單片機原理及應用課堂與實踐教學改革與探討

趙仁濤 李穎宏 關叢榮 劉碩 左岐 劉仁學

[摘 要] 單片機原理及應用作為我校專業必修課，主要講解MCS51系列單片機的基本結構、總線擴展、定時器/計數器、串行接口、人機接口及ADC/DAC擴展等主要知識點，是一門強調實踐為主、注重學習方法的專業課程。經過多年的教學磨煉和實際工程應用提升，單片機原理及應用教學團隊成員更加注重培養學生系統思維方法，從課堂教學內容及例題呈現方式、實驗內容更新、課外實踐內容改革及課外競賽等方面開展了大量工作，達到了豐富授課內容、提升學習興趣、注重創新能力培養的預期效果。

[關鍵詞] 系統思維;過程管理;能力培養;科技競賽激勵

[作者簡介] 趙仁濤（1970—），男，河北冀州人，博士，北方工業大學電氣與控制工程學院副教授，研究方向為現代檢測技術與故障診斷。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）42-0156-03? ? [收稿日期] 2020-02-17

一、引言

當前，國內幾乎所有包含電氣、自動化、電子類專業的高等院校都開設單片機原理相關課程，它是一門培養學生嵌入式系統基礎的綜合性專業課程。如何能夠吸引學生在課余時間系統的運用單片機原理與應用課堂所講授內容，并結合具體應用場景解決實際問題，形成學習和實踐的良好循環，是教學團隊在教學中需要關注的主要問題。近年來，單片機原理及應用教學團隊不斷總結教學經驗和教訓，歸納探索出一種“培養系統思維、注重過程管理、突出學以致用、科技競賽驅動”的教學模式。

二、培養系統思維方法，緊跟時代步伐

（一）培養系統思維

系統的梳理和總結教學實踐中遇到的問題和解決方法，教學團隊首先設計了一個涵蓋重要知識點（I/O、定時器、中斷系統、人機接口、串行通信、ADC）的單片機系統——基于89S51的溫度控制系統，并將系統按照課程的重要知識點分解為知識模塊，幫助學生建立整個知識網絡結構，引導學生掌握自頂向底的系統設計思想，使其能夠在學習過程中從系統思維的角度獲取相關知識。

為了達到更好的效果，與學生所選專業緊密結合，教學團隊正在結合不同專業特點設計具有專業特色的單片機系統。以自動化專業為例，以基于89S51的溫度控制系統為例，注重過程控制系統理論及實踐。

（二）教學內容更新

隨著微電子技術的不斷發展，常用單片機及外圍擴展芯片正在發生較大的變革。為了保證所學知識與技術發展不脫節，從學以致用的角度出發，結合當前單片機及接口芯片的發展情況，對教學和實驗內容進行了大幅度更新，做到每2—3年更新一次外圍接口芯片型號。

三、多措并舉細化教學內容，注重過程管理

由于單片機屬于綜合實踐課程，僅僅依靠大綱規定的38—48學時課堂教學和10—16學時實驗課程，就無法保證大部分學生充分理解和掌握關鍵模塊的硬件設計和編程方法。為此，教學團隊在圍繞重要知識點的原有綜合性例題基礎上，搭建了基于Proteus的仿真實例[1-2]，以直觀的硬件電路、詳盡的程序清單、生動的運行效果，吸引學生充分利用課余時間驗證關鍵模塊的硬件連接和編程方法，起到了“延伸實驗空間”的效果，基本做到疑難問題當周解決。

（一）精心設計Proteus仿真實例

雖然單片機課程的學習不需要高深的理論推導過程，但是卻是一門實踐性很強的專業課程。針對這一特點和學生學習過程中對重要知識點疑問較多的問題，教學團隊指導研究生基于Proteus仿真軟件搭建了10個仿真實例，涵蓋了課程中I/O口、定時器、串行通信、外部中斷、分支及循環程序、人機接口等重點和難點內容。每個實例均提供了匯編和C程序。

（二）實驗內容調整——抓重點，保時效

單片機實驗室現有規模只能容納2個自然班進行實驗，這就意味著10個自然班需要分成5次進行，不但增加了老師的工作強度，還不利于學生對重要知識點的理解。教學團隊本著抓重點，保時效的原則，對自動化專業的實驗教學進行了如下探索：（1）精簡單片機實驗室承擔的純編程實驗，改為由實驗室老師指導學生學會使用Keil和Proteus，并在限定時間內利用業余時間完成相應實驗內容，提交實驗報告;（2）結合新的授課內容變更或增加軟硬結合的實驗內容;（3）最后按照實驗室容量，將自動化學生分組進行綜合實驗考試，根據限定時間內學生的完成情況進行評分，此次成績占實驗成績的70%（授課老師參與指導）。

（三）考核方式改革——過程大于結果

加大平時考核權重至50%—60%，其中實驗占20%，課堂出勤及隨機提問占10%，章節隨堂測試10%—20%。通過自動化專業的試點發現課堂的出勤率明顯提升。

四、搭建課外訓練平臺，突出學以致用

為了進一步提高學生的學習興趣和編程能力，研制了以增強型51單片機-C8051F020為核心芯片的課外學習板，并提供多個實驗程序，起到了較好的效果。同時，開發的MSP430單片機競賽板為多名同學提供了課外學習的硬件平臺和典型程序，為迎接北京市電子競賽奠定了基礎。比如：設計制作51單片機課外訓練板。（1）設計制作課外訓練板。C8051F020_V2.0是為在校學生和單片機愛好者開發的一款單片機開發板，也可作為工程人員開發參考之用。本學習板采用美國Silabs公司的C8051F020作為核心控制器，指令集與MCS51兼容，是學習C8051F系列單片機入門級MCU[3]。針對C8051F020單片機片上的全部資源，編寫了所有功能的測試程序，對該單片機的性能做了全面的測試評估，使用方便。（2）設計制作MSP430訓練板。MSP430訓練板采用美國TI公司的MSP430F247作為核心控制器，外擴多種硬件電路，既能作為在校學生和單片機愛好者的一款單片機學習板[4]，也可作為工程人員開發參考之用。針對MSP430F247單片機片上的全部資源，編寫了所有功能的C語言測試程序，對該單片機的性能做了全面的測試評估，為學生參加相關競賽和后期使用奠定了堅實基礎。

五、科技競賽驅動，形成良性循環

（一）鼓勵學生參加實際課題

在教學過程中，針對城市降雨后路面積水容易造成城市擁堵并引發危險的問題，組織了學生利用單片機原理及應用課堂講解內容，設計了《城市積水監測系統》，獲得北京市大學生科學研究與創業行動計劃項目校級一等獎。此外，還指導學生參加“定量可控式智能流量計研制”“電動遙控車位鎖”“基于反滲透技術的自來水凈化裝置研制”“多功能計步器及管理平臺設計”等采用單片機作為核心芯片的科技項目，培養了一批具有較強動手能力的本科學生，并起到了較好的輻射作用。

（二）組織校內單片機競賽，激發學生的學習士氣

為進一步激發學生的學習興趣，配合學院科技協會的工作，教學團隊先后承擔了校內51單片機和MSP430單片機的競賽組織和驗收工作。每年均有20組左右的51組合15組左右的MSP430組學生參賽，規模達到2個自然班規模，涵蓋學院涉及的各個專業。

（三）服務省部級競賽，形成輻射效應

結合智能機器人這個社會和學術熱點問題，教學團隊組織學生自行設計了基于單片機的智能車控制器，實現了車輛的自主平衡控制和方向控制，獲得第九屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽華北賽區二等獎。

通過校內競賽的選拔，可以遴選出優秀學生繼續參加“藍橋杯”、北京市電子競賽和物聯網競賽、飛思卡爾智能車以及RoboMasters競賽。其中“藍橋杯”2015年獲獎25人。

六、著眼課程體系建設，注重課程銜接

（一）教學團隊建設

新增電氣與控制工程實驗中心大學生科技訓練基地的劉碩老師為授課教師，可以保證下學期開始所有專業采用小班授課方式。單片機實驗室左岐老師的加盟，可以更好地將實驗室建設與智能儀器的教學結合。兩位老師的加入增強了教學團隊的科研能力。

（二）課程體系無縫銜接

單片機原理及應用的后續課程為智能儀器，為了防止內容重復，注重教學內容分工，單片機原理及應用課程注重單片機系統基礎知識和基本技能的培養，強調系統并行總線擴展;智能儀器以典型SPI、I2C接口芯片的時序分析、編程方法以及狀態轉移法程序框架為主線，對單片機原理及應用課程做了有力補充。

（三）教學與競賽內容緊密結合

該教學團隊還圍繞單片機技能培養，組織學生參加“藍橋杯”，利用單片機所學知識設計制作“RoboMasters”機器人驅動模塊，獲得較好的成績。

七、結論

單片機原理及應用教學團隊初步完成了教學內容的豐富和更新，探索了通過“自頂向底”的系統思維方式培養、課件結合仿真實例、提供課外訓練板等方式激發學生的學習熱情，獲得了較好效果。此外，該團隊注重與后續課程無縫銜接，鼓勵學過單片機課程的同學積極參加校內、省部級競賽和各種大學生科技項目，遴選出了數批能力強的競賽隊伍，起到了很好的輻射和宣傳效果。當然，無論在課堂和實驗教學中還存在諸多有待改進之處，例如：實驗設備有待更新和增加臺套數;單片機試題庫建設等。

參考文獻

[1]周潤景，張文霞，趙曉宇.基于PROTEUS的電路及單片機設計與仿真[M].第3版.北京：北京航空航天大學出版社，2016.

[2]林立.單片機原理及應用——基于Proteus和Keil C[M].第4版.北京：電子工業出版社，2018.

[3]萬光毅.SoC單片機實驗、實踐與應用設計：基于C8051F系列[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4]沈建華，楊艷琴，王慈.MSP430超低功耗單片機原理與應用[M].第3版.北京：清華大學出版社，2017.

On Teaching Reform of the Course on Principle and Application of Single Chip Microcomputer

ZHAO Ren-tao，LI Ying-hong，GUAN Cong-rong，LIU Shuo，ZUO Qi，LIU Ren-xue

（School of Electrical and Control Engineering，North China University of Technology，Beijing，100144，China）

Abstract：Principle and Application of Single Chip Microcomputer is a compulsory course，which mainly explains the basic knowledge of MCS51 series single-chip microcomputers，bus expansion，timer/counter，serial interface，human-machine interface，and ADC/DAC expansion.It is a professional course that emphasizes practice-oriented and learning methods.After years of teaching practice and practical engineering application improvement，members of the MCU principle and application teaching team have paid more attention to cultivating students' systematic thinking methods.They have been carried out in terms of classroom teaching content and example question presentation methods，experimental content updates，extracurricular practice content reforms，and extracurricular competitions.A lot of work has achieved the expected results of enriching the teaching content，increasing learning interest，and focusing on the cultivation of innovative ability.

Key words：systemic thinking;process management;ability development;technology competition incentive