单片机课程教学改革的研究与探索
2018-08-23
（大连大学 信息工程学院 辽宁 大连 116622）
随着电子技术的发展，单片机已经被广泛应用于智能家电、工业自动化控制、智能化仪器仪表、汽车和通信等领域，单片机开发能力的强弱已经成为学生寻找理想工作的必备技能之一，因此单片机应用方面的相关课程目前成为工科院校电信、通信和自动化等各类专业的必修课程。
《单片机原理与应用》把微机原理、模拟电路、数字电路、接口技术、通信技术等知识综合在一起，具有很强的技术性、工程性和实践性，但是却存在着理论教学内容与实践脱节、仿真实验箱设备陈旧、实验内容简单等许多问题，学生上课效果不太理想，因此单片机应用课程的教学改革就成为很重要的教研课题。
为了适应新形势下本科教育的培养目标，笔者结合自己多年的单片机教学经验、带领学生的参赛经验以及目前通信专业大学生的就业现状，在此浅谈一下对单片机这门课程的教改研究和探索。
1 单片机教学改革的必要性
首先，传统的单片机课程教学一般是按照教学培养计划和大纲，参考教材章节顺序，再配以少量的实验学时，理论教学基本上还是以教师讲学生听的方式为主[1]。我校通信专业《单片机原理与应用》经过教学计划的调整，学时上比原来减少8学时，而且还去掉了先修课程《微机原理与接口技术》，导致课堂上要求讲解的知识点增多，造成学生遇到的问题无法在课堂上得到一一解决，致使学生学得很吃力，老师教得很辛苦。
其次单片机实验箱自身开发能力较弱，大部分实验内容只能以验证性实验为主，想安排由学生自己独自编程完成的设计性和综合性实验，设备受限不易开展，因此影响了学生实践思考的深度及广度。
因此传统模式的单片机教学已经不能满足学生的实践需求，软硬件综合设计能力无法提高，无法培养高能力高素质的应用型人才，所以对单片机应用的课程教改是十分必要的。
2 教学改革方法探索
笔者针对目前我校《单片机原理与应用》在教学过程中存在的问题，尝试将单片机的理论课堂教学、实验教学与课外实践项目活动结合起来，进行改革的初步探索，从而提高学生的独立分析问题、解决问题的能力和实践动手能力。
2.1 引入实践项目教学法
实践项目教学法是以课外实践项目为中心，以proteus、protel、keil等软件平台为手段，以教学的内容为依据，以实际应用为目标。根据理论课程的不同章节内容，引用一些知识点相关的单片机应用实例作为实践项目题目，以这些实践项目的开发过程和方法为主线，重点研究实践项目与书本理论的知识链接和知识拓展关系。
项目基本涵盖《单片机原理与应用》课程所涉及的大部分教学目标规定内容，而且多选择一些与实际生活很贴近、学生比较感兴趣、有一定的难易区分度的工程项目，与教学同步，将单片机课程的主要知识点融入到一个个具体的项目中，整个项目的完成过程与教学流程同步进行[2]。
在整个项目设计过程中，先由学生独立提出项目设计方案，由教师组织各项目小组对设计方案进行分析和论证[3]，确定方案后开始进行设计，再通过仿真软件对电路进行仿真，最后撰写项目总结报告，也可以进行实际电路硬件的安装调试。
实践项目完成后，进行项目考核，评判依据可以按完成实践项目的先后顺序、完成的质量、项目总结答辩时提出问题回答情况及学生表达能力等几个方面，并将考核情况纳入《单片机原理与应用》课程考核中。
2.2 结合proteus与protel等软件平台的教学手段
学生根据实践项目的设计内容，用Protel软件或者Proteus软件绘制电路原理图，利用Proteus软件平台对程序和电路进行软件仿真调试。Proteus仿真软件非常适合课堂上的项目设计运行结果演示，将proteus和理论教学相结合，可以增强教学的生动性和直观性，加深学生对理论知识的理解和软件控制的实现过程。
个别有能力的小组，在软件仿真调试成功后，可以用protel软件绘制电路原理图后再进一步生成PCB板，然后采购芯片和元器件，焊接硬件电路，烧写程序，进行实际电路的软硬件联合调试，最终完成设计产品，实现设计任务。
因此结合实践项目教学方法，有效引入这些软件平台工具，是本项目的一个主要改革内容，重点研究项目教学中的项目设计及演示方法。
2.3 发挥团队协作的教学方式改革
针对每个实践项目，使学生采取分组的方式来完成，每个小组成员根据不同的能力和优势各自负责不同的工作。在整个教学周期内，让小组团队提出项目设计方案，教师以启发引导为主，鼓励学生相互谈论，加强团队合作，对出现的问题，给出解决问题的思路，最终完成项目总结报告，并在课堂上演示运行。
2.4 与大学生科技竞赛和课外兴趣小组相结合
组织学生参加单片机应用课外兴趣小组，定期组织活动，进行单片机相关知识的针对性训练，并从中挑选动手能力强的优秀学生去参加全国性的电子设计大赛等比赛，将课堂上所学的理论知识充分地应用到实践和比赛项目中，这样做不仅可以满足优秀学生的学习渴求，也激发学生主动学习主动思考的热情。
通过这些科技竞赛，可以使学生在短时间内对单片机和电路知识进行快速吸收、提炼和升华，也使他们的单片机系统开发能力达到一个新的境界和高度。
3 教改的实施结果
教改在通信15级中开始尝试实施，首先在单片机未开课之前，先安排学生按照能力分组，并自学相关软件。在单片机开课后根据难度系数选择实践项目题目，开始以小组为单位进行项目设计。
下面列举其中几个项目的设计要求、涉及到的知识点、项目的难度系数（星号数量），以及学生经过设计后实现的软件仿真图。
题目一：基于单片机的电子时钟设计（*****）
设计要求：用六位数码管显示电路，设计一个电子时钟，显示格式如下：XX.XX.XX，由左向右分别显示时.分.秒功能。
知识点：单片机最小系统、定时器中断、数码管显示
软件仿真图如图1。
图1 基于单片机的电子时钟设计项目仿真图
题目二：方波--三角波信号发生器（*****）
设计要求：利用D/A转换芯片，用两个按键分别实现三角波、方波信号的输出，并用软件平台上的示波器显示出来
知识点：单片机最小系统、按键编程、D/A转换
软件仿真图如图2。
图2 方波--三角波信号发生器项目仿真图
题目三：交通灯的仿真设计（*****）
设计要求：红绿灯交替亮；当绿灯亮的时间还剩5秒时，黄灯同时亮；5秒后，红灯亮。红绿灯亮的时间分别可任意调整（＜100秒）。
知识点：单片机最小系统、定时器中断、I/O口输出
软件仿真图如图3。
图3 交通灯的仿真设计项目仿真图
通过教改项目，大部分学生提高了对单片机学习的兴趣，积极参加嵌入式工作室或者是单片机课外兴趣小组，在近两年的大学生电子设计大赛和全国嵌入式设计大赛中，取得了很好的成绩。
另外，通信15级几名学生申请的大创课题《基于stm32的蓝牙遥控仿生六足机器人》项目，方案是基于stm32单片机、蓝牙模块、android控制端对六足机器人进行步态控制，通过设计实现了一个控制系统灵活、自主性强、功能全面的仿生六足机器人，因为完成出色由校级课题升格为省级和国家级课题。
硬件展示如图4、5、6所示：
图4 蜘蛛趴下动作展示
图5 蜘蛛站立动作展示
图6 蜘蛛行走动作展示
4 结论
通过对单片机教学的改革，以实践项目教学法为核心开展教学、充分发挥计算机仿真平台辅助教学的作用，同时结合课外大赛与兴趣小组，采用这样的教学手段，可以使教学内容更加生动丰满，有效增强教学效果。不仅可以使学生掌握开发技巧，学会由简单到复杂的单片机系统应用，单片机开发思路逐步变得清晰；也可以让学生课堂上学习的内容有实践应用背景，学生由被动学习变为主动学习[4]，培养了学生独立思考能力、独立解决问题能力和独立开发应用能力。
通过总结多年来教学过程中的经验发现，只有不断改进教学方法和手段，及时了解教学发展动态，与时俱进，及时更新理论和实践教学内容，才能提高教学质量。
