探索

周汝雁 馮國富 易叢琴 周旭

摘要：單片機(jī)課程是計算機(jī)專業(yè)的核心課程。本文針對計算機(jī)專業(yè)的特點，在單片機(jī)實驗課程教學(xué)中，增加了實驗教學(xué)內(nèi)容中的設(shè)計創(chuàng)新部分，進(jìn)行了實驗教學(xué)項目、實驗教學(xué)地點和實驗教學(xué)時間三個方面的教學(xué)拓展，對提高計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的硬件設(shè)計能力、動手能力和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計能力方面起到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);實驗教學(xué);教學(xué)拓展

中圖分類號：G642.423? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）12-0269-02

一、引言

單片機(jī)課程是高校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的必修課，也是當(dāng)前高校機(jī)電一體化、電氣類、自動化、計算機(jī)和電子信息類等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。但根據(jù)專業(yè)需求不同，教學(xué)的側(cè)重點不同，教學(xué)模式也各不相同。另外，各個高校由于硬件實驗條件不同，實驗教學(xué)模式更是各不相同。本文針對計算機(jī)專業(yè)需求和學(xué)生的特點，進(jìn)行了單片機(jī)課程實驗教學(xué)的探索和實踐。

二、單片機(jī)課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀

實驗教學(xué)在單片機(jī)課程的教學(xué)中起著非常重要的作用，通過實驗不僅可以課堂教學(xué)中學(xué)到的理論知識進(jìn)行鞏固和加以應(yīng)用，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和解決工程問題的能力。目前高校計算機(jī)專業(yè)大多數(shù)都比較偏重于數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計算，學(xué)生的學(xué)習(xí)也都偏重于軟件設(shè)計，硬件設(shè)計能力欠缺，因此單片機(jī)課程中硬件設(shè)計部分的學(xué)習(xí)難度較大，這就要求計算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)實驗課程中的項目設(shè)計既要考慮到本專業(yè)學(xué)生的特點，又要在有限的實驗課程時間內(nèi)讓學(xué)生掌握單片機(jī)的基本原理和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。

三、單片機(jī)課程實驗教學(xué)探索

（一）實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計為兩大部分，一部分為每個章節(jié)理論課后對相關(guān)知識的理解鞏固和實際應(yīng)用而設(shè)置的章節(jié)實驗，另一部分為具備基礎(chǔ)實驗知識和方法后而設(shè)置的綜合實驗。

1.章節(jié)實驗：通常章節(jié)實驗都為驗證性實驗，主要包括單片機(jī)I/O口的輸入輸出實驗、外部中斷實驗、定時器/計數(shù)器實驗、串口通信實驗、鍵盤實驗、數(shù)碼管和LCD顯示實驗、I/O擴(kuò)展實驗和電機(jī)控制實驗實驗等，為了提高學(xué)生的參與性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，章節(jié)實驗也設(shè)計為既有驗證性實驗也有創(chuàng)新設(shè)計性的實驗。以最簡單的1個LED燈閃爍為例，該實驗是I/O口的基礎(chǔ)實驗，通常為驗證性實驗，學(xué)生只需要在試驗箱或?qū)嶒炂脚_上進(jìn)行驗證，甚至不需要進(jìn)行線路的連接就可以完成，學(xué)生的參與度、設(shè)計性較低，但可以在驗證性實驗的基礎(chǔ)上增加如下實驗要求：設(shè)計并制作讓LED燈顯示出一段摩斯密碼，如顯示出SOS信號，實驗平臺顯示成功后，制作成面包板電路系統(tǒng)進(jìn)行演示。增加的實驗內(nèi)容具備了設(shè)計性和趣味性，增加了學(xué)生的參與度，首先，計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生會將程序設(shè)計學(xué)習(xí)過程中學(xué)到的密碼翻譯的知識應(yīng)用到其中，為了展示自己的獨創(chuàng)性，大多數(shù)同學(xué)會選擇一段獨特的摩斯密碼信號用LED燈顯示出來。另外，本實驗是單片機(jī)實驗中最簡單的，可以用簡單的幾個電子器件和單片機(jī)芯片完成一個單片機(jī)系統(tǒng)，制作成面包板的成功率很高，實驗的成功對初學(xué)單片機(jī)的同學(xué)的鼓勵作用非常大，對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)也是一個很好的開始，為后續(xù)復(fù)雜電路的設(shè)計和制作打下了很好的基礎(chǔ)。

2.綜合實驗：綜合實驗項目是為了考察學(xué)生對單片機(jī)總體掌握情況和綜合應(yīng)用能力。為了兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)程度的差別和興趣偏好，以及軟硬件的擅長，每個綜合實驗都設(shè)計成可以自行選擇組合的模塊化實驗項目，實驗項目為小組協(xié)作完成項目，學(xué)生可以根據(jù)軟件和硬件的偏好和擅長，以及動手能力和編程能力的強(qiáng)弱，合理搭檔自由組合形成項目小組，每個小組可以根據(jù)興趣選擇項目內(nèi)容，小組成員還可以根據(jù)組內(nèi)成員各自的特點分工協(xié)作完成所選的綜合項目。以溫度測量顯示及報警實驗為例，實驗要求如下。項目要求：利用單片機(jī)進(jìn)行溫度測量及超限報警，設(shè)置溫度上下限，當(dāng)測量得到的溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時，利用揚聲器自動發(fā)出報警信號。設(shè)計要求：其中溫度測量部分，可以采用DS18B20作為溫度監(jiān)測元件，也可以采用熱電阻加AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行溫度測量，溫度測試點可以為1個，也可以是多個;顯示部分可采用數(shù)碼管顯示，也可利用LCD顯示實時數(shù)據(jù)。

設(shè)計路線有以下3種可以自由選擇：采用仿真工具Proteus完成;設(shè)計成面包板電路;采用萬能板實現(xiàn)項目要求。針對這種模塊化、可選擇的實驗要求，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好和偏好特長進(jìn)行項目的設(shè)計和完成，也可以根據(jù)小組成員的特點進(jìn)行選擇和分工協(xié)作。在學(xué)生學(xué)習(xí)了單片機(jī)基本的理論知識，掌握了課程中最基礎(chǔ)的軟件資源和硬件資源的使用方法后，就開始布置綜合實驗項目。對于理解能力強(qiáng)，學(xué)習(xí)進(jìn)度較快的學(xué)生可以較早地進(jìn)入綜合實驗項目的設(shè)計和完成。通過具有創(chuàng)新型章節(jié)實驗和模塊化綜合實驗的設(shè)計，單片機(jī)實驗教學(xué)的效果有了明顯的提高，學(xué)生完成實驗的積極性、主動性、自主性有了大幅提升。特別是綜合實驗項目可以很好提升學(xué)生硬件設(shè)計能力、動手能力、自主學(xué)習(xí)能力，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作開發(fā)能力起到了很大的推動作用。

（二）實驗教學(xué)過程拓展

針對單片機(jī)教學(xué)過程中實驗教學(xué)課時少，實驗指導(dǎo)教師少的現(xiàn)狀，對實驗教學(xué)過程進(jìn)行了拓展，拓展包括實驗教學(xué)項目拓展、實驗教學(xué)地點拓展和實驗教學(xué)時間拓展三部分。

1.實驗教學(xué)項目拓展：實驗項目除了包括章節(jié)實驗和綜合實驗中較為固定的實驗教學(xué)項目之外，還鼓勵學(xué)生參加涉及單片機(jī)設(shè)計和應(yīng)用的大學(xué)生創(chuàng)新項目、各類創(chuàng)新大賽、實訓(xùn)項目、課程實踐，還拓展到參與教師科研項目、畢業(yè)設(shè)計、實習(xí)企業(yè)需求的單片機(jī)開發(fā)項目，這些拓展項目的完成都可以在單片機(jī)實驗室進(jìn)行，或由實驗指導(dǎo)教師給予指導(dǎo)協(xié)助完成，時間上可以在單片機(jī)課程開設(shè)的學(xué)期，也可以在之后的任何時間進(jìn)行，在課程開設(shè)的同時進(jìn)行的可以作為綜合實驗計入實驗成績。實驗項目的拓展對學(xué)生鞏固課堂所學(xué)內(nèi)容，豐富實驗項目，密切關(guān)注社會需求，并進(jìn)一步進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)有非常好的輔助作用。

2.實驗教學(xué)地點拓展：在綜合實驗發(fā)布后，學(xué)生可以利用自己的電腦，小型試驗盒進(jìn)行簡單系統(tǒng)的設(shè)計，并利用面包板搭建相應(yīng)電路進(jìn)行系統(tǒng)的實現(xiàn)，實驗的調(diào)試和完成可以在課后自主進(jìn)行，地點不必再局限于實驗室，實現(xiàn)了實驗教學(xué)地點的拓展。

3.實驗教學(xué)時間拓展：每一門課程在課堂上或?qū)嶒炇覍W(xué)習(xí)的時間都是有限的，單片課程也是同樣，為了鼓勵學(xué)生課后能自主支配實驗的學(xué)習(xí)時間和有更多的動手能力培養(yǎng)的時間，單片機(jī)實驗室采用了開放實驗室模式，只要實驗室沒有教師授課，學(xué)生就可以在實驗室進(jìn)行實驗，開放實驗室模式加上實驗教學(xué)地點的拓展，以及實驗教學(xué)項目拓展模式，很好地實現(xiàn)了實驗教學(xué)的時間拓展，使學(xué)生可以機(jī)動靈活地安排自己的時間進(jìn)行實驗的設(shè)計調(diào)試。

四、結(jié)論

本文結(jié)合計算機(jī)專業(yè)單片機(jī)課程的特點，對單片機(jī)實驗課程教學(xué)進(jìn)行了探索和實踐，增加了實驗教學(xué)內(nèi)容中的設(shè)計創(chuàng)新部分，對實驗教學(xué)過程進(jìn)行了實驗教學(xué)項目、實驗教學(xué)地點和實驗教學(xué)時間三個方面進(jìn)行了教學(xué)拓展，在單片機(jī)實驗教學(xué)工作中，取得了很好的教學(xué)效果，得到了學(xué)生的一致好評，也得到學(xué)校的認(rèn)可，被學(xué)校評為優(yōu)秀實驗項目。

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Exploration on the Experimental Teaching of Single-chip Microcontroller in the Computer Science and Technology Specialty

ZHOU Ru-yan，F(xiàn)ENG Guo-fu，YI Cong-qin，ZHOU Xu

（College of Information Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Abstract：MCU （Microcontroller Unit） course is an important course in the major of computer science and technology.This article introduced that more design innovation content is given in experimental teaching.Teaching expansion is performed in experimental teaching projects，location，and time.As a result，it is suitable for improving students' hardware ability and practical ability.More satisfactory results have been achieved on MCU application system design ability.

Key words：MCU;experiment teaching;teaching expansion