基于单片机课程应用能力培养的实践教学体系构建

刘开绪，杨桂花，马骏驰

(大庆师范学院物理与电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163712)

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095－0063.2014.03.040

1 实践环节贯穿式的单片机教学方式的提出

单片机在工科电类专业教育中占据重要地位，单片机课程涉及芯片内部结构、编程语言及高级语言软件环境、外围接口硬件资源等，它能够将电子技术等先修课程联系到一起，属于技术性、实践性、工程性很强的一门课程，但在目前的教学中主要存在以下两方面问题:

1.1 理论与实践环节脱节

单片机的语言是与其硬件紧密联系的，单片机系统是软件和硬件的有机体系，初学者会感觉很枯燥。中断的概念、可编程定时器/计数器、串行通讯、系统扩展等教学环节，一旦学生出现厌倦情绪，或者跟不上教学进度，学生就会掉队，并以此产生厌学情绪。传统的教学是理论教学先行，开课两三周之后才开始第一次实验课，而且不是每周都有实验课，造成了理论教学与实践教学环节衔接松散。学生如何理解“01H”既能代表地址，又能代表数据，到底有什么区别?存储器空间的概念为学生交代不清的话，那么就会使得学生无法理解后续的内容。如何一开始就能够降低学生学习的难度，使生涩难懂的内容变得直观和形象，不断激发学生学习的浓厚兴趣呢?教学活动全程融入实践环节是真正解决问题的关键。

1.2 传统实验资源、实验模式的不适应性

传统的实验台、实验箱的资源整合很紧凑，学生只能按部就班地进行连线实验，创新发挥的空间十分有限，这体现了现有实验资源的不适应性。能否将实验资源设计成开放式的、模块化的、组合式的，从而使学生以单片机核心板为基础进行按需扩展，充分发挥单片机应用灵活多样的应用特点。

传统实验模式是实验教师给定具体的实验题目，每次实验课学生都在规定的试验箱上做同一个项目。试验箱上的资源确实很丰富，但多数学生只能机械地进行连线、下载给定的程序，验证固有现象而已。传统实验模式束缚了学生的思维，限制了学生创新能力的发挥，扼杀了学生学习的兴趣。

对于单片机教学，如按传统教学的陈规，学生在校或毕业已无法面对新形势的挑战，他们应聘就业时底气不足。面对这些问题，作为教师，应大胆地进行课程教学方式方法的研究，让学生在学好基础知识的同时，迅速掌握单片机的设计应用技术，以培养学生综合素质与实践能力的有效方法，为培养“落地型”技能人才所做的努力都是必要的。解决这些不适应性就需要从教学环节、教学资源、教学模式等多方面着手，为此我们结合实际教学提出了实践环节贯穿式的单片机课程教学改革。

2 新型实践教学方式的构建

2.1 演示实验进课堂

首先是开发与课程内容相配套的系列化演示实验教具。演示教具来源于教师的精心设计，起初需要教师亲自制作，也可以珍藏学生的设计作品;图片及视频资料，来源于从学生的创新设计、各类竞赛中获取的资料，或来源于网络资源等。课堂上通过演示实验、播放视频及图片资料加强学生学习的直观感，克服学习的畏惧情绪，激发学习兴趣。

在第一次课或每一次课的导引部分，除了简要列举大量图文并茂的应用案例外，把一些新颖的作品的视频、实物带进课堂，并简要介绍它们的工作原理及应用，创建一个“单片机不但有用而且有趣”的情景，从而激发同学们的学习兴趣。

其次，设计开发STC89C52核心板，它采用USB线供电，H340型USB转串口下载线，另配5V稳压电源及光盘资料。STC89C52核心板上整合了16位LED、8位SW按键、4位数码管、1个蜂鸣器、1个继电器、1 块24C02 串口存储芯片［1］。

该核心板能够完成I/O端口实验、中断二级嵌套实验、定时器实验等，两块板可以进行串口通讯。只要有一台电脑，学生在哪都可以进行实验。在机房课堂上，学生跟随教师完成课内训练内容。课外，学生可以在宿舍、家庭等场所继续实验练习，这种方式便于在学生中形成共同学习单片机的氛围。

理论教学与“实物”相结合之后，使得单片机教学中所涉及到的抽象内容变得直观易懂了，使得学生直观具体地认识和了解单片机的实际工作和应用方式。在教学中为学生提供电路板的完整电路原理图，将课堂教学的内容和其“实物”联系起来，并逐步让学生学会读图、识图，为设计单片机系统的应用电路打好基础。

开发的单片机核心实验板套件成本价控制在50元以内，可鼓励学生购买后自行组装焊接使用，或者实验室提供成品板供学生租用，保证每生人手一套。拥有核心板的同学可以把核心板传承给下年级学生继续使用。

2.2 教学过程强调三种技能培养

在教学过程中强调基本技能、综合技能、工程应用技能的培养。课堂理论教学着重强化基本技能训练和培养，结合课程内容，强化各模块的训练项目，这也是将来进行工程应用的基础;课内实验教学重点强调综合技能培养，训练项目以综合设计性、研究型项目为主，锻炼学生综合运用知识的能力;课堂之外教学环节，在课程设计、学科竞赛、毕业设计等多元化实践教学环节中，以工程项目为训练内容，重点强调工程应用技能的培养。把对学生要求的知识和技能相互融合，使之成为一个有机的考核体系。通过给学生布置项目或学生自选项目，让每位同学选做一个。项目可以是一个单片机控制的模拟系统，如恒温加热系统，也可以是一个单片机控制的电子产品，如智能壁障小车等［2］，并要求在指定时间内完成，并验收答辩。在学生制作实物的过程中教师给予必要的帮助和引导，并鼓励学生充分利用教材及其他参考书等资源独立完成项目，锻炼学生独立开发单片机产品的能力。

所提倡的新型教学方式使实践环节融入到单片机课程教学的全过程，不同的阶段、不同的层次安排不同的训练项目，侧重培养不同的技能。调动起学生学习的积极性后，以学生为中心的氛围就会自然形成，培养学生综合技能的目标才能更好地实现。图1为单片机课程教学活动流程图。

图1 单片机课程教学活动流程图

在传统的教学模式中，都是按照单片机的结构体系来授课的，存在很多问题。在本门课程教学过程中，我们用模块化、项目驱动和任务驱动教学方法为主，将课程中所学的知识内容划分成若干个教学模块，每个模块包含一个或几个知识点，理论及实训均围绕模块展开，每个模块以工程项目为背景，项目涉及的内容采取任务驱动方法。教学中以学生为主体，教师为主导，以知识点应用为载体，以培养学生实践能力为目的。

在单片机课程教学活动流程中，贯穿于三条教学活动主线的是教学团队建设和学生能力培养。

3 实践教学体系建设的配套保障

3.1 推行实验室开放

学生想要完成某些工程项目的验证，缺少的实验模块和器件怎样解决?我们采取开放实验室并出借资源的方式来解决。学生可以在实验室开放的时间段利用实验室资源完成设计和制作，也可以租借单片机扩展模块，并定期归还。如实验室可以提供LCD12864、18B20、Zigbee无线通讯模块、陀螺仪、直流电机、舵机、步进电机、机械臂、履带车体、L298驱动模块等，租借方式为学生提供了使用实验资源的有效途径。

为了保证开放性实验管理有序进行，我们完善了实验教学网站建设。学生可以在网站上预约实验实践、实验项目，网站的建设也促进了实验室开放的管理。

3.2 课程网站建设

经过几年的努力，我们建成了校级单片机精品课程网站，为学生提供了系统的训练项目及学生交流互动平台，为课程教学提供了强有力的资源平台支撑。

3.3 教学团队建设

学生技能的培养是教学的结果，而教学是师生双方互动的过程。没有高素质的教师，没有高水平的教学团队，就传授不了先进的教学思想和系统的知识。要完善教学团队建设，就得使教师参与到教学的全过程之中去锻炼，每位教师都胜任理论教学、实践教学，都具备指导竞赛、指导毕业设计的能力，过硬的教师队伍建设势在必行。

3.4 实验硬件条件的保障

课程团队自行设计制作了20多个演示实验教具，引导理论教学起到了很好的教学效果。自行开发了STC89C52RC及C8051F020单片机最小实验系统板及外围扩展模块，并在大学生电子设计竞赛中付诸应用，取得了很好的效果［3］。实验室现有沈飞生产的51/86单片机原理试验箱30套，北京新华龙电子有限公司生产的C8051F020试验板30套，及模块组合式试验箱30套。

通过课程改革研究，实现理论与实践互动、师生互动、直观与抽象互动，实现现代教学和传统教学相结合、虚拟实验和真实实验相结合、基础实验和工程综合应用相结合，全面提升课程的教学效果。

4 结语

新型的教学方式试行两年多来，取得了演示实验教具30多件，自行开发的单片机核心板有STC89C52、C8051F020、MSP430－169系列及 M3－Cortex系列，及 ADC/DAC、MOTOR、8位 LED 数码管、LCD12864等配套模块近20种，设计出了模块组合式单片机试验箱。近两年来，学生参加电子设计竞赛取得了省级一等奖一项，省级二等奖1项，三等奖6项的成绩，主持省级大学生创新项目四项，并在课程设计、毕业设计展示了单片机使用的灵活性。

［1］王效华，张咏梅.单片机教学改革的探讨［J］.武夷学院学报，2010(4):93－99.

［2］刘开绪，张维，郭险峰.电工电子实训教程［M］.长春:吉林大学出版社，2013.

［3］宋蕴璞，裘文进，徐鸣谦，等.单片机实验教学方式探讨［J］.高等教育研究，2007，12:46－48.