以应用为目的单片机实验教学改革

董铮++张其林++宁彬++项东升

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.025

摘 要： 单片机应用的迅猛发展使企业对单片机人才的需求越来越大。针对当前单片机实验教学现状与目标定位，结合CDIO工程教育模式，提出了以应用为目的的教学模式加强实验效果；结合实际教学情况，从实验教学内容、实验体制变革等多角度分析与思考，建立“项目驱动、分层递进”进行教学，从而进一步发挥学生的主观能动性，提高学生综合素质与工程实践能力。

关键词： 单片机； 实验教学； CDIO工程教育； 主观能动性

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）09-86-03

Application-oriented single chip microcomputer experiment teaching reform

Dong Zheng， Zhang Qilin， Ning Bin， Xiang Dongsheng

（School of Mathematics & Computer Science， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： With the rapid development of the application of single chip microcomputer， the enterprise needs more and more talents of single chip computer. In view of the current situation in experiment teaching of single chip microcomputer and target positioning， combined with the CDIO engineering education mode， the application-oriented teaching method is proposed to strengthen the experimental results. The method combined with the actual teaching situation， by analyzing and thinking of the experiment teaching contents， experiment system changes and so on， establishes the "project driven， hierarchical progressive" teaching， so as to further give full play to students' subjective initiative， improve students' comprehensive quality and the ability of engineering practice.

Key words： single chip microcomputer； experiment teaching； CDIO mode； subjective initiative

0 引言

目前各个高等院校在单片机原理课程中，实验实践教学环节普遍较弱。大多沿用“验证型”实验方法。实验时学生只需按实验指导书中程序敲入计算机，完成实验的速度和质量并不取决于学生对单片机实验的掌握和理解程度，而是取决于敲击键盘失误率的高低。在该课程后，学生也往往对单片机的整体结构和应用方法不甚理解；进入相近岗位工作时，往往需要经过一个较长的再学习过程才能达到工作要求的最低能力。因此，改进和加强单片机原理实验教学，是一项十分必要的工作[1]。

1 课程实验教学现状

单片机实验课程是一门实用性较强的课程，其教学的核心目的是使学生获得通过利用单片机等一些器件来解决日常生活中实际问题的能力。因此，实验教学在整个教学中占有很重要的地位。在进行理论教学的同时，必须同步进行实践教学，这样才能使学生真正理解教学内容。实验教学并非教学的辅助手段，而是整个教学的重要组成部分[2-3]。从现实情况看由于种种原因，理论与实验课程往往不能同步或顺次进行，课堂知识不能及时通过动手实践巩固，过一段时间往往知识点就全忘了。

1.1 教学目标定位

湖北文理学院是一所地方性本科院校，其人才培养目标是以“培育英才，服务社会”为宗旨，为本地经济发展服务，这就要求其开设的课程需紧密结合地方特色，培养应用型人才。为此，我们将单片机课程传统理论化的教学转变为强调工程实践，以培养学生动手实践的能力为目标，同时也可以有效缩短学生毕业后在工作岗位的见习期，为其从事相关的嵌入式系统应用开发打下坚实的基础。

1.2 调整优化实验教学内容

单片机原理及应用是物联网专业的重要专业基础课，其先修课程是模拟与数字电路、C语言、 微机原理等相关课程。这些前期所学习的系统开发知识技能，在实验中学生无法将所学知识进行有效关联，而实验教学往往只是验证实验，对于为什么要做，怎样做这样的问题，往往不会进行深度思考。所以教师需要结合日常实际对实验教学内容加以整和优化，既要考虑学生可以接受的程度，又要突出培养学生灵活运用所学知识的能力，优化后实验教学内容。实验设计详见表1。

表1对部分实验教学内容，如关于软件的安装、数制的转换、存储器芯片读写等与计算机原理与接口技术等相关课程的实验内容相重复的做了删减处理，这些部分要求学生自主学习。要求学生课下自学汇编语言，以便从底层彻底了解单片机工作原理，与C语言等高级语言编译结果进行对比实验，以利于课内实验教学的深层次开展。

单片机课程实验教学安排18学时，实践时间较为紧张，且最后几个实验对学生综合能力要求较高，这就要求学生课下需下足功夫。课余时间实验室开放，开放的实验包括：C51开发环境的熟悉、多位BCD码加法程序、LED显示器静、动态显示、直流电机转速实验、步进电机正反转实验、TFT液晶显示彩色条纹实验、16X16LED点阵显示汉字实验，相关开放实验项目均编有实验指导，且附源程序供学生参考。

2 以应用为目的，加强实验效果

2.1 注重学习理念

如今科技发展日新月异，对于还学习单片机的质疑在学生中影响很大。这需要让学生理解如下目的：学习单片机不仅是要了解其内核和工作原理，熟练c语言，更需知其“外部功能”，包括ADC、DAC、PWM、比较器、定时/计数器，外部中断、UART串口、总线控制器，USB接口、看门狗、EEPROM存储器及相关外围电路，掌握它们的使用方法并应用在产品上才是真正掌握单片机技术的评判标准之一[4]。市面流行arm系统，大家都想学最新、最好的技术，但容易让每一项技能都不能精深，最后一无所获。对于不断推出的单片机型号，性能的提升，应该是建立在对已有单片机深刻理解的基础上，对如何把最适合的控制系统融入到产品当中这个问题，“应用”才是我们最应关注的。端正了这个态度，让学生一步一个脚印，踏踏实实研究透51内核，在此基础上再向高方向、高层次发展。

2.2 培养学生兴趣能力

对于单片机如何从“兴趣”入手，在C语言课程后我院专门开设了基于Arduino的工科类实践教学选修课程。该课程主要以Arduino为平台，它是一个核心器件由ATmege328组成的微控制器，该平台包括I/O功能电路板及一套程序开发软件环境。系统入门简单，制作丰富，在各种系统原型设计方面得到了广泛应用，同时可进行大量应用型教学。我们从学生日常生活中遇到的小问题出发，布置课下“兴趣”作业如：家用自动浇花系统设计、简易自动循迹小车系统、PM2.5自动检测报警系统等实用项目，极大提高了前期同学们对单片机的兴趣。接下来开设单片机课程进行实验时，学生对外部接口、存储器等抽象概念都有了比较清晰的认识，教学效果良好。

2.3 实施预备课的实践教学模式

如2.2所述，在开设单片机课程之前，要求学生尽量选修Arduino的工科类实践教学课程，以此作为单片机原理课程的预备课程。实验内容如表2所示。

开放实验项目要求学生组团完成，允许高年级学生参与指导实验设计，并计入课外学时，后面的系统实验对学生全面掌握本学科动态有着十分积极的作用。通过使学生“做中学、学中做”，达到技能训练的目的；通过制定以实践能力和创新能力为主要指标的考核方案，使学生的创新精神得到肯定，其学习动机更加明确。

2.4 建立“项目驱动、分层递进”的模式

物联网的终极目标是“万物互联”，而单片机是构成物联网世界最好的解决方案的枢纽。为此，我们积极推进“项目驱动、分层递进”的模式，其具体教学模式如图1所示。

传统课堂教学已远远不能满足当前人才培养模式的需求。为此，我们尝试由多个环节组成的实践教学模式。其中理论与实践教学相结合，使学生基本学习能力得以提高；大二、大三学期实施大学生创新创业计划，开放2.2的开放实验项目，协同部分教师教科研项目，努力提高学生实践创新能力。通过项目找“灵感”，让学生有自己的想法，扶持学生“站“起来；在大四时，通过举行或参与高质量学科竞赛、企业顶岗锻炼，来使学生自己能“走”，边“走”边“赛”，以学促赛，以赛促练，形成一个良好的循环，为学生今后毕业走向社会提供多次“历练”的机会。

2.5 实验实践教学设备自制

在实验教学中我们注意到，单片机实验教学一般是采用厂家做好的集成度较高的实验箱来完成实验，而这种实验箱一般主核心元器件均已固定，实验面板划分为各个功能区域模块。实验时，学生连通跳线，编写好的程序烧录至芯片即可完成实验。由于芯片集成，学生对于关键芯片引脚往往不清楚，有时出现误插导致芯片烧毁事件时有发生[5]。由此导致学校维修资金紧张，严重影响实验教学效果。

为此，我们组织学生经过一学期学习后自制作品来展示自己对单片机这门课的理解程度。作品设计包括自选和指定两种。指定项目包括：电子钟、数字温度计、循迹小车控制系统；自选作品要求能贴近生活，且尽量用简单的散件组装，这样更有利于进行实验操作和二次改进。对于较好的作品进行筛选和汇总，设计了八段数码管动态显示、PWM控制蜂鸣器的几个基本实验板，在下一届学生实验教学中可以进一步改进或做二次开发，让学生进行比较分析，开动自己脑筋，“升级”实验板，使实验室设备走出维修困难的被动局面。

3 结束语

单片机实验课程是物联网专业基础实验课。通过一年多的实验教学改革探索，与传统单片机原理实验课程相比，基于以应用为目的的单片机实验教学在我院物联网专业人才培养上取得了初步成效。目前学生学习动力充足，在实验室开放过程中有多个大学生创新创业项目产生，已获国家级创新创业训练项目一项，建成多个校外实践实习基地，学生在多个学科竞赛中取得较好的名次。下一步，我们将认真总结学科实验教学特点，以学生为中心，继续巩固以实际应用为目的的实验教学理念，培养学生严谨的学习态度，提升其理论水平和实践动手能力。

参考文献（References）：

[1] 李洁，李卫兵，杜玉杰.《单片机原理及应用》实验教学改革与

实践[J].实验科学与技术，2012.10：92-94

[2] 翟玉文.单片机课程教学改革探究[J].吉林化工学院学报，

2013.30：34-37.

[3] 张鑫，张岩，杨莉，高群.单片机实验教学改革与探索[J].计算机

教育，2007.8：28-30

[4] 杜洋.2016年还要不要学习单片机[J].无线电，2016.4：

73-75

[5] 董铮，张其林，宁彬，谷琼.基于CDIO模式下单片机实验教学

改革[J].计算机时代，2015.9：75-76