“单片机原理及应用”课程的教学改革与实践

曾卫华

(中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院， 北京 100083)

0 引言

“单片机原理及应用”课程是高等院校测控技术与仪器、电子信息工程、通信工程、自动化、电气控制等专业学生的必修课。

通过本课程的学习，学生可以掌握程序设计的基本方法和技巧，培养自身对单片机应用系统的综合设计能力，为后续课程的学习和从事自动化系统及相关领域科研开发工作打下良好基础。因此搞好单片机原理及应用课程的教学，对培养学生解决实际问题的能力和创新能力具有重要的意义[1]。然而由于历史原因，单片机教学始终存在以下主要问题: 教学内容难于与时俱进，教材更新周期较长；重理论轻实践，导致学生仅对单片机的原理、概念有所了解，没有掌握单片机应用系统的设计与调试技术，这与社会需求存在较大差距[1]；网络信息化教学程度低，学生的课内课外训练和自主性学习条件差；实验安排不尽合理，验证性实验较多，综合性实验不足。

围绕上述问题，笔者近年来结合教学改革，通过与学生的密切配合，不断地尝试和实践，在单片机教学内容、教学方法与教学手段等方面进行了改革与探索，并摸索出一套行之有效的教学模式，较好地实现了人才培养与社会需求之间的有效对接。

1 教学内容改革

1.1 课堂教学内容改革

(1) 编程以单片机C51语言为主。从单片机技术的发展与就业市场的需求出发，单片机编程语言以C51为主，在学时充裕的情况下，可以先讲授单片机汇编语言。

(2) 增加串行扩展技术，强化最小系统。单片机发展趋势是SoC片上系统或用于完成特定功能的小系统。所以在教学中，将重点放在单片机最小系统，考虑到外围接口串行化的趋势，增加I2C、SPI、单总线等串行总线内容，并通过实例讲解AT24C64、DS1302、PCF8591等串行接口器件和串行扩展中常用的模拟时序编程方法。

(3) 教学中融入最新实用开发软件。打破传统的单片机课程内容与实际开发脱节且只学不练的局面，将单片机开发的最新工具软件和调试设备有机地融于教学中，如μVision、Proteus、IAR及JTAG调试器等。单片机总线扩展操作是教学实践中的重点，其时序是难点，为便于学生理解，教师引导学生利用基于Proteus+Keil软件的虚拟实验平台在80C51单片机上扩展一个8 KB的外部数据存储器。学生自主完成的实验原理如图1所示，通过逻辑分析仪可实时观测引脚波形。该方法在提高教学的直观性和形象性、提高学生软硬件综合开发的能力和学习兴趣的同时，也提高了学生的学习效率，加深了学生对单片机开发过程的认识，进而提高了教学质量。

图1 单片机外部存储器扩展虚拟实验

(4) 增加新品种单片机和其他品种单片机介绍。在教学中将新单片机(如STC可仿真的高速1T STC15系列单片机、C8051F系列单片机、AT89S52)和其他非51系列的单片机作简单介绍(如AVR、PIC、MC68等)，鼓励学生在各种训练中予以使用，特别是支持ISP、IAP的机型，让学生了解本行业的发展，培养学生的选型能力和跟踪国际新技术的能力。

(5) 在教学中融入最新实用实例。选取教师亲自实践过的最新应用案例，分解为相应的知识模块，融入教学。如教师自制的单片机系列实验板、基于单片机(含ARM)完成的最新科研成果，对简单的设计过程进行现场讲解、演示，复杂的设计过程则制成视频录像或将设计文件挂在网站，供学生观摩学习。

(6) 侧重共性技术，理论知识以够用为度。在有限的教学学时和强调培养学生实践开发能力的要求下，对单片机的内部资源着重讲解常用的知识点，避免繁琐的理论占用过多的教学学时。

(7) 更新知识系统编排。整合教材内容，以任务为中心，将单片机课程划分为硬件模块、编程模块、接口模块、开发模块、其他模块共5个知识模块，应用于课堂教学和课下提供录像，这样在教学中给学生一定的自学习与自研究空间，同时将课程学习难点分散在不同的模块上，合理分配教学任务。

1.2 实验教学内容改革

“单片机原理及应用”课程的实践性、应用性很强，因此在教学上不仅要注重培养学生扎实的理论基础知识，更应注重实践教学，切实培养学生的动手能力、应用能力和创新能力[2]。

(1) 加强实验管理。在实验过程中，要以教师为主导，以学生为主体，充分发挥学生的主观能动性，积极引导学生去发现问题、分析问题、解决问题。另外，要求每个实验都尽可能采用不同的方法实现，启发学生主动去分析、比较每种方法的优缺点，让学生在有限的实验时间内尽量多实践、多思考。比如，单片机USART串口通信实验时，可以采用中断方式，也可以采用查询方式处理；延时可以用软件实现也可以用定时器来实现；数码管显示可以采用共阴极的LED，也可以采用共阳极的LED 等等。对于这些，要求学生都能灵活运用不同的编程方法实现[3]。

(2) 强化课程设计，提高系统设计能力。课程设计是培养学生单片机应用系统设计与开发能力的重要环节，应用性很强。学生通过课程设计，能够综合应用单片机知识来完成一个应用系统开发的全过程，培养和提高其实践动手能力。在课程设计中，通过把单片机知识的融会贯通，学生可以提高解决实际工程技术问题的能力。单片机课程设计应以学生为主体，课程设计的题目要多样化。学生选好题后，先进行调研，确定设计方案，再在Proteus中设计硬件电路，并在μVision中编程调试，然后将两个软件进行联调。当仿真成功之后，再购买元器件，进行电路板设计、元器件焊接、系统调试，最终完成实物。在课程设计中我们着重要求，利用宏晶单片机软件STC-ISP 实现在线串行下载程序，这样学生只要有一台电脑和一根串行下载线，就可以在课外进行课程设计，从而扩展了学生进行学习和研究的时间和空间，而不必受到实验场所的限制，这给课程设计带来了很大的灵活性，也同时为学生的主观能动性发挥创造了条件。通过课程设计扎实的训练，学生基本掌握了单片机产品开发的过程，为后面的毕业设计及走向工作岗位打下了较好的基础。

(3) 增设综合性实验，提高学生的创新能力。综合性实验是培养学生单片机系统设计创新能力的重要途径。为此我们设计了一个综合性51实验电路板，它包括多个综合性实验模块：时钟计时器的设计、简易数字电压表的设计、信号发生器的设计、温控系统设计、超声波测距仪的设计、蓝牙通信系统的设计、多音阶电子琴的设计，可以看出每个模块都是单片机的一个实际应用系统。

2 教学方法与手段改革

2.1 教学方法改革

(1) 兴趣驱动。上第一堂课时，我们就把学生研发的单片机系列实验板、大学生创新项目、电子设计竞赛的成果带进教室，通过实物展示和视频录像使学生对单片机有一个感性认识。同时在兴趣实验板上现场演示简单程序设计和操作示范，激发学生的好奇心。

(2) 项目驱动。以科研、企业项目为主驱动源，将教师的科研或企业项目、创新命题、电子设计竞赛题目等分解为学生课程设计或毕业设计题目，如单片机实现的电子测量集成仪器(包括频率计、信号发生器、相位差计、示波器、频谱仪、逻辑分析仪、数控电源、扫频仪等)、网络远程监控系统、小型Web 服务器等，都提炼成一个个设计题目，使教学与实际应用紧密联系。

(3) 任务驱动[4]。为突出学生在学习过程中的主体地位，对课程设计提前3周布置任务，对课程实验中的综合性设计性实验提前2周布置任务，提出要求，给予适当提示，让学生2人一组课后去查找资料，在课外先利用软件实验平台来完成设计与仿真，待教师审阅后方才进入实验室调试运行。

(4) 教、学、做一体化。边学、边干是学习单片机最好、最快捷的学习方法。鼓励学生通过软件仿真、实际制作，理解巩固所学知识。实验时，结合视频演示，一人一机，边讲、边学、边练，实行现场辅导的互动教学方法，一次一个班，保证师生比大于1：25。主讲教师与实验人员共同指导学生实验，同时加强学生课外单片机设计制作辅导，做到实验教学课内课外互补。

(5) 利用网络资源深化教学。建设良好的网络教学平台，建立单片机课程管理信息系统，整合教学资源，为学生提供丰富的学习资料、灵活主动的学习方式和师生互动平台，有效地使课堂讲授与课后交流有机地结合在一起。

2.2 教学手段改革

(1) 结合教学需要，重新编写教材并研制与之配套的单片机系列课外实验板，为学生的第二课堂活动的开展提供便利，强化第一课堂和第二课堂的互补，满足学生课外实验实践的需要[5]。

(2) 研制单片机多媒体课件。依托现有教学资源，逐步实现传统教学手段与现代教学手段的有机融合。在多媒体制作中，使用常用的开发软件，如μVision，Proteus 软件，建立一个软硬件联合仿真系统；在课件中导入工程案例，如单片机实验板研制、电子设计竞赛单片机应用实例等。以真实项目为基础，引导学生边做边学，在实践中学[6]。

3 考核方式改革

学生成绩由平时成绩和期末成绩两部分组成，考虑到培养学生实践技能在本课程中的重要性，以及单纯对基础知识和概念进行考核的卷面考试无法体现学生之间差异的现状，我们对原有考核方式的成绩构成和比重进行了调整。最终成绩由平时成绩和期末成绩构成，各占50%。考勤、实验报告、课堂测验以1:2:2的权重构成平时成绩。教师通过增加实验报告和课堂测验的成绩比重，引导学生注重单片机的实践与应用，督促其重视平时课程的学习，帮助他们走出考前临时抱佛脚的误区。

具体实现流程为：在每一章讲解结束时，教师都会精心布置实验任务并进行章节测验，以反馈学生的掌握情况；针对实验过程中遇到的问题，鼓励学生之间或与教师进行交流，该方法不仅强化了学生对知识的理解和记忆，也锻炼了学生将理论知识应用于实际操作中的能力。

4 单片机教学改革成果

我们通过近几年教学改革的摸索与实践，取得了一定的成绩。学生的动手实践能力得到了全面提升，学生在参加全国大学生电子设计竞赛、飞思卡尔智能车等各种比赛中，参赛组的获奖数较以往有了较大的增加，获奖等级也逐步提升，在2017年全国大学生电子设计竞赛中首获全国一等奖，取得了近年来最喜人的成绩。

5 结语

通过我院“单片机原理及应用”课程的教学改革，特别是实践教学方面改革后，课程设计、毕业设计等环节反馈的信息表明学生的动手能力和综合素质明显提高；企业调查反馈的信息表明，学生对企业技术工作的适应能力增强了，知识面拓宽了，解决工程实际问题的能力得到了提高，基本满足了社会对新型单片机应用型人才的要求。在教改过程中我们体会到：应该不断地更新教学内容，采用先进的教学方法，合理安排教学过程中的每一个环节，重基础更注重应用，只有如此才能培养出具有专业知识、具备实践能力、符合社会需要的技术人才。