基于單片機課程教學創新教改探索*

劉順財 ，李 婷

（福州理工學院計算與信息科學學院，福建 福州 350014）

0 引言

“單片機與接口技術”課程是電子信息類專業的一門非常重要的專業基礎課。單片機屬于微型計算機的重要分支，特別適用于計算機信息處理、工業測控、儀器儀表、家用電器、通信設備等智能化電子系統的應用。課程講授了在嵌入式和電子系統中不可缺少的重要部件“通用處理器”和“嵌入式處理器”的知識，這些都是現代電子、電氣工程技術人員必須具備的基本專業知識。單片機是嵌入式方向的一道門檻，包含知識點比較多，在教學過程中面臨著如下挑戰：

1）學生在電路、數電、C 語言等基礎課程中學得不夠扎實。

2）課程教材內容多呈現在理論上，對偏好“應用”的學生吸引力明顯不足。

3）學時不足和學生接受慢，導致無法完成所有教學內容。

4）以教師為主體的傳統教學模式，滿足不了當前的教育。

5）動手能力不足，理論和實踐、生活聯系不夠。

為了克服上述挑戰，從2017—2018 學年上學期開始，本課題組提出了堅持以學生為中心、以培養一流人才為目標、“知識、能力、素養”三位一體的教學理念；突出“定性分析”和“學以致用”教學核心；運用項目式教學方法；采用虛擬仿真和開發板相結合；鼓勵學生多參加各類不同的競賽，形成了“重理論、勤動手、常引導、多競賽”的創新教學方法。

重理論是指將課表知識理論講透，讓學生容易理解掌握；勤動手是指學生除了做課程設置的實驗之外，平時多動手做一些電子產品；常引導是指在課堂之外，通過學長學姐引導學弟學妹做全國大學生電子設計競賽的歷年題目，定期讓一些優秀的學長學姐開展講座，分析電子設計競賽的相關題目；多競賽是指學校多開展院級、校級競賽，組織學生多參加省級、國家級競賽，鼓勵學生參加“全國大學生電子設計競賽”“銳智杯”“合泰杯”等競賽，幫助學生提升自學能力。

1 精選教學內容，適應學情現狀

精選教學內容：以主函數、中斷函數為框架，強調主函數、I/O 口、中斷、各類傳感器等應用，采用“以教師為主導，以學生為主體”的教學模式。在教師引導下，學生對某些問題進行總結分析，充分了解理論知識和應用場景，最后形成自己的知識體系以及知識的應用場景。

以串口中斷為例，串口涉及初始化和中斷函數等內容。串口初始化設置比較復雜，程序有8 條之多，涉及定時開啟、定時初始值、波特率、串口中斷等知識內容。理論知識要求多，剛接觸的學生難以掌握。在實驗項目中，為了讓學生快速理解，可以通過查表或者單片機小精靈獲得結果。在教學中，將查表和設置單片機小精靈作為教學內容的一部分，可以快速得到串口初始化的條件以及中斷函數。通過精選的教學內容，讓學生快速掌握串口初始化設置和中斷函數內容的編寫。

在學完理論知識后，配套課程串口實驗，以增強學生的動手能力。通過編寫5 個和串口相關的實驗，讓學生充分理解查表以及單片機小精靈的運用過程。

2 案例式教學，理論聯系生活

課題組從生活、工程中挖掘與理論對應的生活案例，激發學生的學習興趣，開展案例教學。將枯燥的案例和形象的現實生活聯系起來，激發學生的學習熱情和求知欲。上課時，盡量理論聯系實際生活，具體如表1所示。

表1 理論聯系實際

1）中斷系統的原理。當中斷請求源發出中斷請求時，如中斷請求被允許，單片機暫時中止當前正在執行的主程序，轉到中斷服務處理程序處理中斷服務請求，處理完中斷服務請求后，再回到原來被中止的程序之處（斷點），繼續執行被中斷的主程序。對不容易理解的理論舉例說明：主函數就是一個人在洗衣服，中斷就好比煮飯。具體展開：某人一邊洗衣服，一邊用高壓鍋煮飯，當洗到第3 件的時候，飯煮熟了，此人停下正在洗衣服的工作，把煤氣關了，然后再回來繼續洗第3 件衣服。理論聯系生活，讓學生更好地理解理論知識。

2）定時可以使用查詢或中斷。教師上課的時候可以理論聯系生活，舉例說明：定時就像是上課，一種是一節課從上課開始定時45 min 下課；另一種是上課之后，時間過了多久未必知道，鈴聲響了，即代表下課。第一種是書本上的定時中斷，第二種是通過查詢中斷標志位。

3）當教師講解到串口中斷的SBUF 時，可以通過理論聯系生活。SBUF 就類似菜鳥驛站的功能，菜鳥驛站有收發功能，這兩個功能屬于菜鳥驛站，因此串口中斷里面的2個SBUF名字是一樣的。

4）當教師講解到DA 時，可以聯系生活中的寄送快遞。寄快遞時，只要填寫收件人的地址就可直接寄送快件。而DA 轉換也是類似的，把適當的數據值直接賦值給DA 地址，DA 自動把數字量轉成模擬量。通過理論聯系生活，可以使學生更好地掌握概念并長期記住。

3 信息化教學，提升教學質量

3.1 仿真軟件與開發相結合

將信息技術與教學相結合。利用Proteus 軟件強化學生繪制硬件原理圖的技能；通過“丁丁”串口軟件、單片機小精靈、LED 段位碼、虛擬串口軟件等軟件與普中開發板進行結合，實現先仿真后在開發板上顯示真實效果，使學生真正掌握軟硬件結合。

針對串口的工作原理，課堂中通過Proteus 軟件繪制原理圖。繪制完成后，Proteus 軟件加載hex 實現仿真。通過設置Configure Virtual Serial Port Driver軟件，實現Proteus 軟件和“丁丁”串口軟件通信。Proteus 軟件有示波器等仿真器件，在沒有開發板的情況下也可以確保軟硬件的正確性。

通過在課堂上大量使用工具軟件，可以使課堂更加生動有趣。除Proteus軟件外，還用Keil C51 V9.00編程；LED 段位碼取數碼管的段碼表；單片機小精靈生成延時、定時中斷初始化、定時中斷函數、串口中斷初始化、串口中斷函數等程序；程序下載軟件stcisp-15xx-v6.82E 等軟件。在工具軟件的配合下完成仿真，在完成仿真后，把程序下載到普中開發板里面，實現先仿真后顯示真實效果，使學生掌握軟硬件結合。

3.2 超星平臺實現線上線下混合教學

充分利用超星平臺資源，開展線上線下混合式教學，在超星平臺發布教師團隊錄制的課程視頻。當教師上到某一章節時，超星平臺同步發布對應章節視頻。學生通過觀看視頻提前預習。課堂上沒有完全掌握的知識點，學生通過視頻進行復習。重要的章節發布配套作業，讓學生完成并提交。線上線下混合教學，讓學生可以快速掌握知識。

4 注重課程思政，強化精神引領

4.1 強化創新精神

引導學生從思想上樹立“不畏難、不放棄”的學習精神[1]。在課堂教學過程中，通過不斷提出問題、分析問題、解決問題，逐漸形成嚴謹的科學態度以及堅持不懈的科學研究精神。通過一題多解，幫助學生認識到事物的多面性，培養學生多角度、多方位解決問題的創新精神[2]。

4.2 引入思政教學

在課程教學過程中引入課程思政，在小車實現巡線項目中，使用灰度傳感器或者攝像頭采集數據，再把數據傳遞給單片機，引導學生運用思政中的具體問題具體分析的特點[3]，根據實驗室的硬件、具體功能、價格進行分析，并選擇合適的硬件實現具體功能[4]。

4.3 樹立優秀的道德觀

在教學過程中會提及“誠信”和“守約”，引導學生自覺獨立完成線上學習任務、課后作業以及課程考核，樹立學生的社會道德觀。

5 拔高課程難度，鼓勵創新實踐

學生作為初學者，從解決課本上的問題到逐漸能解決簡單項目中的問題，再經過一段時間的知識積累后，進一步提出問題、創新思路。為實現這個目標，教學團隊教師對課程進行了必要的改革。

1）鼓勵學生把現有的程序進行整合，將各個模塊的程序整合生成一個較大項目。

2）在課程實驗教學中，開設具有設計性、綜合性和創新性的實驗項目[5]。

3）修改培養方案，把第四學期的“單片機與接口技術”課程提前至第三學期。依據硬件和軟件兩個主線，合理分配學時，使學生更早接觸嵌入式的相關專業知識，明確自己的學習目標。

4）鼓勵學生多參與實踐和競賽，提高綜合能力。

以福州理工學院開放5-107 創新實驗室為例，課題組鼓勵學生在課余時間利用實驗設備開展更加深入的探索和創新實踐，提高學生綜合能力。創新實驗室會定期舉辦院級焊接競賽和校級“慧翰杯”競賽，并鼓勵學生參加全國大學生電子設計競賽、全國大學生嵌入式芯片與系統設計競賽、“銳智杯”福建省大學生智能設計大賽等競賽[6]。為了使學生更快地提升動手創新能力，在創新實驗室實行以大帶小模式，讓大三、大四的學生定期舉行專題講座，對全國大學生電子設計競賽的某些題目知識點進行分析和講解，幫助低年級的學生快速掌握知識。學生競賽現場如圖1所示，學生的部分獲獎作品如圖2 所示。

圖1 學生競賽現場圖

圖2 電賽省一等獎作品圖

5）將競賽內容和畢業設計相結合。

2019、2020 兩屆共有4 道題目作為學生的畢業設計，包括紙張計數顯示裝置、基于STM32 的外賣柜系統設計、基于微信小程序的外賣柜軟件設計、模擬電磁曲射炮。這些畢業題目讓學生可以更好地分析問題，抓住關鍵問題，找出主要矛盾點，并最終解決問題，實現創新[7]。

6）設置課程實訓，提高學生實踐能力。

在“單片機與接口技術”課程后，開設專門的單片機實踐。運用單片機與接口技術的相關知識實現仿真，學生設計PCB、制作PCB 板、編寫程序、軟硬聯合調試，最終完成一個綜合性項目。

6 多元教學評價，提高綜合素質

充分了解每個學生的學習情況，在課堂上設置幾個小實驗。教師根據學生編寫的代碼和實驗結果進行登記，登記的次數越多說明學生平時掌握得越好，能力更強；反之則說明學生掌握的情況不如人意[8]。針對不同學生的情況，開展個性化教育。

經過一系列教學創新改革，課程教學質量顯著提升[9-10]。2017—2020 級電子信息工程專業學生成績分布情況如圖3 所示。2017—2020 級電子信息工程專業學生成績優良率逐年增加、不及格率逐年遞減，2020 級學生成績優良率超過了50%，不及格僅有2 個。

圖3 2017—2020 級電子信息工程專業學生成績分布情況

經過一系列創新教改，學生在全國大學生電子設計競賽中成績逐年上升，學校實現了從2017 年的1個省二等獎、2 個省三等獎，到2021 年1 個國家一等獎、1 個國家二等獎、4 個省一等獎、5 個省二等獎、7 個省三等獎的突破。歷年全國大學生電子設計競賽的獲獎數量如圖4所示。

圖4 歷年全國大學生電子設計競賽的獲獎數量

7 結束語

“單片機與接口技術”作為物聯網系的專業課程，在學院和系領導重視下，主講教師通過參加院級、校級等形式的創新教學競賽，取得校二等獎的優異成績，獲得了同行教師的一致認可。此外，“單片機與接口技術”課程在2022 年的校級一流課程評選中入選校級一流本科課程建設項目。