单片机原理分层实验教学的探索

张婧婧 李勇伟

(新疆农业大学 计算机与信息工程学院，乌鲁木齐 830052)

单片机原理分层实验教学的探索

张婧婧 李勇伟

(新疆农业大学 计算机与信息工程学院，乌鲁木齐 830052)

结合传统实践教学存在的问题，探索单片机原理分层实验教学的新模式。以I/O接口实验为例，阐述了分层教学模式的架构，剖析分层教学中如何因材施教，有效提升学生的实践能力，激发学习潜能。同时，将分层模式持续推广到各类电子设计活动中，实现单片机实践教学体系的完整与统一。

单片机原理；分层教学模式；实验教学；I/O接口

单片机原理作为一门实践性很强的专业基础课程，被广泛开设于自动化、电子信息工程、机电一体化等专业。为了优选适于学生使用、由浅入深、由易到难的课程实践模式，各高校都着力制定或已经形成了一系列教学改革措施[1-2]。新疆农业大学计算机与信息工程学院电子系的单片机实践教学同样进行了深入改革，由单一的验证型实验变为“仿真+电子制作”的综合型实验，分层教学模式的雏形已经建立并初见成效。文中通过I/O口分层实验的介绍和剖析，探讨了单片机实验教学改革产生的深远影响。

1 分层实验构想

传统单片机实验教学中，实验内容均依据模块展开，如基本输入/输出实验、中断实验、定时器/计数器实验、串口通信实验、存储器实验、I/O口扩展实验、键盘/显示器实验、AD/DA转换实验等[3]。上述内容虽贯穿全书，但彼此独立，不易形成综合型项目，在进入课程设计环节，学生往往不知所措、难以下手。由此推断，传统实验模块之间既需彼此关联，更需加强深度。只有分类并细化各模块的实验内容，在不同层次中拓展其深度和广度，才有助于建立模块间的内在关联，自然地形成综合型、设计型的实验项目。

2 分层实验实例

分层实验教学旨在将某类实验项目由浅入深地按层次划分，并循序渐进地展开[4]。本文以AT89C51单片机实践内容为例，将I/O口的多层次实验教学内容展示如下。

2.1 基础层

在单片机学习的入门阶段，基础的电路和简易的程序无疑可以帮助学生建立学习信心，培养学习兴趣。在基础电路中，实验内容应以基本输入/输出电路为主，如多路按键的输入、单只数码管的显示输出等实验，如图1所示。开设此类实验旨在通过简单的交互式电路吸引初学者的兴趣，避免其对大规模程序设计望而却步，也将为后续综合型实验储备基本的外设模块，提高设计效率。

实验中，学生不仅需要建立简单的输出电路，还要掌握单片机最小系统及软件译码、硬件显示等基本概念，初步形成I/O口实验的基础层次。

此外，单片机原理作为专业基础课，其先修课程为模拟电子技术、数字电子技术、电路原理等。对学生来说，如何尽快地建立软、硬件结合的设计思想，顺利完成硬件电路向“硬件+程序设计”电路的过渡，也成为单片机基础实验层中亟待解决的问题。

2.2 设计层

当单片机原理课程进入基本技能培训阶段时，用于输入、控制及显示的设计型实验就应该提上学习日程。如4×4键盘将成为常见的输入电路，1602液晶、16×16点阵、多只数码管的动态扫描则会成为常见的输出电路。上述的输入、输出电路加上单片机的查询、中断、定时器及串口控制，就构成了难度适中、具有一定技巧性的设计型实验，如图2所示。对此类实验的研究不仅可以巩固单片机原理课程的控制理论，还能够帮助学生有效解决交互电路中常见的程序设计问题，使其在基础实验层之上迈进一大步。

图2 16×16的点阵设计

如图2所示，16×16点阵显示实验中，无论进行字模扫描还是循环显示均涉及对单片机I/O口的有序控制，其扫描和显示的内在关联很大程度依赖于程序的设计。因此，本实验属于I/O口的设计型实验范畴。

2.3 扩展层

当单片机原理课程进入技能扩展阶段时，对于硬件资源的扩充、接口芯片的运用就成为扩展型实验考核的重点。常见的接口芯片中，8255主要用于键盘输入或数码管输出电路的扩展；8251常用于串口通信收发模式的扩展；8253则用于定时器/计数器工作方式的扩展等。上述芯片加上DA/AD转换模块、常见输入/输出模块的使用，能够为单片机应用系统的开发和设计提供丰富的软、硬件资源。相对于基础层和设计层实验的规模，扩展层中的实验项目无论是硬件连接还是软件编程，都将单片机的实践内容推至一个全新的高度。

如图3所示，8255扩展实验中包含着单片机I/O口的地址译码、硬件连接、读写控制等内容，实现单片机硬件扩展、功能增强的设计目标，构成单片机I/O口的扩展型实例。

图3 8255的接口设计

2.4 应用层

应用型实验项目是单片机原理课程实践的最终环节。开发和设计具有一定应用价值且基于单片机的实验系统，其过程包含着对课程内容的全面领悟，以及对应用系统的初步体验，两者均属于深刻的实践经历，对课程理论的全面掌握具有非常积极的作用。在此类实验的准备过程中，除了为学生提供相应参考资料外，还需要根据其在前几个实践环节的表现和知识水平，为其匹配相应的实验项目。对于硬件制作困难、程序设计处于初级阶段的开发者，应为其分配秒表、简易交通灯、简易报警器等小项目制作，鼓励其参与；对于硬件设计经验丰富，程序设计技巧性强的开发者，可为其分配智能小车、环境监测仪、出租车计价器等项目，更能激发他们的学习潜能；若对于硬件设计经验和软件编程技巧均属于中间水平的开发者，为其分配药粒计数器、燃气报警器、智能抢答器、人体红外报警器等项目更为合适，可侧重展示其所学成果。

如图4所示的智能小车以考察单片机I/O口的综合设计能力为目标，包含电机驱动模块、电机调速模块与按键控制模块等设计内容，实现小车的前进、后退、左转、右转等基本功能，如加上循迹、避障模块的软硬件设计，就能完成小车的智能控制，属于I/O口的应用模型。

图4 智能小车的结构设计

3 分层实验效果

对单片机实践内容全面梳理并逐步细分后，学院将课程实践内容分为五部分，包括I/O口实验、中断实验、定时器/计数器实验、串口通信实验、AD/DA转换实验，并将各部分内容分为四层共计20个项目展开，自2012年起试行该分层实验教学模式。图5为本学院近三年单片机实践教学的成绩图表，展示了分层实验对单片机教学产生的积极影响。

图5 单片机实践教学的成绩变化

如图5所示，2012年至今，本院单片机实践的硬件制作从无到有，人数逐年增多，充分说明分层实验教学已经引领和带动更多学生步入单片机类电子设计的大门。

4 分层实验推广

众所周知，基于单片机的电子制作周期较长，从功能分析、电路设计、仿真测试到实物制作需要约2周时间，所以,对所有项目均要求实物制作既不现实，也不必要。只有结合“仿真+开发板测试+实物制作”三种方式才能有效推广分层实验的模式。基础层、设计层实验以Proteus仿真为主[5]，扩展层实验建议在试验仪或开发板中运行，应用层实验则用实物制作，有效提高其设计水平。

同样，在应用型实践环节中，对各类应用项目均提出实物制作要求，对大多数学生而言仍无法胜任。因此，在课程后续的单片机电子大赛、大学生创新项目、毕业设计中，持续开发和设计基于单片机的应用系统，才能真正实现单片机实践体系的完整与统一。

5 结束语

本学院单片机原理课程分层实践模式仅进行了两轮，课程大赛和创新项目也仅持续了两届，学生电子设计能力已经有了明显的改善。伴随着实验室开放问题[6-7]、实验题库建设与更新问题、学生实践水平两极化问题的逐步解决，相信单片机分层实验教学模式会发挥出更大的作用，进而产生更深远的影响。

[1] 贾玉瑛,陈波. 单片机实验教学改革与探索[J]. 实验室科学，2008，11(6)：32-34.

[2] 周向红,李建军. 单片机实践教学的探讨与研究[J]. 实验技术与管理，2007，24(7)：126-128.

[3] 张毅刚，彭喜元.单片机原理与接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4] 冯刚. 单片机实验教学平台的改革[J]. 计算机教育，2010(2)：150-152.

[5] 陈龙,张亚君. Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2009，26(8)：81-83.

[6] 宋蕴璞,周文泳,徐鸣谦,等. 高校单片机教学实验设备与方式探讨[J]. 实验室研究与探索，2009，28(11)：11-14.

[7] 孙文彬. 开放性创新实验教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索，2006，25(2)：17-20.

Exploration on the Hierarchical Experiment Teaching of SCM Principle

ZHANG Jingjing, LI Yongwei

(College of Computer and Information Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Combined with the problems existing in the traditional teaching, we have explored a new mode of hierarchical experimental for SCM principle teaching. Taking I/O interface experiments as examples, we have described the architecture of hierarchical teaching model, and told you how to teach students in accordance with their aptitude, how to promote their practice level orderly and stimulate their learning potential. At the same time, the hierarchical model will extend to all kinds of electronic design activity, and then the integrity and unity of SCM practice teaching system will be realized.

SCM principle; hierarchical teaching model; experiment teaching; I/O interface

2014-04-18；修改日期: 2014-09-09

新疆农业大学授课形式改革基金资助项目(2014SKXS06)。

张婧婧(1981-)，女，硕士，讲师，研究方向：复杂系统，嵌入式理论与应用。

G712;TM

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.025