基于案例贯穿的单片机课堂教学设计与实践

邓加川 刘淑波

摘  要  通过分析单片机原理与应用课程的特点和传统教学方法的不足，利用案例教学法对课程进行教学改革。提出基于案例贯穿课堂教学设计的基本内容，并以中断系统为例，设计基于案例贯穿的课堂教学设计，取得了良好的教学效果。

关键词  单片机原理与应用；案例教学法；课堂教学设计；教学改革

中图分类号：E251.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）11-0078-04

0  引言

单片机是在一块半导体芯片上集成的一个微型计算机，因体积小、价格低、稳定性强、可靠性高、面向实时控制等优点，以单片机为核心的控制系统广泛应用在武器装备、智能仪器仪表、工业控制以及家电等领域中[1]。单片机原理与应用课程成为工科院校自动化、电子信息等相关专业的必修专业课。

在海军大连舰艇学院开设的单片机原理与应用课程中，主要学习典型单片机的基本工作原理以及单片机应用系统软硬件的设计方法。以目前国内使用最多MCS-51系列的单片机为载体，系统地学习单片机的基础知识、硬件结构、编程语言、中断控制、串行通信、定时计数以及接口扩展等知识。课程的特点是理论和实践紧密联系，更侧重于知识的实践和应用。因此，在教学实践过程中，既要注重传授学生专业基础知识，又要重视对学生实践技能的培养，让学生在理解专业知识的基础上，掌握单片机应用系统的开发实践技能。

案例教学法由美国哈佛商学院提出并成功运用和实施，传入我国已经有30多年的历史。是一种以学生为主体，教师为主导，调动学生学习兴趣，激励学生自主、合作、探究性学习的学习方法[2]。将案例教学法用于课堂教学过程中，能够实现教学相长，调动学生主动学习的积极性；同时，该方法具有生动具体、直观易学的优点，有助于学生理解知识点[3]。

因此，有不少高校教师，在课程教学中都引入了案例教学法，并取得了不错的教学效果。比如：赵文山[4]从课程内容和案例教学的特点出发，以“电路分析”课程为例，探讨了案例教学中课前教案编写、课上教学组织和课后拓展讨论的实施方法。经实践表明，案例教学能够加深学生对知识点的理解。万佑红等人[5]以“智能控制”课程为载体，从传统教学存在的问题出发，提出了案例教学的设计与实施方式。有效加强了学生对理论知识的理解，提高了学生的创新思维。

以上这些教学改革均取得了不错的效果，对“单片机原理与应用”课程中引入案例教学方法起到了一定的示范作用。

1  单片机原理与应用课程教学现状

长期以来，老师们都反映单片机原理与应用课程知识点杂，不好教，学生更是普遍反映，课程太难，上课根本不知所云，一直提不起学习的兴趣。这就导致课程的教学效果一直不理想。通过调研发现，主要问题如下。

1.1  课堂教学缺乏设计

由于人才培养方案的调整，导致单片机原理与应用课程学时少、内容多。上课过程中，教师关注的重点是如何把知识点讲完讲清楚，很少针对课程的教学内容进行课堂教学设计。往往在课上只是知识点的罗列，孤立地讲解课程内容的每一个知识点，没有讲清楚知识点之间的关系，逻辑性不强，导致学生产生厌学心理。

1.2  理论教学与实践教学环节脱节

在传统的教学过程中，理论教学环节和实践教学环节是分开的。理论教学环节，大多是以教师为中心，上课手段比较单一，以传授讲解理论知识为主，学生听课为辅。这就导致了学生只能被动地接受理论知识，由于单片机理论知识枯燥难懂，这不仅不利于激发学生的学习兴趣，也很难调动学生学习的主观能动性。实践教学环节中，所需要完成的实验任务和理论课没什么关联，学生也不知道完成实验任务有什么作用。只是机械地按照实验步骤，利用单片机实验箱完成仿真实验。

1.3  重工作原理而忽略工程應用

在理论和实践的教学过程中，都采用了大量的时间来介绍单片机的工作原理，引导学生入门单片机课程。原理性的内容往往是枯燥乏味的，不利于激发学生的学习兴趣。另外，在授课过程中，过分强调单片机的工作原理，而忽略单片机知识的工程应用，不利于培养学生单片机应用系统的开发能力和创新能力。以上导致了单片机原理与应用课程的学习效果不理想。

可以看出，传统教学模式不能调动学生学习的积极性和主动性，学生被动地接收知识，课堂教学效果自然不理想。为改变现状，根据课程的教学内容，精心挑选和设计教学案例，采用案例教学法对课程进行教学改革。

通过分析单片机原理与应用课程在传统教学中存在的问题，以及案例教学法在课程改革中取得的成功经验，在这些已有的研究基础之上，将案例教学法引入单片机原理与应用课程教学中，提出基于案例贯穿的课堂教学设计的基本内容，实践基于案例贯穿的课堂教学。

2  案例贯穿课堂教学设计的基本内容

将案例贯穿的教学方法引入单片机原理与应用课程教学中，根据教学计划的要求以及单片机原理与应用课程的特点，分析教学内容和教学对象，来确定教学案例的背景及内容。用教学案例贯穿理论教学、实践教学的整个过程：理论教学过程中完成引题和过渡；实践教学中完成对理论知识的巩固和提升。从分析教学内容、教学对象和设计教学案例、教学流程的基本内容，来完成基于案例贯穿的课堂教学设计。

2.1  教学内容分析

根据人才培养方案中对课程的要求编写课程教学计划，在教学计划中明确每部分知识的教学目标。针对教学内容，要分析各部分之间的逻辑关系，明确重难点内容。教师要清楚学生对每一部分知识的掌握程度，为课堂教学案例内容难度的设计打下基础。

2.2  教学对象分析

通过分析学生的专业性质和学习习惯，来设计教学案例的使用背景；通过分析学生的现有知识基础，对新知识的渴望程度以及学习新知识可能存在的问题，来设计教学案例的背景和内容。通过对授课对象的学情分析，可以做到因材施教，量身定做课堂教学案例。

2.3  教学案例设计

教学案例的精心设计是案例贯穿课堂教学能取得成功的前提。单片机原理与应用课程是专业背景课的范畴，蕴含工程应用，所选案例不能凭空捏造。根据教学对象为军校学生，案例背景要具有军味。设计教学案例内容时，首先要以教学内容分析为基础，要有助于学生理解难点知识、掌握重点知识；其次，要具有趣味性和启发性，吸引学生注意力，启发学生思考，培养学生能够从工程设计的角度去理解武器装备的工作原理；最后，要结合课程的特点，能够将理论教学和实践教学联系起来。

2.4  教学流程设计

基于案例贯穿教学成功的关键在于教学流程的设计。用教学案例来完成各部分内容之间的引题和过渡，让整个授课思路更加清晰、合理。在教学过程中，首先用图片、视频等方式展现教学案例的使用场景，引出教学案例，抓住学生的好奇心。以教学案例实现的整个过程为授课思路，完成各知识点之间的引题和过渡，最后根据所学的理论知识，让学生完成教学案例的实现。

根据学生对知识的掌握程度，在教学案例的基础之上进行扩展，完善和设计实作课教学案例。

3  案例贯穿课堂教学设计实例

以教学内容中重要功能部件的“中断控制系统”一节为例，根据案例贯穿课堂教学设计的基本内容，完成一次课的课堂教学设计实例。

3.1  课堂内容分析

中断控制系统一共四学时，其中理论课两学时，实作课两学时；实作课安排在理论课之后。学习三个方面的内容：中断的概念；中断控制系统的结构和中断程序的设计。其中中断控制系统的结构，以及中断服务程序的设计，是实现中断的软硬件基础，是教学重点内容；中断控制系统的结构比较复杂，需要设置的特殊功能控制寄存器比较多，是教学的难点内容。

针对“中断的概念”，要求学生能够阐述51单

片机响应中断的整个过程；针对“中断控制系统的结构”，要求学生能够说明中断控制系统的基本组成，理解和能够设置与中断控制相关的特殊功能寄存器。针对“中断程序设计”，要求学生能用C51语言来定义中断函数，编写中断服务程序。

3.2  教学对象分析

课程的教学对象是大学三年级的军校学生。设计教学案例时优先选择具有军味背景的、和武器设备相关的单片机应用系统。学生通过前期课程的学习，已经掌握电路分析基础、模拟电路、数字电路等硬件电路相关的课程，具备硬件电路设计基础；也掌握C语言程序设计等软件编程相关的课程，具备软件设计编程能力。为单片机课程的学习打下软硬件设计基础。

学习“中断控制系统”之前，学生已经对单片机的内部结构有基本的认识，以及会用单片机的I/O口和外围设备进行信息交互，能够用单片机去点亮LED灯。学生现在对单片机和以前数字电路课程中所学的芯片有什么区别，以及对单片机内部功能模块功能的实现充满好奇和疑惑。

3.3  教学案例设计

以单片机在某型武器上的应用作为教学案例。某型武器具有两种工作模式：执勤模式和攻击模式。为节省能耗，该型武器长期工作在执勤模式下，攻击模式处于掉电状态，为保证攻击模式下，武器系统电路的有效性，需要外部电路发出唤醒信号，唤醒攻击模式下系统电路的自检，自检完成后，若没有攻击命令，继续工作在执勤模式下。

教学案例的内容：设计单片机应用系统，来模拟实现该型武器在唤醒信号作用，两种工作模式的转换。用黄色的发光二极管来模拟该型武器工作在执勤模式下，用红色发光二极管模拟攻击模式系统自检的过程。外部电路的唤醒信号是随机产生，接在单片机的P3.2引脚，低电平有效。在设计系统时，可以用按键按下来模拟唤醒信号的作用。

根据学生现有的知识，也能够完成系统的设计与实现。通过用不断查询P3.2端口的电平信号来实现两种工作模式的转换。这种实现方式的缺点是执行效率比较低，并且唤醒信号输入以后得不到及时的处理。通过查询法的缺点引出课程的教学内容。

在理论课上用教学案例来完成课堂教学的引题、过渡，通过学习中断知识的过程，引导学生完成教学案例的设计和分析过程，以及通过给学生演示完成后的效果吸引注意力，学生会迫不及待地想去实现。课后让学生动手完成教学案例的实现过程，就顺理成章了，还能达到学生对课上知识的巩固。

对案例内容进行扩展，作为学生实作的内容。扩展内容为：在唤醒状态下，武器正处于自检工作时，收到攻击命令后，该型武器会起爆。攻击命令信号是脉冲信号，接在单片机的P3.3引脚上，用蜂鸣器响来模拟该型武器起爆。实现过程用到中断的知识有：外部中断0和1的程序设计、和中断相关特殊功能寄存器的设计以及中断优先级等知识。可以全覆盖中断相关的知识，能检验学生对理论知识的掌握情况。

3.4  教学流程设计

在学习新课内容之前，先用图片和视频给学生展示教学案例的使用背景，引出教学案例的内容。用电路开发板给学生教学案例的实验现象，引起学生的兴趣。通过提问“如何实现？”和“查询方式实现的缺点”，引入新课内容“单片机的中断系统”。

经过课前的鋪垫，学生很迫切地想知道，到底什么是“单片机的中断”，来引出“中断的概念”。根据教学案例的实现过程，画出过程示意图，如图1所示，根据演示案例的中断响应流程图，讲解中断相关的基本概念，有助于学生理解和掌握知识。

由“在单片机中，能够实现中断处理的功能部件被称为中断系统”过渡第二部分内容，“中断控制系统”。教学案例中的唤醒信号会触发外部中断0中断，以外部中断0的响应过程为例，来学习单片机中断控制系统的结构以及和中断相关的特殊功能寄存器。

以“外部中断0的中断响应过程”为例，梳理从中断源发出中断请求到单片机CPU响应中断的整个过程，来强调重点教学内容以及为中断程序的设计打下基础。由教学案例中断的实现，需要单片机的硬件和软件编程相结合来实现，引出“中断程序的设计”

最后，具体分析课前教学案例的实现过程，对单片机中断相关的理论知识进行学以致用。课后让学生完成教学案例的实现过程，来巩固课堂知识。

在实作课上，让学生根据教学案例的扩展内容，完成系统的设计与实现的整个过程，可以加深学生对单片机中断知识的理解，做到学以致用。

4  结束语

教学案例贯穿整个教学过程，完成教学内容的引出和每部分教学内容之间的过渡，课堂教学设计清晰合理。从工程应用的角度来学习单片机中断的理论知识，增加学生对知识的实践与理解。

经过一轮教学发现，在单片机原理与应用课程中使用基于案例贯穿的课堂教学设计，不仅能够提升学生在教学过程中的参与度，还能激发学生学习单片机课程的兴趣。学生将所学的理论知识运用到实践中，对理论知识掌握得更加牢固。使用案例贯穿的教学方法后，课后作业的完成率和正确率明显高于以前的班级，并且在完成中断相关的实验时，所需的时间少很多。这充分说明学生基本上掌握了中断的相关知识，案例贯穿的教学方法是可行的。

5  参考文献

[1] 王玉琳，陈甦欣，卫道柱，等.单片机课程任务驱动教学法的研究与实践[J].电气电子教学学报，2022，44（1）：124-128.

[2] 黄松平，张维明，丁兆云.“指挥控制原理”课案例选择应注意的几个关系[J].高等教育研究学报，2020，43（3）：108-111.

[3] 谢成祥，张永春.“过程控制技术”课程案例教学的探 索与实践[J].常州工学院学报，2019（4）：72-75.

[4] 赵文山.电路分析课程案例教学的探索与实践[J].中国现代教育装备，2018（19）：14-16.

[5] 万佑红，樊春霞，徐丰羽，等.控制科学与工程研究生《智能控制》课程的案例教学探索[J].科技创新导报， 2020，17（2）：187-188.