信息技術背景下單片機課程教學改革研究

摘 要：單片機原理與接口技術是自動化、機械電子、智能制造等相關專業重要的專業核心課程，該課程理論知識晦澀，實踐技能要求高。文中針對課程教學及學習的主要特點，結合時代發展，引入現代信息技術手段及工程開發工具，通過理實一體的教學方法，結合工程實踐開發過程，邊講邊做，使學生能夠深入理解理論知識，熟練掌握實踐技能及工程開發方法。一方面使學習更為方便，實驗更加便利，學習效果提高更加顯著；另一方面，該授課技術及授課方法可實現使線上教學達到同線下教學一樣的授課效果。

關鍵詞：單片機原理與接口技術；專業核心課程；現代信息技術；學習效果

中圖分類號：TP23? 文獻標識碼：A

單片機課程是機械電子、智能制造、自動化等專業的核心課程，該課程著重于微型計算機在工業控制領域應用技能的培養［1］。課程理論知識量大，涉及知識面廣，知識晦澀難懂，且要配合包括課內實驗和實習實訓等實踐技能訓練，才能使課程技能學習更加透徹、完整、全面［2］。當前，該課程的學習主要采用的授課方式是：在課堂傳授理論知識，在實驗室配合開發板進行工程技術實踐訓練。課程學習按部就班，理論知識比較扎實［34］。實踐過程是直接面對實物，對電子元件的認知和使用更加直觀。這種授課方式有其優點，但也有不足，不足之處有兩個方面：首先，理論和實驗分離，實驗不能隨時進行，不便于輔助晦澀理論知識的理解［5］。其次，實驗不能隨地進行，實驗條件苛刻，主要在實驗室完成，學生在課后學習的過程中，無法根據需要隨時進行實驗。另外，授課條件受限制，當需要網絡授課時，無法達到與實驗室一樣的授課效果。

隨著時代發展，課堂也不能僅僅局限于學校和教室。網絡課程更是凸顯了其重要作用，網絡課程的發展對實踐操作要求較高的工學專業課程提出了更高的挑戰，要求既能無差別實現理論教學，更要保證具有高品質要求的實踐教學。對類似于單片機技術這類實踐性要求較高的課程如何通過網絡實現無差別實驗教學更是需要專業教師研究和探索的。

文中根據單片機原理與接口技術課程（文中簡稱為單片機課程）授課和學習過程中的問題進行研究和實踐，利用信息技術手段，配合單片機工程開發工具進行授課和實踐，使授課過程與工程實踐開發過程緊密銜接，可以隨時隨地進行實踐，便于知識的理解，且課后實驗不受實驗室條件限制，便于學生的課后學習。同時，這種授課方法既適用于線下教學，更適合于線上授課。

1 單片機課程理實一體授課方法

隨著課程改革進度的推進，課堂教學從以教師為中心向以學生為中心轉變，理實一體［69］是在課程改革過程中針對應用技能型人才培養目標，以培養學生實踐技能為主要任務的授課方法，課程采用邊講解、邊實驗操作的授課方式，強化學生對知識應用技能的培養。

由理實一體授課方式可以看出，授課過程注重工程實踐及學生的參與度，學生隨時對教師所講授的內容進行實驗驗證，以增加對知識的理解。這種授課方式與傳統的以教師為中心的滿堂灌式教學方式相比較，其優點在于，引導學生通過實踐手段學習知識，并探求知識。在實踐中教，在實踐中學。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；適合實踐性較強的課程，比如單片機、電子技術等；適合安全性要求較高的課程，比如數控機床等課程［10］，實踐在課程進行中進行，培養學生工程設計開發工具的應用和操作能力、實驗設計能力、分析能力和快速發現問題、處理問題能力。

理實一體授課方式遠遠優于傳統以教師為中心的滿堂灌式教學方式，既注重工程實踐操作，又重視學生參與度，其針對工科類專業的授課優勢很顯著。但也有其明顯不足：首先，實驗地點受限，授課地點仍然局限于傳統教室；其次，實驗條件受限，實驗要求局限于實驗室或特定的實驗設備，不具有隨意性，地點不隨意，實踐不隨意；最后，不能隨意更改已有的實驗設備或控制電路。要想解決這些問題，就要從問題的根本出發，研究采用何種實驗工具可突破傳統實驗室和實驗設備的限制。文中針對行業企業單片機控制系統開發過程，考慮最大限度地將單片機開發工具引入課堂教學，利用現代信息技術，使課程授課和學習不受傳統實驗室和實驗設備限制，使學生可根據需要隨意進行實驗學習。

2 單片機控制技術開發工具

目前，對基于單片機控制系統的開發，主要采用電路繪制工具進行電路圖的繪制，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，同時還具有電路仿真功能。控制系統開發者可利用其設計控制系統，并進行軟硬件仿真，根據仿真結果，可以靈活修改硬件電路和軟件程序，達到和硬件仿真無差別的控制系統調試和分析，驗證所設計系統的合理性，為后繼實物開發提供可靠保障。控制系統的軟件開發通常采用的是Keilc51開發工具，可以編寫C51語言或者匯編語言，具有編譯、調試等功能。

3 信息技術背景下單片機課程授課改革思路

單片機課程主要是培養學生工程設計開發能力、系統調試、問題分析和處理能力。在教授學生理論知識的同時，將工程開發工具及開發過程引入課堂教學，理論知識和實踐技能結合工程實際的教學手段，將會使教學更為有效。

3.1 課程改革思路

文中以單片機接口技術、數碼顯示授課內容為例，介紹單片機課程的授課思路和過程。能夠靈活應用數碼管進行單片機控制系統的顯示設計，首先要對數碼管的原理及點亮方式進行深入了解，才能夠靈活應用并設計接口電路。所以在課程設計上，在了解數碼管構成原理的基礎上，對數碼管的點亮控制方式進行研究和驗證，這就需要結合實驗手段進行講解和學習更為透徹。文中利用Multisim系統對數碼管進行控制研究，學生根據教師要求，分別選擇共陽極和共陰極數碼管各一個，根據數碼管顯示原理自行設計數碼管控制電路，如圖1數碼顯示電路a所示，學生可以直觀清楚數碼管電路的設計原理及點亮原理。通過改變數碼管輸入電平，改變顯示內容，如圖1數碼顯示電路b所示。通過這一過程，學生能夠自行設計數碼顯示電路，并能靈活控制數碼顯示內容。

對于數碼管的認識，是通過設計電路、改變數碼管端口電平實現的。這個時候可以向學生提出問題：如果數碼顯示，通過單片機來進行控制，需要如何設計控制電路呢？這個時候需要學生發揮設計能力，自行解決問題，教師通過引導，實現簡單的數碼顯示接口電路設計，并實現程序控制。圖2所示是最簡單的單片機與數碼管連接的接口控制電路。由此，可以將問題逐步推進，圖2b是單片機數碼顯示接口電路的綜合應用。

理論授課過程中，通過引導的方式，學生獨立動手實驗，加深對知識的理解，并使實驗設計能力得到強化。這是理實一體授課方法的高度升華，既加強了學生的課堂參與度，提高了學生對知識的理解能力和動手能力，又能提高學生的學習興趣和學習主動性。

3.2 實驗環境和條件靈活

從課程的授課思路和過程可以見得，授課過程中涉及的關于控制系統電路所需電器或電子元件的原理及應用，可利用Multisim或Proteus仿真系統軟件進行模擬實驗研究。因此，對實驗條件的需求就變得非常簡單，僅僅需要一臺裝有相應仿真工具軟件的計算機即可，學生可以靈活調用所需元器件，靈活進行電路連接及電路設計。相比較于傳統實驗室，其優點尤為明顯。文中對其特點進行了如下總結：

（1）實驗環境靈活選擇：由于實驗僅需要裝有相應的電路設計仿真系統，因此，實驗既可在教室進行，也可在圖書館甚至宿舍等學生樂于學習的地方進行。

（2）控制系統電路根據需要隨意修改設計：采用仿真系統連接電路或設計控制系統電路，電路根據需要隨意修改，不受實際硬件電路限制，適合學生對控制系統進行獨立深入的學習和研究。

（3）學生深度參與課堂教學：學生上課學習帶著個人筆記本電腦，根據教師授課過程隨時調取單片機設計簡單電路，根據授課內容編寫控制程序，進行軟硬件的聯合調試，可隨時發現問題，進行深入探索，這種深入參與課堂教學和學習的過程可以很好地調動學生的學習興趣及對知識的探索欲望。

4 線上、線下無差別授課

從課改思路和實驗條件等方面可見，單片機課程授課和實驗主要結合單片機開發過程所用的工具軟件，包括Multisim、Protues等電路設計及仿真軟件，對電路及控制系統進行設計、仿真運行、調試及故障分析和處理，將嚴格要求在實驗室或課堂完成的實驗內容轉移至個人PC上進行。在授課過程中，可以更好地實現理實一體授課技術，提高學生動手操作及工程開發能力，也更加便于學生的課下設計、實驗和學習活動。從教師授課的角度看，這種結合工程開發工具的授課過程既可以在教室采用線下面對面進行授課，同時也適合在線上進行網絡授課，學生只需具備一臺PC，跟著教師邊聽課邊進行實驗操作，學習效果完全不受線上或線下授課環境所影響。

結語

文中利用現代信息技術，結合控制系統開發工具，進行單片機授課方式和授課方法的改革，將課程的授課過程變成學生高度參與的學習過程，使學生的學習環境不受限制，實驗條件不受限制，學習主動性提高，學習效率高，能夠增強學生對知識的理解，提高專業知識的工程實踐能力，使單片機原理與接口技術這門對工程實踐要求很高的課程的線上授課成為可能。

參考文獻：

［1］張向群，張柯，杜根遠.現代產業學院工程實踐課程改革與探索——以單片機原理及應用為例［J］.軟件導刊，2022，21（07）：161164.

［2］吳葉蘭，謝宇忻，羅楊，等.新工科背景下單片機課程設計教學改革探索與實踐［J］.計算機教育，2022（06）：149152.

［3］黃玥，劉通，秦貴和，等.高校單片機系列實驗課程創新改革［J］.科技視界，2022（15）：9092.

［4］邰清清.應用型工科院校單片機課程教學改革與實踐［J］.電子元器件與信息技術，2022，6（05）：224227.

［5］秦蒙，任照富，何遠綱.基于微項目的高職高專單片機課程改革研究［J］.科技資訊，2022，20（10）：162164.

［6］丁電寬，李立新，李艾華.基于專業認證背景下單片機課程教學改革探索［J］.教育教學論壇，2022（19）：101104.

［7］葛振，姜國興，李春暉，等.基于教學工程案例的單片機課程教學改革［J］.電腦知識與技術，2022，18（11）：139141.

［8］呂尤，雷立群，孫麗娜，等.吉林市松花江流域水文化研究［J］.河北農機，2019（11）：122123.

［9］雷立群，王戩.數控機床與編程面向對象的理實一體教學方式改革［J］.吉林農業科技學院學報，2019，28（03）：9293.

［10］雷立群，王戩.機械電子工程與智能制造復合人才培養模式研究［J］.科技風，2019（20）：159167.

資助項目：吉林農業科技學院2021課程改革立項建設項目

作者簡介：雷立群（1977— ），女，漢族，吉林長春人，副教授，研究方向：電路設計、計算機控制技術等。