“单片机原理与应用”在我校机械电子工程专业教学中的改革与探索研究

于淼

摘要：“单片机原理与应用”课程是工科电类专业一门很重要的专业基础课。本文提出了在本课程教学过程中遇到的问题，指出了教学改革和探索的思路；最后在基于AT89C51单片机的城市交通灯控制系统设计过程中实施本教学方法，并得出结论：与同类项目相比，本教学方法具有很强的教学方法先进性，可操作性强，把提出的相关教学方法运用到课程教学中也是目前相关教学研究工作的进一步深入和拓展。

关键词：教学改革；单片机；课程教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）46-0168-03

一、引言

“单片机原理和应用”课程将汇编语言、微机接口知识、通信技术等知识相结合在一起，是一门重要的工程电类专业的专业基础课，技术性、工程性、实践性很强，具有很高的理论性与实践性。该课程作为机械电子工程专业最重要的核心课程之一，具有相当重要的地位[1，2]。虽然针对“单片机原理与应用”课程教学改革的方法有很多，但总体上在我校机械电子工程专业教育教学中，其可操作性较差，大部分方法仅仅是对传统教学法做一些皮毛上的改进或是彻底颠覆传统的学科教育体系。这些改革可以作为学习和借鉴的模板，因此本文针对“单片机原理与应用”课程在传统教学模式和手段上的不足，提出新的解决思路和解决方法，具有重要的理论价值和现实意义[3，4]。

二、教学难点

“单片机原理与应用”是一门非常实用的价值课程：从工业控制到民用电子产品，从大功率电力设备到微弱信号高精度快速采集等，都有单片机应用技术的身影。但通过教学反馈发现，学生们都认为这门专业课程难学，难懂。笔者在“单片机原理与应用”课程教学过程中体会到本课程有下面三个教学难点：

1.传统的单片机教学过程是将系统作为一个起点，在系统结构和逻辑连接前后对课程本身的过分强调，导致了大部分学生的恐惧，影响了他们的学习积极性。

2.长期以来单片教学过程理论教学与实践教学脱节，分开进行。理论讲授以老师为主，学生作为一个听众，被动地跟着老师走，在课堂上，学生处于被动模式，不能积极参与整个教学活动，无法达到教学的目的，即以学生为中心，培养学生的操作技能。

3.实验实践环节和课堂教学环节没有相互连贯和相互印证，低层次的实验与课堂教学相关内容的培训是不够的，学生的课堂学习与实践未能实现有机结合，未能充分体现知识的实际应用，抑制了学生的创造力和学习的主观能动性。

由此可见，传统教学模式不能更好地适应“单片机原理与应用”课程的教学，为了适应新形势下机械电子工程专业教育的培养目标，需要致力于改革传统的教学模式，必须尝试新的模式和方法。

三、一些课程改革和创新探索的想法

1.改革课程内容体系结构和教学内容组织模式。“单片机原理与应用”课程教学内容是高度抽象的，因此对学生在课程学习上的思辨能力要求相对较高。目前的教学内容很少体现出单片机知识在相关领域的实际应用，使学生学习与使用脱节。另外，在实践教学中，不同学生对单片机课程的学习需求没有给予足够的重视，所以有必要对单片机的教学内容进行必要的选择和更新。作者以近五年的“单片机原理与应用”课程教学经验和体会，把教学内容创新为“模块—主题—任务”，即首先将整个课程分为多个模块，每个模块设有多个主题，每个主题由一个或多个任务组成，每个任务和任务目标又分解为任务分析和相关部分知识。针对在如何开展单片机学习方法的研究，为学生提供有针对性的学习指导，激发学生的学习兴趣，培养学生的自学能力以及今后加强教学改革必要性方面，作者提出以学生学习和实践为中心的教学方法，即在老师授课的过程中，学生需要在电脑软件上直接验证编程结果，并要求学生对结果进行分析和操作，对课堂授课的电路和程序进行局部修改，培养学生独立自主掌握单片机电路的应用和设计方法。

2.实验内容设计与开放运营相结合的管理模式。对于“单片机原理与应用”这一应用方面非常强大的课程，虽然课内实验配备了实验管理教师，但理论课教师也需要走进实验室对实验指导，加强理论与实验的沟通环节，这样才能使学生将课堂所学的理论知识进行实践，并将实验中遇到的问题带回课堂讨论。在实验内容设计方面，实验主题可分为基本设计、改进设计和集成设计，也可由学生自主选择。同时，实验编程语言采用汇编语言和C语言来保证学生的编程能力。实验项目设计也提供了一种开放式的建设和管理新模式，为学生准备、复习、电子设计和常规实验提供了良好的环境。同时也充分利用实验室资源调动教师的积极性，在平时的实验基础上，通过与学生的交流和讨论，发现有潜力的优秀学生，逐渐参与教师的科研项目，并发现优秀学生参加全国大学生电子设计大赛。

3.改革考试形式，实现教学与实际应用的统一。“单片机原理与应用”课程的考核机制在过去是比较单一的，虽然有些学生在单片机测试中有很高的分数，但在实践中不会使用。因此，有必要对“单片机原理与应用”课程的考核形式进行改革，以恢复这门课程的生命力，从而满足社会发展的需要。因此，必须加强基础知识考核，注重应用，淡化死记硬背的测试方法。充分利用试题收集和设计，实现教学与应用的统一。作者以“专业知识评估+实践评估”的方式对学生进行考核，20%-30%的比例来评估学生专业知识，70%-80%的比例在实践中评估和检验，主要考查学生熟练运用单片机Proteus仿真软件和Keil编译软件的能力，使学生掌握先进的单片机编程工具和设计方法，由几个学生组成一个考核小组，给每个考核小组一个测试题目，在以小组为考核单元的情况下，每个学生都应该解决题目中相关的问题，这样可以区分并促进学生的学习主动性，从而实现教学与实际应用的统一。

四、基于AT89C51单片机的城市交通灯控制系统设计教学研究实例

下面，结合笔者在指导学生基于AT89C51单片机课程实际教学案例来说明如何进行教学改革以及培养学生思考的独立性。教学系统主要以DB-52EH万能單片机实验开发系统为平台，使其能够模仿城市十字路口交通灯的功能，并且能够满足特殊的控制要求。设计一个十字路口的智能交通灯控制系统，使得东西和南北两个方向的交叉路口所行进的车辆分时准行与禁行，并且两个方向能够根据车流量的大小来自行智能调节通行时间，车流量大的方向，则通行时间长；反之，车流量小的方向则通行时间短。

笔者在讲解中，首先给与充分的时间来让学生们自行了解AT89C51单片机的工作原理，让学生们将单片机理论与十字路口交通灯实践相结合，并让学生们了解AT89C51单片机应用的前景，让学生们清楚AT89C51单片机重难点的划分，并注意不同学生之间理解能力的层次差别等。在学习AT89C51单片机硬件结构的过程中，包括十字路口交通灯部分、人行道红绿灯部分、紧急情况控制系统部分以及通行时间调节电路部分。理论与实践的结合不仅可以实现对现有课堂教学手段的补充，还能够实现大规模教学，通过精心设计的教学过程和认真制作的教学资源，使得教学效率更高。

在讲解AT89C51单片机软件程序设计的过程中，在学生思维受卡处提供思维诱因，在学生思维狭窄时培养他们思维的广阔性，在学生思维肤浅时发展他们思维的深刻性。然后设计各种单片机实验功能，将单片机各知识点有机结合于软件程序设计中，這些程序设计结合着硬件设备要带有最大可能的兴趣性，而不是枯燥的软件编，这可以极大地激发学生的兴趣和想象力，化被动学习为主动学习。最终指导学生们完成如表1所示的程序执行表达表格。

经过硬件系统的元件选择和软件系统的构架设计以及各种数据的计算，学生们大多数得出图2的结果，笔者进而对其打分并完成整个系统的模拟仿真和设计工作。

在学生了解了硬件及软件的使用后，学生顺利地得出仿真结果，从图2中可以看出各个参数仿真结果和变化，图中的数据也很直观。但是本设计系统的功能还是不够完善，在将来本设计系统还将增加更多功能，比如对于时间的随意控制调节，加入摄像头监控的检测方式，以及盲人在通过时对交通灯的控制等，另外随着无线技术的发展，还可以将无线技术应用到智能交通的控制系统中，以使系统更加智能和完善。

五、结论

单片机技术已成为目前应用广泛、发展迅速的一项前沿技术领域，是机械电子工程相关专业研究生需要具备的一项实用技能，本文针对“单片机原理与应用”课程在传统教学模式和手段的不足，针对性地提出了新颖的教改思路，主要解决在“单片机原理与应用”课程教学过程中的教学难点，本教学改革具有很强的教学方法先进性，可操作性强，通过实际教学案例说明该方法具有重要的理论价值和现实意义。最后以实际问题为出发点，旨在为智能交通领域做出一小步的突破，来指导学生实现单片机的交通灯功能、倒计时显示等功能，得到了不错的教学结果。

参考文献：

[1]刘玉丛.单片机技术应用课程实践化教学改革的探索[J].电子世界，2018，（97）.

[2]王桂亮.单片机在电子技术中的应用[J].电子技术与软件工程，2017，3（15）：252.

[3]李楠.基于单片机技术的多机通信系统设计[J].现代电子技术，2016，39（12）：164-166.

[4]王东霞，温秀兰，黄家才，盛党红.工程教育专业认证指导下的微机、单片机原理与应用课程教学改革[J].中国现代教育装备，2016，（21）：32-34.