啟發(fā)式教學法在單片機原理與應(yīng)用課程教學中的應(yīng)用＊

劉 敬

（濱州學院機電工程學院,山東 濱州 256600）

單片機自20 世紀70 年代問世以來，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化、自動控制與檢測、智能儀器儀表、機電一體化以及家用電器等各個方面[1,2]。“單片機原理與應(yīng)用”是工科類專業(yè)（如機械設(shè)計制造及其自動化、電子信息工程、測控技術(shù)、機電一體化等專業(yè)）重要的基礎(chǔ)課程之一。通過理論課程的學習，講解MCS-51 單片機的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、常用的匯編語言設(shè)計以及片內(nèi)各外圍部件（中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、UART 串行口）的工作原理，同時，實驗課程的實踐訓練可進一步加深理解所學知識，使學生具備單片機應(yīng)用系統(tǒng)的初步設(shè)計能力，為將來從事機電一體化、測控系統(tǒng)、儀表等方面應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)[3,4]。單片機原理與應(yīng)用課程內(nèi)容多，課時少，知識比較抽象難懂，傳統(tǒng)的以教師為中心的“注入式”教學模式教學顯然不利于學生自主學習能力的提升以及發(fā)散性思維的培養(yǎng)。因此，教師如何高效利用課堂，采取什么樣的手段引導，讓學生從被動接收轉(zhuǎn)為主動思考，對于激發(fā)學生求知欲和培養(yǎng)創(chuàng)新意識，最終達到學以致用的效果有著重要的現(xiàn)實意義。

1 學情分析

以濱州學院機械制造及其自動化專業(yè)的學生為例，“單片機原理與應(yīng)用”是本科階段第四學期開設(shè)的專業(yè)課程，相比通用性強、直觀易懂的先修課程“C 語言程序設(shè)計”，本門課程介紹的匯編語言是面向“硬件”的語言，是在圍繞單片機的硬件結(jié)構(gòu)和原理進行講解的基礎(chǔ)上，對片內(nèi)外各功能部件進行編程應(yīng)用。該課程綜合性、實踐性較強，所講授內(nèi)容相對抽象，而機械類學生對微型計算機的結(jié)構(gòu)和原理的前期認知較少，基礎(chǔ)相對比較薄弱，知識遷移能力、知識應(yīng)用于實踐中的能力相對滯后[5,6]，在學習過程中容易產(chǎn)生消極被動的情緒。

2 教學現(xiàn)狀和主要問題

就機械類專業(yè)培養(yǎng)方案及課程標準來看，單片機原理與應(yīng)用課程的理論課時所占比重較多（理論課32 學時、實驗實踐課4 學時）。目前，理論授課以課堂板書結(jié)合PPT 的講授法為主。其中，課程理論內(nèi)容的前期安排通常是對單片機的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)進行講解，比如，在以某具體型號的MCS-51 單片機為例，首先介紹片內(nèi)硬件組成、引腳功能以及存儲器結(jié)構(gòu)，進而講授8051 指令系統(tǒng)以及匯編語言編程基礎(chǔ)，然后從實際應(yīng)用的角度對中斷系統(tǒng)、定時計數(shù)器、串行口等主要硬件的具體原理和應(yīng)用展開講解。

由于單片機內(nèi)的硬件部分以及邏輯結(jié)構(gòu)是看不見、摸不到的，對于沒有扎實專業(yè)基礎(chǔ)知識鋪墊的學生來說較為抽象難懂，初始接觸時學生普遍感到難以理解、無從入手，這就往往導致學生對單片機的學習提不起來興趣，缺乏主動探索學習的動力[7]。因此，任課教師在教學過程中的教學方法與設(shè)計對于單片機原理與應(yīng)用課程知識的傳授顯得尤為重要，圍繞專業(yè)培養(yǎng)方案和課程目標選取合適的教學方法，能使復(fù)雜的問題簡單化，抽象的理論具體化，學生也能更容易吸收所學知識。

3 啟發(fā)式教學在單片機課程中的應(yīng)用

啟發(fā)式教學是指教師在課堂講授過程中根據(jù)教學內(nèi)容和學生學習的客觀規(guī)律，借助生活中的實例與常識，以啟發(fā)學生的聯(lián)想擴展為核心，激起學生自主學習的興趣，引導學生能夠生動靈活地接收所學知識的一種教學指導思想[8,9]。啟發(fā)式教學的關(guān)鍵在于問題情境的設(shè)置，可采用循序漸進由淺入深的方式將理論知識融入案例講解，從“疑”入手，巧設(shè)懸念，對于促進學生積極主動地參與教學活動,激發(fā)學生獨立思考和創(chuàng)新意識,達到教與學的最佳效益具有重要的現(xiàn)實意義。下面以MCS-51 單片機的定時/計數(shù)器章節(jié)為例，介紹啟發(fā)式教學在“單片機原理與應(yīng)用”課程中的應(yīng)用。

3.1 基礎(chǔ)知識的導入

在工業(yè)檢測與控制中，許多場合都要用到計數(shù)或定時的功能。例如，對外部脈沖計數(shù)或產(chǎn)生精確的定時時間等。在介紹定時/計數(shù)器的邏輯結(jié)構(gòu)之前，可以先從生活中常見的實例引入相關(guān)概念，再過渡到課程理論知識的講解。

1）定時和計數(shù)的概念。生活中，計數(shù)的例子比比皆是，選舉時通過畫“正”字對票數(shù)進行統(tǒng)計就是計數(shù)的一種方式。家庭里面用的水表、電度表，汽車上的里程表等也是計數(shù)的形式。在單片機內(nèi)部也有一類功能部件用于實現(xiàn)計數(shù)的功能，該功能部件稱為定時/計數(shù)器，其計數(shù)的功能是通過對脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)的。單片機內(nèi)的定時/計數(shù)器除了能作計數(shù)之用外，還能用作時鐘，如打鈴器，家用電器的定時開關(guān)等都是其定時功能的體現(xiàn)。然后請同學們思考：計數(shù)器是如何作為定時器來用的呢？引入生活實例進行啟發(fā)，以鬧鐘為例，定時1h，秒針走了3600 次，時間就轉(zhuǎn)化為秒針走的次數(shù)，學生思考秒針走的次數(shù)和時間之間的關(guān)系是什么（秒針每走動一次的時間是1s）。由此得出，定時/計數(shù)器在作定時的功能時，其本質(zhì)也是通過“計數(shù)”來實現(xiàn)的，關(guān)鍵是計數(shù)的時間間隔要固定，而這個時間間隔由單片機的晶振頻率決定，也可以理解為對機器周期進行計數(shù),即：定時時間=計數(shù)次數(shù)×機器周期。最后，對本知識點總結(jié)，定時和計數(shù)是定時/計數(shù)器的兩種工作模式，本質(zhì)上都是通過計數(shù)來實現(xiàn)的，只是計數(shù)對象不同，定時模式下是對機器周期計數(shù)，計數(shù)模式下是對來自相應(yīng)引腳（P3.4、P3.5）的外部脈沖計數(shù)。

2）定時/計數(shù)器的容量和預(yù)置數(shù)。對于定時/計數(shù)器的容量和預(yù)置數(shù)的講解，可以從日常生活中用到的容器導入，在我們的認知中任何容器都是有容量的，同樣，MCS-51 的兩個計數(shù)器（T0 和T1）也有計數(shù)的上限，由于每個計數(shù)器都是由兩個8 位的寄存器組合構(gòu)成，則最大的計數(shù)容量是216=65536。隨后進一步引導學生思考，若將水杯放在水龍頭下接水，水逐滴落入水杯中，當液面上升至與杯口平齊時若再有一滴水落下，水杯會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？（水滿溢出沿杯壁流下）同樣，單片機內(nèi)的計數(shù)器達到計數(shù)上限后，再多記一次脈沖也會“溢出”，只是“溢出”后的現(xiàn)象是將標志位TF0/TF1 由“0”變?yōu)椤?”，而標志位的變化就如觸發(fā)警報一般傳達到CPU，則意味著計數(shù)/定時的任務(wù)已完成。

當學生理解定時/計數(shù)器的容量及“溢出”現(xiàn)象后，承接上面所鋪墊的基礎(chǔ)知識導入問題：生活中的計數(shù)一般從1 開始，計到幾是幾，而單片機中定時/計數(shù)器的計數(shù)不管從何初始值開始，都是要計到滿為止。請同學們思考：一般我們現(xiàn)實生活中經(jīng)常會有少于65536 個計數(shù)值的要求，怎么實現(xiàn)？由此引出預(yù)置數(shù)的概念，預(yù)置數(shù)意味著要先給計數(shù)器賦初值，而初值的大小由計數(shù)上限和要計的次數(shù)來確定。

3）定時/計數(shù)器的相關(guān)控制寄存器。特殊功能寄存器（SFR）是用來對片內(nèi)各功能模塊進行管理、控制以及監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個很抽象的概念[10]。對于定時/計數(shù)器的相關(guān)控制寄存器的講解可以拿家用電器空調(diào)來舉例進行知識導入，空調(diào)可以制冷也可以制熱，且在任意工作模式下都可以選擇不同風速（可看作不同工作方式），同樣，定時/計數(shù)器作為單片機的功能部件同樣有不同工作模式（定時/計數(shù)）和工作方式（用途和計數(shù)能力不同）。空調(diào)工作模式和工作方式的選擇可以通過控制按鍵來實現(xiàn)，那怎樣讓單片機內(nèi)的定時/計數(shù)器按我們想要的用途工作呢？由此問題引出定時/計數(shù)器的工作方式控制寄存器TMOD 和運行狀態(tài)控制寄存器TCON，進而展開介紹各控制位的名稱及作用。

3.2 實例講解定時/計數(shù)器的應(yīng)用

為加深學生對以上所講理論知識的理解，緊接著以應(yīng)用實例進行鞏固。在工廠車間流水線上一個包裝是200 盒，要求每到200 盒就產(chǎn)生一個打包動作，用AT89S51 單片機定時/計數(shù)器T0 來實現(xiàn)（選用工作方式1），試寫出定時計數(shù)器的初始化設(shè)置。

結(jié)合前面所學知識，引導學生根據(jù)任務(wù)繪制主程序框圖，如圖1 所示。

圖1 主程序框圖

首先，對工作方式寄存器TMOD 賦值（選用T0在方式1 下進行計數(shù)，則TMOD 設(shè)置為05H）。然后，根據(jù)所需計數(shù)個數(shù)計算初值X，X 為65536-200=65336，對應(yīng)的十六進制為FF38H，則相應(yīng)寄存器賦初值為TH0=FFH，TL0=38H。

進一步引導學生寫出主程序即定時／計數(shù)器的初始化設(shè)置：

4 結(jié)論

匯編語言、通信技術(shù)等知識結(jié)合起來的一門課，有一定的理論深度且工程性、實踐性強，是工科類學生培養(yǎng)方案中普遍設(shè)置的專業(yè)課。本文以機械制造及其自動化專業(yè)的學生為教學對象，進行學情分析，并指出了當前教學過程中常存在的問題，針對目前學生普遍反應(yīng)理論知識枯燥難懂的現(xiàn)象，提出采用啟發(fā)式教學法進行授課并展示了定時／計數(shù)器章節(jié)的教學設(shè)計。經(jīng)課堂教學實踐，發(fā)現(xiàn)從生活常識切入所授教學內(nèi)容，以啟發(fā)式的教學手段講解相對枯燥的理論，更能激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的主觀能動性。