串行通信的數字化教學改革實踐

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.06.079

中圖分類號：G434；TP3 文獻標志碼：B 文章編碼：1672-7274（2025）06-0238-03

The Practice of Digital Teaching Reform in Serial Communication

ZHANGJiaying，MAO Xianhui （GuangdongBaiyun University，Guangzhou 51o450，China）

Abstract：With therapiddevelopmentof information technology，digital teaching hasbeen more and more widely used inthe curriculum system of modern education，becoming an important partof modern education.As an important technicalbasisinthe fieldof electronic information engineering，the teaching methodofserial communication isalso undergoing the corresponding digital reform process.By analyzing and summarizing the practice of digital teaching reform of serial communication，this paper aims to explore how to use digital technology to improve the teaching outcomes ofserialcommunicationcourse，improve students'learning interestandeficiency，andeffectively masterthe core content of serial communication.

Keywords： serial communication; digital teaching; teaching outcomes

1 串行通信的重要性

在現代電子通信的世界中，串行通信占據了一個不可或缺的地位。它不僅是一種高效的數據傳輸方式，而且在許多關鍵領域中發揮著核心作用。串行通信是一種數據傳輸方法，其中兩臺或多臺設備通過共享同一條物理通路來進行數據交換。在這種通信模式中，數據以位序列的形式，按照預先設定的協議規則，依次發送出去[]。串行通信的一個顯著優點是它在長距離傳輸中的經濟效益和可靠性。由于只需要一條信號線來傳輸數據，這大大減少了材料成本和布線的復雜性，在遠距離傳輸時，串行通信還能有效地減少信號干擾和數據丟失的風險。工業控制系統中仍有大量的串行通信在應用。

對于電子信息工程專業的學生來說，掌握串行通信的原理和應用是非常重要的學習內容。這不僅是因為它是電子通信的基礎，而且因為它在解決實際問題和設計創新系統時提供了必要的工具和深刻的理解。學生需要了解串行通信的物理層面，包括信號的生成和傳輸，以及邏輯層面，即如何確保數據的正確編碼和解碼。此外，學生還應該熟悉串行通信的各種標準和協議，這些都是他們未來從事相關行業不可或缺的技能。

2 傳統教學方式的局限性

傳統的串行通信課程多依賴于理論講授和簡單的實驗操作，這種模式主要側重于理論知識的傳授和一些基礎的實驗操作。在這樣的教學環境下，學生們對理論部分往往一知半解，實驗也往往走過場，對實際的通信過程的細節理解不到位。況且由于實驗條件的限制，學生往往無法進行足夠的實踐操作，了解通信過程的內部細節，比如，對于不同的通信協議什么情況是數字“1”，什么情況是數字“0”，位同步和幀同步的區別，通信線路上不同電壓的信號代表什么？等等。學生們在這樣的教學過程中，很難有機會深入了解和體驗串行通信技術在現實世界中的應用，這導致了他們所學的理論知識與實際工作中的需求之間存在較大的差距。這種脫節不僅影響了學生對知識的理解，也限制了他們將理論知識轉化為實踐能力的可能性。因此，課程設計需要重新考慮和設計更加貼近實際應用場景的教學方法，以使學生更好地理解串行通信的實質，培養學生的實踐能力和創新思維。

隨著信息技術的飛速發展，數字化教學已經成為現代教育的重要趨勢，教育數字化，是教育高質量發展的應有之義和必由之路[2]。數字通信作為重要的通信技術基礎，也需要進行數字化教學改革，以適應現代教育的需求。現如今，虛擬仿真實驗平臺的出現，為學生學習串行通信提供了更好的學習環境，學生通過虛擬環境中的實驗操作，模擬真實的應用場景，能更好地理解和掌握串行通信的知識。這種新的教學模式不僅讓學生可以進行更多的實踐操作，有充足的時間，仔細理解串行通信的各種細節，提高了學習效果，也解決了實驗設備限制的問題。為了更好地理解串行通信的基本原理，理解硬件使用方法、串行通信協議、電平標準等原理，使用仿真軟件可以學習硬件的工作原理、看到電平標準、查看通信協議的外在表現、全雙工/半雙工通信的表現等，可以更好地理解串行通信基本原理，并能指導串行通信的實際應用過程，還可以在實際通信過程中出現問題時，通過信號監測，判斷通信問題，對于應用型高校的電子信息工程類專業的學生來說，是非常有益的。

3 數字化教學改革的實施

為了克服傳統教學的不足，本文采取了以下幾種數字化教學改革措施：

3.1教學資源的數字化，豐富教學手段

串行通信課程的教學資源主要包括教學課件、教材、教學視頻等。通過數字化教學改革，可以將這些教學資源進行數字化處理，制作成多媒體教學課件和教學視頻，方便學生隨時隨地進行學習。同時，還可以利用網絡技術和互聯網技術，將這些教學資源上傳到網絡平臺上，供學生在線學習和下載。除了PPT、視頻、動畫等數字資源之外，還有仿真環境、串行通信硬件資源、軟件資源等，為學生提供更加豐富、多樣的學習資源。

3.2評價體系的建立

數字化教學改革還需要建立完善的評價體系，對學生的學習情況進行評估和反饋。通過在線測試、作業提交和實驗報告等方式，對學生的學習情況進行全面評價，及時發現存在的問題，幫助學生理順章節中的主要概念、思路、方法和技巧，提高學習效果。

3.3微課和翻轉課堂的結合

翻轉課堂是一種新的教學模式，打破傳統教室布局，使學生主動學習，近年來，“翻轉課堂”在高校廣泛使用[3]。在串行通信的教學改革中，制作串行通信的微課視頻，涵蓋關鍵知識點和操作技能，供學生在課前自主學習。由于本課的仿真實驗，需要的知識面較廣，需要學生在課前復習過往的知識，復習的內容包括單片機硬件的I/O口、最小系統組成、定時器、串行通信命令、編程語言、編程環境等。課堂時間則用于實驗、討論、解疑和深化理解，實現翻轉課堂的教學模式。

3.4仿真教學，特色明顯，學生樂于接受，易于提高學習興趣和學習效果

數字化教學改革可以通過使用多媒體技術、網絡技術等手段，使教學內容更加生動、直觀，從而提高學生的學習興趣。數字化教學還可以為學生提供更加便捷、靈活的學習方式，使學生可以在學習中獲得更多的樂趣。在本節課程中，教師將采用仿真教學法來深入探討串行通信的相關知識。具體而言，將使用Proteus作為硬件模擬平臺，并結合Kei1軟件來設計相應的程序，以此來實現數字通信過程的模擬和仿真。通過這種方式，學生們能夠更加深刻地理解數字通信中“0”和“1”所代表的邏輯意義，以及在真實通信線路上“數字1”與“數字0”的具體表現方式。同時，本課程還將介紹諸如字節通信、幀通信等關鍵概念。

對于應用型工科大學來說，許多課目的實踐教學是必不可少的手段和途徑，是檢驗理論課的學習效果和培養實際動手能力的主要手段。而仿真教學則可為學生理解理論教學中的細節、概念、原理提供更為有效的手段，為學生更好地掌握所學知識和相關技術提供了手段、方法和途徑。

4 教學改革的具體內容

串行通信有RS232C、RS422A、RS485等通信協議，對于RS232C還有多種接法，如最簡三線接法、五線接法、七線接法等4。針對基礎知識不同的學生，本文分別設計了以8051為基礎和以STM32為基礎的硬件、軟件環境。以下的例子以8051系統為例進行說明。

4.1硬件搭建

使用8051系列作為主通信設備，學生需深入了解其硬件基礎，包括最小系統配置：晶體振蕩器電路、復位電路、輸入/輸出端口及串行通信接口。這要求學生掌握8051系統的硬件架構，這些知識對機械電子工程等專業學生來說是基本技能。

以三線連接方式為起點，本文構建了基于8051系統的近程三線最簡通信系統，采用AT89C52作為主控制單元，需搭建振蕩電路和復位電路，確保串行通信端口設置正確。按照三線接線法，將一個微控制器的串行輸出端口TXD連接到另一個微控制器的輸入端口RXD，第二個微控制器的TXD端口接到第一個微控制器的RXD端口。信號地線在仿真環境中無須顯式連接，因為兩個設備共享同一電源地線。為便于調試和觀察通信結果，可接入輔助設備，如虛擬終端和虛擬示波器。

4.2程序編制

硬件構建完成后，實現串行通信需要軟件支持。學生可以選擇使用匯編語言或C語言進行編程。為順利完成通信任務，他們需要掌握微控制器串行通信的參數配置、特殊功能寄存器的使用、定時器和中斷的設置等關鍵技術，同時熟悉數據發送與接收過程，并通過顯示或虛擬終端檢驗通信的正確性。此外，教學中需強調波特率的重要性及其設置方法。

4.3結果分析

通過軟件的編譯和軟硬件聯合調試，可以實現兩臺設備之間的正常雙向通信。通過示波器可觀察到數據傳輸過程中線路電平的變化，例如，發送單元TXD的信號，如圖1所示。分析信號時，學生應注意：通信線路在空閑狀態時為高電平（5V），傳輸一個字節數據前須發送低電平起始位（ （0V） ）。發送方將線路從高電平拉到低電平并保持一定時間，接收方則準備接收信號，確保準確接收。停止位將線路恢復為高電平（5V），表示通信結束。高、低電平分別對應于通信數據中的“1”和“0”，采用正邏輯。數據傳輸通常采用小頭模式，即從字節的最低位開始順序傳送，圖中序號1為起始位，序號2為最低位b0，以此類推，序號10為停正位。按照高位在前、低位在后的順序排列數據，得到的傳送數據為“00110001”，其16進制表示為0x31，這也使學生了解ASCII碼與機器內容的關系。

4.4拓展提高

完成基礎的三線串行通信實驗后，可以通過加入RS232C接口電路（如MAX232芯片）擴展實驗范圍。圖2顯示RS232C通信中TXD信號的電平變化：總線空閑狀態為低電平 （-7.38V） ，數據傳輸開始時，起始位將電平拉高至高電平 （7.88V） ），表示傳輸開始。此時，高電平 （7.88V） 代表數據“0”，低電平（-7.38V）代表數據“1”，與正向邏輯相反，因此稱為負邏輯。數據傳輸仍采用小頭模式，學生仍可確認傳輸數據為0x31。

再次拓展為RS422A通信實驗，將MAX232芯片更換為SN75179。在此模式下，兩臺設備通過四根線纜實現全雙工通信，學生能觀察到差分信號的傳輸，這與單端信號有顯著不同。進一步改進系統以支持RS485通信標準，使用MAX487替代SN75179，搭建RS485串行通信電路。RS485通信為半雙工，只需兩根線，通過差分信號傳輸。該配置在任何時刻僅支持一個方向的信號，通信線路電平狀況與RS422A類似。通過圖3，學生可理解RS422A/RS485通信的平衡驅動和差分接收特性。

通過數字化教學，學生復習了硬件基本知識（如8051最小系統、串行通信設置），并掌握了串行通信的基本概念，包括全雙工與半雙工通信的區別、信號傳輸形式（共地電平信號或差分信號）以及“數字1”和“數字0”的表現形式等，全方位深刻理解串行通信。

5 結束語

串行通信的數字化教學改革實踐具有多重積極影響。它不僅顯著提高了通信課程的教學效果，而且有效激發了學生的學習興趣，進一步提升了學習效率。這一改革過程也幫助學生們鞏固了他們的基礎知識，對于機械電子工程等相關專業的學生來說，這不僅僅是一個單純的學習過程，更是一個涉及硬件構成、軟件編程和實驗結果分析的綜合學習體驗。成功的實驗項目在增強學生自信心的同時，也進一步激發了他們的實踐欲望和學習熱情，從而顯著提升了整體學習效果。

參考文獻

[1]李正軍，李瀟然.現場總線及其應用技術（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2022.

[2]數字化賦能高等教育高質量發展[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jybxwfb/s5148/202212/t20221219_1034999.html

[3]胡蓓.教育數字化轉型下新加坡教師教育人才培養模式研究[D].浙江師范大學，2023.

[4]李肇慶，韓濤.串行端口技術[M].北京：國防工業出版社，2004.