单片机原理课程的改革与实践

2014-02-06李济生

中国现代教育装备 2014年9期

李济生

北京交通大学计算机信息技术学院北京 100044

单片机原理是一门重要的专业选修课程，长期以来，该课程主要以MCS51单片机为对象开展教学。随着单片机技术的发展，新型单片机不断涌现，逐步改变了人们对单片机的选用方法。单片机原理课程具有很强的理论性和实践性，而现在的教学仍然沿用以前的教学模式，即将整个教学过程分为理论教学与实验教学，这种人为地割裂教学过程的教学模式已经不能适应现代教学的需要，尤其不适应创新人才的培养。本文针对单片机原理课程存在的问题进行了大胆改革，实践证明改革效果良好。

1 课程教学的现状和存在的问题

1.1 课程教学现状

我校单片机原理课程多年来都是以MCS51为对象展开教学和实践活动，虽然我们对课程进行了很多教学改革和尝试，但从学生选课的人数和学生在课堂上的表现来看效果并不理想。特别是学生前期已经学过了汇编与接口技术课程，他们感觉这两门课程没有本质的差别，两者都是使用汇编语言，接口也极为相似。因此，在理论教学中学生往往没有兴趣，做自己的事情，甚至逃课。这严重影响了教师的情绪，他们没有更多的兴趣和更多的精力投入到这门课程的教学工作中来，造成教学效果不佳。

另外，实验设备的相对老化和落后也对课程的教学产生了很大的影响。如果再购置新的基于MCS51单片机的实验平台来替代部分旧的设备，虽然可以解决实验平台老化的问题，但是不利于促进课程的改革。

1.2 理论教学与实践教学相对脱节

单片机原理课程具有很强的理论性和实践性，但是现在的教学方式是沿用以前的教学模式，即将整个教学过程分为理论教学与实验教学，两者在时间上和空间上完全隔离开。这就造成理论课上学生感觉枯燥乏味，实验课上又无从下手，这种人为地割裂教学过程的教学模式已经不能适应现代教学的需要。对于这种实践性很强的课程能否寻找一种创新的教学模式，使理论教学与实践教学进行无缝连接，是摆在任课教师面前的一个重要课题。

2 课程教学改革

2.1 教学内容要与时俱进

在淘汰旧的MCS51实验平台和更换新的实验平台之际，结合目前单片机技术的发展现状，我们对单片机原理课程的内容进行了重新探讨和定位。首先，明确单片机原理课程在培养方案中的地位和作用、教学目标和专业能力要求；其次，强调课程设计与时俱进，要将目前最先进的单片机技术引入到课堂教学中来。通过评估，我们将STM32单片机作为课程的首选教学对象。从我院硬件系列课程设置来讲，前期的接口技术课程采用汇编语言编程并涉及对接口中的寄存器操作，而STM32单片机课程强调利用STM32的固件库和使用C语言编程。另外，STM32中还包含了I2C，SPI，CAN和看门狗等前期课程没有遇到的接口，且STM32中有关定时器、串口、AD转换器的介绍要比以前学过的内容丰富得多。这样不仅可以使课程内容与时俱进，与前期课程形成相互补充和提高的关系，同时也为后期选修嵌入式技术课程打下良好的基础。在明确课程改革目标之后，我们对单片机原理课程进行了重新规划，其内容包括：STM32F10X系统及其架构、电源控制与时钟系统、通用和复用IO功能、中断和事件、DMA控制器、实时时钟RTC、独立看门狗和窗口看门狗、通用定时器TIMx、控制器局域网(bxCAN)、I2C接口、SPI接口、USART接口、模拟数字转换器(ADC)等。对课程重新规划后，学生不仅能接触到最新的单片机技术，而且能掌握STM32的使用和编程方法与技巧。

2.2 建立一种理论教学与实践教学无缝连接的教学模式

针对传统教学模式的弊端[1]和该课程的特点，我们对课堂理论教学和实验教学进行了大胆的改革。尝试把课堂理论教学搬到实验室，使理论教学与实践教学融为一体，并做到了无缝连接。这就使理论教学和实践教学相互渗透和相互融合，大大强化了课程的教学效率。通过采用这种教学模式，很多难以理解的接口问题可以通过现场的实验演示和学生亲自动手实践来解决，学生感觉到理解接口的基本概念、工作原理和编程方法容易多了。这种在实践中学习和在学习中实践的过程，打破了理论教室和实验室分离的传统教学环境，建立了理论与实践合为一体的全新的教学模式[2]。这种模式将“教师讲、学生听”的被动方式变为了学生全程参与的主动教学方式。通过把教学内容、实验演示和实验内容巧妙的结合，使教学内容更加充实，也使教学活动更加生动。

2.3 注重培养学生的兴趣和热情

“兴趣”是最好的老师[3]和最好的学习动力，只有让学生有了兴趣，才能使他们更好地完成课程的教学内容。课堂演示实验的设计是提高学生“兴趣”的关键，只有设计出一个个生动有趣的实验现象才能激发学生的兴趣。为此，我们在设计实验现象上动了很多脑筋。结合实验平台的资源，我们充分利用LED指示灯、按键开关、数码管、LCD等资源展现实验现象。学生可以在自己的实验平台上对实验进行演示，看到期望的效果。为了改变现有接口的工作方式，要求学生在课堂上完成不同功能的实验设计，并用正确的实验现象展现出来。这种以实验演示为基础，并根据课程内容完成更复杂的实验内容的方法，能使学生很快地进入实验设计环节，同时也大大提升了学生对接口中各种功能的兴趣。按照这个思路，我们将教学和实验紧密结合起来，连贯操作，使学生逐步进入预想的学习境地。学生的兴趣逐步地提高了，教师对课程教学完善和更新的积极性也大大提高了。

3 实践教学改革

3.1 建设新型实验平台

为了配合单片机原理课程改革，学院为这门课程购置了50多台用于课堂教学的微芯力科STM32教学实验箱，还购置了30多台用于课后实验的STM3210E-LK小实验板。如果按每个教学班60名学生计算，基本能保证每个学生上课时拥有一台STM32教学实验箱，与教师同步进行教学演示和课堂实验。另外30块STM32小实验板发给学生进行课后实验，保证每两名学生使用一台实验装置在课后完成相应内容的课后实验。这样学生就可以利用课外时间在宿舍或其他地方使用STM3210E-LK小实验板完成各种实验。

3.2 设计课后实验的内容

让学生在课后完成必要的实验内容对这门课程的教学质量的提高是至关重要的。这些实验的设计要紧密结合课堂教学的内容，但又要与课堂实验有所区别。我们设计了相应的课后实验指导书，要求学生在STM3210E-LK小实验板上完成。实验指导书的主要内容有：利用GPIO端口控制LED指示灯闪烁的实验、系统定时器SysTick使用方法的实验、系统独立看门狗IWDG实验、利用DMA完成存储器到存储器之间的数据传送实验、利用TIMx产生脉冲宽度调制信号PWM的实验、利用USART的中断方式通信实验、单通道ADC的模拟量转换实验、单通道ADC的模拟看门狗实验、利用bxCAN进行自环数据传输实验、SPI1数据传输实验、中断方式的I2C1到I2C2接口间的数据传输实验。上述所有实验的现象都必须通过LED、数码管、LCD等装置展示出来。

3.3 强化对学生综合应用能力的培养

通过上述教学过程，学生掌握了各种接口的使用方法，但如何将STM32中的各种接口有机地结合起来是衡量学生综合应用能力的重要标志，也是我们教学要达到的目的。因此，我们在课程最后要求学生在现有实验平台所提供资源的基础上，设计并完成一个综合性的应用实验，实验最好与实际应用相结合，以加大综合实训教学的力度[4]。综合实验的过程就是对学生产品创意能力、实验规划和设计能力以及动手能力的培养，也是衡量课程教学效果的重要标志。

3.4 延续单片机原理课程改革的成果

单片机原理课程的改革对选修这门课程的学生产生了很大的影响。在毕业设计选题时，很多学生愿意选择STM32单片机应用的题目，这在以前是不多见的。另外，受到高年级学生的影响，很多低年级学生在选择大学生创新实验项目时，也愿意选择与STM32单片机相结合的应用题目。近年来，笔者指导的与STM32单片机有关的课题有“模糊控制在实验田灌溉中的应用”“住宅安全远程监控系统设计”“酒店大厅灯光节能自动控制系统”等。这些新技术影响了很多学生，提高了他们的综合实践能力，相信这将会影响他们的未来。

4 考核与评价方式

掌握STM32新型单片机技术和提高实践能力是我们对学生的基本要求，也是课程考核的重要目标。考核实践能力而非考核记忆能力是我们课程教学对学生评价的重要方面。多年来，我们一直开卷考试，并保持部分试题源自实际应用，强调以应用为导向的试题内容。另外，我们增加了学生平时实验成绩的比例(总成绩的评定方案：考试成绩占50%，实验成绩占50%)，使学生在平时实践活动中展现的能力得到认可，这样学生在平时学习时就注重实际综合能力的训练。