以应用能力培养为目标的单片机课堂教学改革

孙先松

长江大学电子信息学院 湖北荆州 434023

单片机原理及应用课程作为工科院校电子信息类、电气自动化类相关专业重要的专业核心课程，是一门综合性、实践性、应用性都很强的课程，它以电路基础、模电、数电、C语言程序设计等相关知识为基础，是设计嵌入式系统、DSP、计算机控制、通信、信号处理、智能化仪器仪表等系统的重要和必需的技术。特别是近年来提出创新创业人才的培养，单片机应用能力是电类人才综合能力培养的第一阶段，如何让学生真正动手实践，培养学生的兴趣、学习方法和工程意识，调动积极性、主动性，真正让学生掌握单片机原理和应用技术。结合教师与学生自身的优势与特点，对单片机课堂教学进行了一些有益的探索，在三届学生的课堂教学中取得了良好的教学效果。

1 目前单片机课程的教学模式与改革必要性

目前单片机的理论教学一般是根据章节顺序，依次讲授单片机的硬件结构、指令系统、程序设计、中断、定时器、I/O口、串行通信、扩展等技术，这与其它课程一样符合基本的认知规律，但这种教学模式在单片机教学中其实效果很差。往往是学生学完后还不明白内部结构、工作原理，无法理解内部是如何联系在一起的，实际编程调试时无从下手，至于系统设计和应用单片机解决实际问题就更无从谈起。传统的单片机理论课程教学方法枯燥，容易使学生失去学习兴趣。没有充分调动学生学习的积极性、主动性，教师教学也没有成就感。从单片机技术在各行各业的广泛应用角度出发，在单片机的教学中有针对性地强化工程设计与应用的理念，让学生真正掌握应用单片机技术。这对提高学生的应用能力和推进工程能力培养是一个很好的切入点[1-5]。

2 单片机课程课堂教学改革与实践

2.1 课堂教学改革的内容

在单片机课程课堂教学中，围绕激发学生兴趣和提高学生单片机实践应用能力采用新的教学形式、教学内容、教学方法等进行改革实践。在教学形式上改变了课堂上教师讲、学生听的方式，对于重点和难理解内容，学生在课堂上研讨交流，教师进行讲评。在教学方法上将自制的实验板和笔记本电脑带进课堂，边讲授理论边用实验板实验，教学内容上进行重构优化，以适应课堂上有限的时间，缩减课堂理论讲解内容，增加实践任务，引导学生主动学习、实践、讨论，课堂上教师逐一辅导、答疑和讲评。

2.2 实验板设计的出发点与功能

市面上各种单片机实验板有很多，但对于教学都不太合适。一方面是因为这种实验板电路复杂，学生开始不太容易理解，入门难，并且所有电路都已连接好了，学生不好理解它的应用灵活性；另一方面成本较高，有很多扩展的单元电路和模块不适合在课堂上开展教学。设计实验板的原则是：能验证51单片机所有基本功能、简单、各部分独立、实验效果能激发学生的兴趣。实验板上主要由51单片机小系统、LED指示灯、4位LED数码管、独立按键、矩阵键盘、串并转换、IIC存储器、音频喇叭、LCD1602液晶显示、A/D与D/A等单元电路组成。在此实验板上可以完成51单片机中的I/O端口、中断、定时器/计数器、串口等基本功能的实验，也可以完成多种扩展功能的实验验证[6]。

实验软件采用支持51系列单片机版本的Keil软件，使用STC系列的单片机，通过单片机的串口进行程序下载，下载器采用CH430芯片构成的USB转TTL转换器。图1为单片机实验板的原理图，图2为实验板的实物图。

图1 单片机实验板原理图

图2 实验板的实物图

2.3 重构课堂教学内容

在教学内容设计上，讲授完单片机概述、单片机基本功能和引脚后，安排学生准备好实验板，提供给学生PCB板和所有元器件，学生按电路原理图将一个个器件焊接，通过此环节让学生掌握各功能单元的硬件电路，以便于后期编程。讲授内容分为以下章节：单片机概述与基本结构、开发软件Keil的使用及指令系统、存储器、I/O端口使用、中断、定时器、串口、基本扩展、总线技术及应用实例。对各章节都进行了讲授和实践内容的规划，比如对于定时器/计数器这一部分内容，[7]具体计划见表1。

表1

整个定时器/计数器部分用3课时完成，其中讲授只用了45分钟，学生对定时器工作的各种方式和各种应用实例都进行编程验证，在亲自动手的过程中，学生通过主动学习深入理解了定时器的工作原理、各种工作方式的区别、可以应用到哪种工程实际场合。与以往课堂上只进行原理讲授和程序分析比较，经过这种教学改革后，学生对定时器/计数器原理理解得更透彻，应用能力得到大大提高。

2.4 课堂教学实践

在单片机课堂教学改革上，虽然课堂讲授时间少了，但对教师而言要求更高了，一方面课堂上实践的内容要规划好，难度不能大，但又要能全面有效地帮助学生理解原理、应用场合，还要兼顾不同层次学生。另一方面，还要求教师有比较丰富的实践经验，学生在实践过程中会碰上各种问题，教师如果不能很快解答，课堂上的效率就会很低，特别是硬件故障，如果课堂上不能及时解决，学生基本上就不能实际动手了，因而对于硬件电路，除了课程开始前集中在实验室焊接(如图3所示)外，课堂上还要准备工具和元器件随时解决硬件故障(如图4所示)。不管是硬件还是软件问题，教师在巡查指导时随时讲解、分析、提醒，这样比单纯在讲台上讲解效果好，也有利于增长学生知识面。

图3 在实验室集中焊接实验板

图4 课堂上修复实验板硬件故障

3 结语

目前单片机课程课堂教学已经在2个专业进行了三届学生的改革实践，从改革效果来看，切实提高了学生的学习兴趣和能力。学生对单片机的理解程度比没进行改革前深刻，实际应用能力也普遍要强很多，更重要的是，所有学生学习积极性都非常高，彻底改变了以往教与学的现状，使教师也有成就感。今年下半年将进一步推广到5个专业、所有班级的单片机课堂教学，根据课程各单元教学内容还要优化教学实验板，促进理论与实验有机融合。也要对考核评价方法进行相应改革，设计一种客观科学反映学生能力的考核手段或方法[8]。