基于單片機任務導向的C語言課程強化教學改革與實踐

張程 李小民 張延生 曲志鵬

摘? 要：C語言和單片機是高等院校電子類專業本科階段開設的兩門非常重要的專業基礎課和專業課，兩者應是前后承接，是基礎與應用的課程接續關系。但是，在傳統教學過程中，由于兩門課程銜接的不連貫，使得學生對于C語言的編程應用，特別是單片機方向的C51編程存在很大問題。該文針對這兩門課程開展研究，重點在于“架起一座橋”，使得C語言與單片機課程的銜接更加連貫，學習效果更加完整。通過分析C語言課程教學現狀，設計并實施基于單片機任務導向的C語言課程強化教學改革，改革課程評價指標，實施并總結教學經驗，持續推進后續改革計劃。該文所研究內容，無論是對于學生在校階段的課程學習、畢業設計，還是對于其畢業后從事研究工作或者學業深造，都有極其重要的意義。

關鍵詞：應用型本科；C語言課程；單片機任務導向；教學改革；課程改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）11-0125-04

Abstract： C Programming and Microcontroller are two very important basic and specialized courses in the undergraduate stage of electronics majors in colleges and universities， and both of them should be the successive relationship between basic and applied courses. However， in the traditional teaching process， due to the incoherence of the two courses， students have great problems in the application of C Programming， especially in the direction of microcontroller C51 programming. This paper focuses on the research of these two courses， focusing on "building a bridge"， so that the C Programming and Microcontroller courses are more coherent and the learning effect is more complete. By analyzing the current teaching situation of C Programming course， designing and implementing the enhanced teaching reform of C Programming course based on Microcontroller task-oriented， reforming the course evaluation index， implementing and summarizing the teaching experience， and continuously promoting the follow-up reform plan. The research content of this paper is of great significance for students' course learning and graduation design in school， as well as for their post-graduation research work or further study.

Keywords： applied undergraduate colleges and universities; C Programming; SCM task orientation; teaching reform; curriculum reform

在高等院校電子類專業本科階段人才培養方案中，C語言程序設計和單片機原理及接口技術是非常核心的兩門課程。其中，C語言是編程入門的基礎課程，也是后續眾多專業課程的前導課程，例如自動化專業開設的可編程控制器原理及應用、單片機原理及接口技術、DSP原理及應用、ARM嵌入式原理及應用等課程[1-3]。通過學習C語言，要求學生掌握編程的基本規范和技巧，掌握軟件編程的必要技能。與此同時，作為電子類專業本科階段的另一門重要課程——單片機原理及接口技術，則要求學生在掌握軟件編程的基礎上，結合單片機硬件進行一定功能的編程訓練，使得學生具有單片機控制系統獨立編程的能力，能夠設計并實現小型的單片機控制系統[4]。C語言和單片機課程為電子類專業的學生提供了重要的基礎知識和專業技能[5-6]。通過學習這些課程，學生能夠掌握程序設計的基本思想和方法，具備軟、硬件開發能力，并且能夠獨立完成電路設計和系統調試等任務。

綜上，C語言和單片機是前后承接，是基礎與應用的課程接續關系。但是，在多年授課過程中，教師感受到學生對于C語言的編程應用，特別是單片機方向的C51編程存在很大問題。學生在學習C語言課程時，很難想象或理解C語言在單片機課程中的作用，而在學習單片機課程時，又容易遺忘C語言語法，造成了兩門課程銜接的不連貫。本文針對兩門課程開展研究，重點在于“架起一座橋”，使得C語言與單片機課程的銜接更加連貫，學習效果更加完整。

掌握C語言編程方法和單片機編程技能，這對于電子類學生而言，是本科學業的重點學習內容之一。本項目所研究內容，無論是對于學生在校階段的課程學習、畢業設計，還是對于其畢業后從事研究工作或者學業深造，都有極其重要的意義。

一? C語言課程教學現狀分析

通過分析傳統C語言課程的教學現狀，總結主要問題如下。

教學目標和內容與專業需求的不匹配。傳統的C語言教學往往沒有明確的專業針對性，無法滿足不同專業的需求。這導致學生在實際應用中無法將所學的C語言知識與后續專業知識有效結合，缺乏實際應用能力。

缺乏針對后續課程應用的過渡性教學環節。傳統的C語言教學往往沒有為學生提供過渡性、引導性的教學環節，幫助他們逐步將C語言知識應用到專業設計中。這導致學生在后續實際項目中無法靈活運用C語言，造成學習效果不佳。

跨學期開設后續課程導致C語言知識遺忘。在單片機課程教學中，學生可能會遺忘或儲備不足之前所學習的C語言知識。這導致他們在學習單片機課程時需要花費額外的時間來復習和補充之前的知識，從而降低了學習效率。

綜上所述，傳統的C語言教學缺乏對特定專業的教學目標和教學內容的強調，缺少課程間教學的過渡和引導，以便于更有效率地使用C語言工具進行專業設計[7-8]。在單片機課程的教學中，存在著對C語言知識的遺忘普遍問題，導致學習效率下降。由此，需要進行C語言課程改革以提高學習效果[9-10]。

二? 課程教學方案改革

基于上述分析，具體設計并實施的教學改革方案如下。

（一）? 理論教學改革設計

為了達到兩門課程的“橋梁”連結作用，在C語言的課程設計方面融入了單片機知識點。分為理論教學設計和實驗教學設計。其中，C語言的理論教學中，在數組、函數章節融入單片機對于數組的應用、模塊化編程的思想和訓練目標。相應的C語言實驗課程也同步加強單片機編程的實操訓練，進一步培養學生軟件、硬件綜合調試的能力。具體的課程實施方案設計詳見表1。

根據表1，教師可以根據每個章節的教學內容設定更有針對性的理論教學目標，并采用“將單片機應用滲透于C語言編程”的教學方法進行教學。在C程序結構設計融合單片機環節，將C語言課程中的“順序結構”“循環結構”和“分支結構”與單片機編程的程序功能結合，讓學生理解無論多復雜的程序，都需要由上述基本結構進行有效組合，以實現程序功能。在數組融合單片機環節，將C語言課程中的“數組”與單片機編程時的數碼管段選編碼字庫結合，讓學生理解數組在多個同種類型變量的定義、計算及引用方面的便捷和高效。在函數融合單片機環節，將C語言課程中的“函數”與單片機編程時的程序架構結合，讓學生理解實際編程中，需要使用“模塊化”編程的思想，利用函數的定義和調用，更加高效、合理地使用功能模塊，以提高編程效率。通過講解、示例演示和練習題等方式，幫助學生理解C語言的基本概念、語法規則以及數據類型和運算符在單片機任務中的實際使用，以便于學生更直觀地理解C語言程序編寫的方法和意義。

表1? 課程實施方案設計

（二）? 實驗教學改革設計

根據單片機課程的基礎實驗內容，設計與C語言相關的單片機融合實驗項目，幫助學生將C語言理論知識應用到硬件實物系統中。實驗項目包括流水燈、定時器、按鍵及外部中斷部分的簡單程序編寫、程序調試和特定功能實現等。通過實驗項目的實踐，學生可以鞏固并應用所學的C語言知識，培養其實際操作的能力。單片機融合實驗教學具體內容見表2。

根據表2，教師可以利用三次實驗的時間，在實驗環節將單片機知識直觀地融合到C語言實驗中，給學生提供更加明確的學習目的。

在“點亮第一盞燈”實驗中，教師第一次引入單片機的實驗操作，首先需要向學生介紹單片機Keil開發環境，并與C語言編程開發環境對比，讓學生有意識地區分、歸納兩種開發環境在操作步驟上的異同，不要混淆；其次，教師需要引導學生對單片機電路原理圖進行認知，如圖1所示。由于該實驗中LED燈發光二極管的電路原理知識在模擬電子線路課程中已學過，故將學生從理論引到實際為講解的重點，實驗具體內容為：用P1.7口做輸出口，接1只發光二極管，編寫程序，使發光二極管不停地閃爍，閃爍周期為0.4秒，可以利用軟件延時完成。通過上述教學過程，讓學生實際體驗通過C語言編程實現單片機功能，有助于促進學生的學習興趣。

在第二階段的“讓燈循環點亮”實驗中，從點亮一盞燈擴展為點亮多盞燈，實驗具體內容為：用P1.7、P1.6、P4.7和P4.6口做輸出口，各自接1只發光二極管，編寫程序，使4只發光二極管不停地閃爍，閃爍周期為0.4秒，可以利用軟件延時完成。讓學生實際操作并思考如下問題：Keil運行和Visual C++ 6.0運行的異同，注意區分，不要混淆；單片機的例程中，是否理解main（）函數的內容；是否理解while（1）循環函數的作用；Delay200ms（）函數是在何處被調用的。通過上述教學過程，讓學生理解while循環的重要作用，并看懂函數調用與被調用的關系。

在第三階段的“按鍵控制點燈”實驗中，提出人機交互的概念并利用按鍵觸發實現對于單片機的控制。實驗具體內容為：利用兩個按鍵控制LED燈，其中key1控制led1的亮滅，key2控制led2的亮滅，也可以自行設計按鍵功能，例如對于多盞燈循環點亮的控制等。讓學生理解單片機獨立按鍵原理及編程方法，如圖2所示。讓學生實際操作并思考如下問題：GPIO（）函數是在何處被調用的；為什么主程序通常使用while循環而不使用for循環。通過上述教學過程，幫助學生從實際需求入手，分析C語言語法的理論原理及實際應用。

（三）? 持續改進和優化教學內容

教師需要定期評估和反思教學內容的效果，不斷改進和優化教學內容。在教學實施過程中，通過聽取學生的反饋意見、觀察學生的學習情況和成績表現等方式，了解教學內容改進的不足之處，并進行相應的改善和調整，更新教學內容，使課程改革更貼近實際應用和學生的需求。

三? 課程考核及評價改革

考慮到C語言課程的理論及實驗教學內容均有單片機相關內容的更新，故期末考核試卷也增加了相應考核知識點，以便于對應知識點的梳理、鞏固及考核。課程成績分配見表3。

其中：①期末考試成績占50％，試題中增設了單片機編程基礎知識的考核內容，主要考核學生對于C語言在單片機任務中的應用的理解；②實驗課成績占30％，包括出勤、預習、操作和實驗報告，見表2，實驗課增設了單片機融合實驗，給予學生利用C語言知識點解決單片機任務的體驗，教師登記學生實驗完成情況，以準確了解學生對于單片機融合知識的掌握情況；③平時成績占20％，包括出勤和作業。以上考核方法經期末考試驗證，學生對于新增單片機知識點掌握良好，并極大地提升了學生對于單片機的學習興趣和學習動力。

四? 課程實施效果分析及展望

以上教學設計方案均已在該院自動化專業試點實施。通過實施以上課程內容改革及課程考核及評價方法改革，進一步總結在自動化專業開設的C語言課程教學實施，分析其完成效果如下。

構建了基于單片機實踐任務導向的C語言教學新理念，完善了兩門課程之間銜接，構建了兩門課程間的“橋梁”。

進一步推進了相關競賽及課后實踐，在教學普遍改善的基礎上，“以賽促學”，持續對全國大學生電子設計大賽、藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽（電子類單片機、嵌入式組）等競賽助力。

有效加強了學生在大四畢業設計中的單片機設計學習與練習強度，保證了教學質量。

通過實施教學改革方案并總結經驗，后續會考慮進一步增設“面向單片機強化”的C語言課程設計，或進一步改進“強化C語言編程”的單片機課程設計，以進一步鞏固教學改革效果，提升教學質量。本項改革具備充分的創新性，在后續具備客觀的可持續性，是一項需要持續創新且不斷積累的教育教學改革方案。

五? 結束語

傳統課程更需要創新改革，而且十分迫切。本文針對C語言和單片機這兩門課程展開研究，重點在于“架起一座橋”。通過分析C語言課程教學現狀，設計并實施基于單片機任務導向的C語言課程強化教學改革，改革課程評價指標，總結教學經驗并推進后續改革計劃。對應用型本科高校電子類專業的C語言課程方案提出了一種探索性方案并實施，進一步提升了教學效果，具有一定的參考性。

參考文獻：

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