信息技術(shù)背景下單片機(jī)課程教學(xué)改革研究

摘 要：單片機(jī)原理與接口技術(shù)是自動化、機(jī)械電子、智能制造等相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)核心課程，該課程理論知識晦澀，實(shí)踐技能要求高。文中針對課程教學(xué)及學(xué)習(xí)的主要特點(diǎn)，結(jié)合時(shí)代發(fā)展，引入現(xiàn)代信息技術(shù)手段及工程開發(fā)工具，通過理實(shí)一體的教學(xué)方法，結(jié)合工程實(shí)踐開發(fā)過程，邊講邊做，使學(xué)生能夠深入理解理論知識，熟練掌握實(shí)踐技能及工程開發(fā)方法。一方面使學(xué)習(xí)更為方便，實(shí)驗(yàn)更加便利，學(xué)習(xí)效果提高更加顯著；另一方面，該授課技術(shù)及授課方法可實(shí)現(xiàn)使線上教學(xué)達(dá)到同線下教學(xué)一樣的授課效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)原理與接口技術(shù)；專業(yè)核心課程；現(xiàn)代信息技術(shù)；學(xué)習(xí)效果

中圖分類號：TP23? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

單片機(jī)課程是機(jī)械電子、智能制造、自動化等專業(yè)的核心課程，該課程著重于微型計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用技能的培養(yǎng)［1］。課程理論知識量大，涉及知識面廣，知識晦澀難懂，且要配合包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐技能訓(xùn)練，才能使課程技能學(xué)習(xí)更加透徹、完整、全面［2］。當(dāng)前，該課程的學(xué)習(xí)主要采用的授課方式是：在課堂傳授理論知識，在實(shí)驗(yàn)室配合開發(fā)板進(jìn)行工程技術(shù)實(shí)踐訓(xùn)練。課程學(xué)習(xí)按部就班，理論知識比較扎實(shí)［34］。實(shí)踐過程是直接面對實(shí)物，對電子元件的認(rèn)知和使用更加直觀。這種授課方式有其優(yōu)點(diǎn)，但也有不足，不足之處有兩個方面：首先，理論和實(shí)驗(yàn)分離，實(shí)驗(yàn)不能隨時(shí)進(jìn)行，不便于輔助晦澀理論知識的理解［5］。其次，實(shí)驗(yàn)不能隨地進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件苛刻，主要在實(shí)驗(yàn)室完成，學(xué)生在課后學(xué)習(xí)的過程中，無法根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。另外，授課條件受限制，當(dāng)需要網(wǎng)絡(luò)授課時(shí)，無法達(dá)到與實(shí)驗(yàn)室一樣的授課效果。

隨著時(shí)代發(fā)展，課堂也不能僅僅局限于學(xué)校和教室。網(wǎng)絡(luò)課程更是凸顯了其重要作用，網(wǎng)絡(luò)課程的發(fā)展對實(shí)踐操作要求較高的工學(xué)專業(yè)課程提出了更高的挑戰(zhàn)，要求既能無差別實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)，更要保證具有高品質(zhì)要求的實(shí)踐教學(xué)。對類似于單片機(jī)技術(shù)這類實(shí)踐性要求較高的課程如何通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無差別實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是需要專業(yè)教師研究和探索的。

文中根據(jù)單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程（文中簡稱為單片機(jī)課程）授課和學(xué)習(xí)過程中的問題進(jìn)行研究和實(shí)踐，利用信息技術(shù)手段，配合單片機(jī)工程開發(fā)工具進(jìn)行授課和實(shí)踐，使授課過程與工程實(shí)踐開發(fā)過程緊密銜接，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)踐，便于知識的理解，且課后實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)室條件限制，便于學(xué)生的課后學(xué)習(xí)。同時(shí)，這種授課方法既適用于線下教學(xué)，更適合于線上授課。

1 單片機(jī)課程理實(shí)一體授課方法

隨著課程改革進(jìn)度的推進(jìn)，課堂教學(xué)從以教師為中心向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變，理實(shí)一體［69］是在課程改革過程中針對應(yīng)用技能型人才培養(yǎng)目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能為主要任務(wù)的授課方法，課程采用邊講解、邊實(shí)驗(yàn)操作的授課方式，強(qiáng)化學(xué)生對知識應(yīng)用技能的培養(yǎng)。

由理實(shí)一體授課方式可以看出，授課過程注重工程實(shí)踐及學(xué)生的參與度，學(xué)生隨時(shí)對教師所講授的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以增加對知識的理解。這種授課方式與傳統(tǒng)的以教師為中心的滿堂灌式教學(xué)方式相比較，其優(yōu)點(diǎn)在于，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)踐手段學(xué)習(xí)知識，并探求知識。在實(shí)踐中教，在實(shí)踐中學(xué)。這種授課方式適合較為晦澀、難于理解的課程，比如控制工程類課程；適合實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，比如單片機(jī)、電子技術(shù)等；適合安全性要求較高的課程，比如數(shù)控機(jī)床等課程［10］，實(shí)踐在課程進(jìn)行中進(jìn)行，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)開發(fā)工具的應(yīng)用和操作能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、分析能力和快速發(fā)現(xiàn)問題、處理問題能力。

理實(shí)一體授課方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)以教師為中心的滿堂灌式教學(xué)方式，既注重工程實(shí)踐操作，又重視學(xué)生參與度，其針對工科類專業(yè)的授課優(yōu)勢很顯著。但也有其明顯不足：首先，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)受限，授課地點(diǎn)仍然局限于傳統(tǒng)教室；其次，實(shí)驗(yàn)條件受限，實(shí)驗(yàn)要求局限于實(shí)驗(yàn)室或特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不具有隨意性，地點(diǎn)不隨意，實(shí)踐不隨意；最后，不能隨意更改已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或控制電路。要想解決這些問題，就要從問題的根本出發(fā)，研究采用何種實(shí)驗(yàn)工具可突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制。文中針對行業(yè)企業(yè)單片機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)過程，考慮最大限度地將單片機(jī)開發(fā)工具引入課堂教學(xué)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，使課程授課和學(xué)習(xí)不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，使學(xué)生可根據(jù)需要隨意進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

2 單片機(jī)控制技術(shù)開發(fā)工具

目前，對基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，主要采用電路繪制工具進(jìn)行電路圖的繪制，并生成電路版圖。電路圖的繪制工具比較多，比如Protel系列軟件、Dxp電路繪制軟件、Multisim或者Protues等電路繪制軟件，這些電路繪制工具不僅具有電路圖繪制功能，還能夠通過電路圖生成電路板圖，同時(shí)還具有電路仿真功能。控制系統(tǒng)開發(fā)者可利用其設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行軟硬件仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，可以靈活修改硬件電路和軟件程序，達(dá)到和硬件仿真無差別的控制系統(tǒng)調(diào)試和分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的合理性，為后繼實(shí)物開發(fā)提供可靠保障。控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)通常采用的是Keilc51開發(fā)工具，可以編寫C51語言或者匯編語言，具有編譯、調(diào)試等功能。

3 信息技術(shù)背景下單片機(jī)課程授課改革思路

單片機(jī)課程主要是培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)開發(fā)能力、系統(tǒng)調(diào)試、問題分析和處理能力。在教授學(xué)生理論知識的同時(shí)，將工程開發(fā)工具及開發(fā)過程引入課堂教學(xué)，理論知識和實(shí)踐技能結(jié)合工程實(shí)際的教學(xué)手段，將會使教學(xué)更為有效。

3.1 課程改革思路

文中以單片機(jī)接口技術(shù)、數(shù)碼顯示授課內(nèi)容為例，介紹單片機(jī)課程的授課思路和過程。能夠靈活應(yīng)用數(shù)碼管進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)的顯示設(shè)計(jì)，首先要對數(shù)碼管的原理及點(diǎn)亮方式進(jìn)行深入了解，才能夠靈活應(yīng)用并設(shè)計(jì)接口電路。所以在課程設(shè)計(jì)上，在了解數(shù)碼管構(gòu)成原理的基礎(chǔ)上，對數(shù)碼管的點(diǎn)亮控制方式進(jìn)行研究和驗(yàn)證，這就需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行講解和學(xué)習(xí)更為透徹。文中利用Multisim系統(tǒng)對數(shù)碼管進(jìn)行控制研究，學(xué)生根據(jù)教師要求，分別選擇共陽極和共陰極數(shù)碼管各一個，根據(jù)數(shù)碼管顯示原理自行設(shè)計(jì)數(shù)碼管控制電路，如圖1數(shù)碼顯示電路a所示，學(xué)生可以直觀清楚數(shù)碼管電路的設(shè)計(jì)原理及點(diǎn)亮原理。通過改變數(shù)碼管輸入電平，改變顯示內(nèi)容，如圖1數(shù)碼顯示電路b所示。通過這一過程，學(xué)生能夠自行設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示電路，并能靈活控制數(shù)碼顯示內(nèi)容。

對于數(shù)碼管的認(rèn)識，是通過設(shè)計(jì)電路、改變數(shù)碼管端口電平實(shí)現(xiàn)的。這個時(shí)候可以向?qū)W生提出問題：如果數(shù)碼顯示，通過單片機(jī)來進(jìn)行控制，需要如何設(shè)計(jì)控制電路呢？這個時(shí)候需要學(xué)生發(fā)揮設(shè)計(jì)能力，自行解決問題，教師通過引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)碼顯示接口電路設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)程序控制。圖2所示是最簡單的單片機(jī)與數(shù)碼管連接的接口控制電路。由此，可以將問題逐步推進(jìn)，圖2b是單片機(jī)數(shù)碼顯示接口電路的綜合應(yīng)用。

理論授課過程中，通過引導(dǎo)的方式，學(xué)生獨(dú)立動手實(shí)驗(yàn)，加深對知識的理解，并使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力得到強(qiáng)化。這是理實(shí)一體授課方法的高度升華，既加強(qiáng)了學(xué)生的課堂參與度，提高了學(xué)生對知識的理解能力和動手能力，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件靈活

從課程的授課思路和過程可以見得，授課過程中涉及的關(guān)于控制系統(tǒng)電路所需電器或電子元件的原理及應(yīng)用，可利用Multisim或Proteus仿真系統(tǒng)軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。因此，對實(shí)驗(yàn)條件的需求就變得非常簡單，僅僅需要一臺裝有相應(yīng)仿真工具軟件的計(jì)算機(jī)即可，學(xué)生可以靈活調(diào)用所需元器件，靈活進(jìn)行電路連接及電路設(shè)計(jì)。相比較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，其優(yōu)點(diǎn)尤為明顯。文中對其特點(diǎn)進(jìn)行了如下總結(jié)：

（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境靈活選擇：由于實(shí)驗(yàn)僅需要裝有相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，因此，實(shí)驗(yàn)既可在教室進(jìn)行，也可在圖書館甚至宿舍等學(xué)生樂于學(xué)習(xí)的地方進(jìn)行。

（2）控制系統(tǒng)電路根據(jù)需要隨意修改設(shè)計(jì)：采用仿真系統(tǒng)連接電路或設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)電路，電路根據(jù)需要隨意修改，不受實(shí)際硬件電路限制，適合學(xué)生對控制系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立深入的學(xué)習(xí)和研究。

（3）學(xué)生深度參與課堂教學(xué)：學(xué)生上課學(xué)習(xí)帶著個人筆記本電腦，根據(jù)教師授課過程隨時(shí)調(diào)取單片機(jī)設(shè)計(jì)簡單電路，根據(jù)授課內(nèi)容編寫控制程序，進(jìn)行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，可隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行深入探索，這種深入?yún)⑴c課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)的過程可以很好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及對知識的探索欲望。

4 線上、線下無差別授課

從課改思路和實(shí)驗(yàn)條件等方面可見，單片機(jī)課程授課和實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合單片機(jī)開發(fā)過程所用的工具軟件，包括Multisim、Protues等電路設(shè)計(jì)及仿真軟件，對電路及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)行、調(diào)試及故障分析和處理，將嚴(yán)格要求在實(shí)驗(yàn)室或課堂完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)移至個人PC上進(jìn)行。在授課過程中，可以更好地實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體授課技術(shù)，提高學(xué)生動手操作及工程開發(fā)能力，也更加便于學(xué)生的課下設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)活動。從教師授課的角度看，這種結(jié)合工程開發(fā)工具的授課過程既可以在教室采用線下面對面進(jìn)行授課，同時(shí)也適合在線上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授課，學(xué)生只需具備一臺PC，跟著教師邊聽課邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)習(xí)效果完全不受線上或線下授課環(huán)境所影響。

結(jié)語

文中利用現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合控制系統(tǒng)開發(fā)工具，進(jìn)行單片機(jī)授課方式和授課方法的改革，將課程的授課過程變成學(xué)生高度參與的學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境不受限制，實(shí)驗(yàn)條件不受限制，學(xué)習(xí)主動性提高，學(xué)習(xí)效率高，能夠增強(qiáng)學(xué)生對知識的理解，提高專業(yè)知識的工程實(shí)踐能力，使單片機(jī)原理與接口技術(shù)這門對工程實(shí)踐要求很高的課程的線上授課成為可能。

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資助項(xiàng)目：吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院2021課程改革立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目

作者簡介：雷立群（1977— ），女，漢族，吉林長春人，副教授，研究方向：電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等。