基于单片机课程教学创新教改探索*

2023-07-12刘顺财

南方农机 2023年14期

刘顺财，李婷

（福州理工学院计算与信息科学学院，福建福州 350014）

0 引言

“单片机与接口技术”课程是电子信息类专业的一门非常重要的专业基础课。单片机属于微型计算机的重要分支，特别适用于计算机信息处理、工业测控、仪器仪表、家用电器、通信设备等智能化电子系统的应用。课程讲授了在嵌入式和电子系统中不可缺少的重要部件“通用处理器”和“嵌入式处理器”的知识，这些都是现代电子、电气工程技术人员必须具备的基本专业知识。单片机是嵌入式方向的一道门槛，包含知识点比较多，在教学过程中面临着如下挑战：

1）学生在电路、数电、C 语言等基础课程中学得不够扎实。

2）课程教材内容多呈现在理论上，对偏好“应用”的学生吸引力明显不足。

3）学时不足和学生接受慢，导致无法完成所有教学内容。

4）以教师为主体的传统教学模式，满足不了当前的教育。

5）动手能力不足，理论和实践、生活联系不够。

为了克服上述挑战，从2017—2018 学年上学期开始，本课题组提出了坚持以学生为中心、以培养一流人才为目标、“知识、能力、素养”三位一体的教学理念；突出“定性分析”和“学以致用”教学核心；运用项目式教学方法；采用虚拟仿真和开发板相结合；鼓励学生多参加各类不同的竞赛，形成了“重理论、勤动手、常引导、多竞赛”的创新教学方法。

重理论是指将课表知识理论讲透，让学生容易理解掌握；勤动手是指学生除了做课程设置的实验之外，平时多动手做一些电子产品；常引导是指在课堂之外，通过学长学姐引导学弟学妹做全国大学生电子设计竞赛的历年题目，定期让一些优秀的学长学姐开展讲座，分析电子设计竞赛的相关题目；多竞赛是指学校多开展院级、校级竞赛，组织学生多参加省级、国家级竞赛，鼓励学生参加“全国大学生电子设计竞赛”“锐智杯”“合泰杯”等竞赛，帮助学生提升自学能力。

1 精选教学内容，适应学情现状

精选教学内容：以主函数、中断函数为框架，强调主函数、I/O 口、中断、各类传感器等应用，采用“以教师为主导，以学生为主体”的教学模式。在教师引导下，学生对某些问题进行总结分析，充分了解理论知识和应用场景，最后形成自己的知识体系以及知识的应用场景。

以串口中断为例，串口涉及初始化和中断函数等内容。串口初始化设置比较复杂，程序有8 条之多，涉及定时开启、定时初始值、波特率、串口中断等知识内容。理论知识要求多，刚接触的学生难以掌握。在实验项目中，为了让学生快速理解，可以通过查表或者单片机小精灵获得结果。在教学中，将查表和设置单片机小精灵作为教学内容的一部分，可以快速得到串口初始化的条件以及中断函数。通过精选的教学内容，让学生快速掌握串口初始化设置和中断函数内容的编写。

在学完理论知识后，配套课程串口实验，以增强学生的动手能力。通过编写5 个和串口相关的实验，让学生充分理解查表以及单片机小精灵的运用过程。

2 案例式教学，理论联系生活

课题组从生活、工程中挖掘与理论对应的生活案例，激发学生的学习兴趣，开展案例教学。将枯燥的案例和形象的现实生活联系起来，激发学生的学习热情和求知欲。上课时，尽量理论联系实际生活，具体如表1所示。

表1 理论联系实际

1）中断系统的原理。当中断请求源发出中断请求时，如中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求，处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。对不容易理解的理论举例说明：主函数就是一个人在洗衣服，中断就好比煮饭。具体展开：某人一边洗衣服，一边用高压锅煮饭，当洗到第3 件的时候，饭煮熟了，此人停下正在洗衣服的工作，把煤气关了，然后再回来继续洗第3 件衣服。理论联系生活，让学生更好地理解理论知识。

2）定时可以使用查询或中断。教师上课的时候可以理论联系生活，举例说明：定时就像是上课，一种是一节课从上课开始定时45 min 下课；另一种是上课之后，时间过了多久未必知道，铃声响了，即代表下课。第一种是书本上的定时中断，第二种是通过查询中断标志位。

3）当教师讲解到串口中断的SBUF 时，可以通过理论联系生活。SBUF 就类似菜鸟驿站的功能，菜鸟驿站有收发功能，这两个功能属于菜鸟驿站，因此串口中断里面的2个SBUF名字是一样的。

4）当教师讲解到DA 时，可以联系生活中的寄送快递。寄快递时，只要填写收件人的地址就可直接寄送快件。而DA 转换也是类似的，把适当的数据值直接赋值给DA 地址，DA 自动把数字量转成模拟量。通过理论联系生活，可以使学生更好地掌握概念并长期记住。

3 信息化教学，提升教学质量

3.1 仿真软件与开发相结合

将信息技术与教学相结合。利用Proteus 软件强化学生绘制硬件原理图的技能；通过“丁丁”串口软件、单片机小精灵、LED 段位码、虚拟串口软件等软件与普中开发板进行结合，实现先仿真后在开发板上显示真实效果，使学生真正掌握软硬件结合。

针对串口的工作原理，课堂中通过Proteus 软件绘制原理图。绘制完成后，Proteus 软件加载hex 实现仿真。通过设置Configure Virtual Serial Port Driver软件，实现Proteus 软件和“丁丁”串口软件通信。Proteus 软件有示波器等仿真器件，在没有开发板的情况下也可以确保软硬件的正确性。

通过在课堂上大量使用工具软件，可以使课堂更加生动有趣。除Proteus软件外，还用Keil C51 V9.00编程；LED 段位码取数码管的段码表；单片机小精灵生成延时、定时中断初始化、定时中断函数、串口中断初始化、串口中断函数等程序；程序下载软件stcisp-15xx-v6.82E 等软件。在工具软件的配合下完成仿真，在完成仿真后，把程序下载到普中开发板里面，实现先仿真后显示真实效果，使学生掌握软硬件结合。

3.2 超星平台实现线上线下混合教学

充分利用超星平台资源，开展线上线下混合式教学，在超星平台发布教师团队录制的课程视频。当教师上到某一章节时，超星平台同步发布对应章节视频。学生通过观看视频提前预习。课堂上没有完全掌握的知识点，学生通过视频进行复习。重要的章节发布配套作业，让学生完成并提交。线上线下混合教学，让学生可以快速掌握知识。

4 注重课程思政，强化精神引领

4.1 强化创新精神

引导学生从思想上树立“不畏难、不放弃”的学习精神[1]。在课堂教学过程中，通过不断提出问题、分析问题、解决问题，逐渐形成严谨的科学态度以及坚持不懈的科学研究精神。通过一题多解，帮助学生认识到事物的多面性，培养学生多角度、多方位解决问题的创新精神[2]。

4.2 引入思政教学

在课程教学过程中引入课程思政，在小车实现巡线项目中，使用灰度传感器或者摄像头采集数据，再把数据传递给单片机，引导学生运用思政中的具体问题具体分析的特点[3]，根据实验室的硬件、具体功能、价格进行分析，并选择合适的硬件实现具体功能[4]。

4.3 树立优秀的道德观

在教学过程中会提及“诚信”和“守约”，引导学生自觉独立完成线上学习任务、课后作业以及课程考核，树立学生的社会道德观。

5 拔高课程难度，鼓励创新实践

学生作为初学者，从解决课本上的问题到逐渐能解决简单项目中的问题，再经过一段时间的知识积累后，进一步提出问题、创新思路。为实现这个目标，教学团队教师对课程进行了必要的改革。

1）鼓励学生把现有的程序进行整合，将各个模块的程序整合生成一个较大项目。

2）在课程实验教学中，开设具有设计性、综合性和创新性的实验项目[5]。

3）修改培养方案，把第四学期的“单片机与接口技术”课程提前至第三学期。依据硬件和软件两个主线，合理分配学时，使学生更早接触嵌入式的相关专业知识，明确自己的学习目标。

4）鼓励学生多参与实践和竞赛，提高综合能力。

以福州理工学院开放5-107 创新实验室为例，课题组鼓励学生在课余时间利用实验设备开展更加深入的探索和创新实践，提高学生综合能力。创新实验室会定期举办院级焊接竞赛和校级“慧翰杯”竞赛，并鼓励学生参加全国大学生电子设计竞赛、全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛、“锐智杯”福建省大学生智能设计大赛等竞赛[6]。为了使学生更快地提升动手创新能力，在创新实验室实行以大带小模式，让大三、大四的学生定期举行专题讲座，对全国大学生电子设计竞赛的某些题目知识点进行分析和讲解，帮助低年级的学生快速掌握知识。学生竞赛现场如图1所示，学生的部分获奖作品如图2 所示。