单片机基础课程教学改革研究

吉鹤　孙秀玲

摘 要：嵌入式技术是当今电子信息领域应用最广泛的技术之一。作为嵌入式系统教学基础和核心的单片计算机基础课程教学，有着自身特殊性。本文在分析单片机教学特点及现状基础上，介绍了在单片机基础教学相关的宏观问题、教学改革的核心思想、单片机理论和实践教学等方面的改革探索，提出从知识点讲授到以项目为主线的教学改革、注重单片机课程与相关课程的良性互动等观点，介绍教学内容和体系调整、基于项目引领的实践教学模式和多种实验手段综合运用的实践教学方法以及实施过程和取得的教学效果。

关键词：单片机 基础课程 教学改革 教学效果

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0118-02

单片机基础课程涉及计算机原理、电子、感测和控制等多学科技术，要求较高的电子技术、数字逻辑和程序设计能力。课程内容抽象，实践依赖性强。从经典课程的公式推理演算到单片机的数字逻辑、软硬件结合，是一种全新的学习方式，传统的教学方式在这门课中表现出较多的不适应性。以下是在单片机基础课程教学改革实践中的若干体会。

1 单片机基础课程教学改革的核心思想

1.1 从知识点讲授到以系统设计为主线的教学改革

我国高校在20世纪80年代初开始在少数高校开设单片机课程，面向电子和计算机专业高年级本科生和研究生，教材内容基本是单片机生产商提供的技术手册、汇编程序设计和计算机原理与接口技术的综合体。目前单片机教材虽然较多，但基本延续了这种传统的教学思路，即以单片机的知识点为主线进行单元技术教学。随着单片机教学在各层次学校的广泛普及，这种教学思路显现了明显的不适应。系统设计性内容缺失和细节内容深度不够，使一般学生在实际应用过程中仍然会遇到许多迷茫的问题。

目前单片机基础课教材的一个普遍性的问题是教学集中在分散的各个点，而对单片机系统整体结构性考虑不够；重在局部和单元模块，缺乏组织成项目的考虑。这种问题严重地体现在系统软件设计中，一般学生会做例题和作业，不会设计解决实际任务的系统软件。因此，单片机基础课程教学改革的一个重点就是从知识点讲授到以系统设计为主线，基于课程整体性并结合项目系统整体性考虑实施单元教学，重点提升学生系统性、综合性设计能力。

1.2 单片机与其它课程教学形成良性互动

在目前课程体系中，考虑到知识衔接关系，单片机课程在模拟电子技术、数字电路、计算机组成（微机原理与接口）、汇编程序设计等课程之后，一般安排在第6学期。这个安排的问题是学生实际综合应用及拓展学习的时间较短。这在单片机进入我国高校的早期阶段仅高端学生学习的情况下是合理的，在目前单片机普及教学情况下，作为工具和重要的学科基础课，单片机课程应尽早让学生掌握，对其熟练和提高系统设计能力、提高学习兴趣、结合和促进其它课程学习将产生良好作用。

单片机基础课程涉及到的模拟电子技术、数字电路等知识，是相对简单的，在课程中从应用的角度介绍即可，对单片机课程的教学没有影响。实际上，有些同学从大一就开始自学单片机而且都取得了很好的效果，这对我们教学是一个很好的启示。

2 单片机理论教学的改革

单片机教材最初源于单片机生产厂家技术手册、汇编语言程序设计和计算机组成与接口技术的综合。单片机应用初期面向对象是重点院校电子和控制专业的学生和科研人员。传统的授课方式是以知识为驱动，知识点之间比较分散，学生学完之后没有系统的概念，缺乏贯穿所有知识的主线，形成不了体系。这种教学方法亟待改革。

2.1 以项目为主线

系统结构性设计是一个重要的教学内容。从宏观教学的角度考虑，我们将整个教学内容设计成基本涵盖了本课程全部教学内容的一个项目，基于课程整体性并结合项目系统整体性考虑实施单元教学。对结构性的适当变化和局部内容的取舍，即可衍生和变化为其它的应用系统。通过这样的教学设计，学生加大了对课程的兴趣，逐渐地积累成就感，并最终能较快地进入系统设计者的角色，能较好地完成实际应用系统的设计。

2.2 整体与局部关系

基于项目为主线的教学设计，在讲述局部技术的同时进行系统结构性的教学，使系统整体性的考虑体现在局部中。

例如LED数码管动态显示、步进电机驱动等技术，在目前教材中基本都是完成单一这类功能的小程序，而在实际应用系统中，这些功能要与系统核心任务并行执行，是一个“多任务”的概念，不能简单地将教材示例的单一的小程序搬到应用系统中。其它如结合键盘扫描和多级LCD菜单形成多任务下的人机交互通道这些系统性内容的考虑，在单元教学中都要考虑到。

2.3 教学内容和体系调整

调整应用汇编和C语言教学的比例。汇编指令有助于对单片机硬件的学习，程序代码短、速度快，较多地应用在对时序有严格要求的测控系统中。随着单片机硬件和软件编译技术的发展，代码长度和速度已不是主要问题，重在软件质量、开发周期和开发维护成本，大多数场合应用汇编的必要性已不存在。因此教学应以C语言为主，汇编只讲解指令原理、寻址方式、必要的指令和在C语言中嵌入汇编程序的方法和实例。

调整单元模块教学顺序。现有教材中一般将人机交互设计的内容放在最后，这不利于学生自主实践。由于无法实施对运行过程必要的监测，使其在没有仿真系统情况下调试有相当的难度。因此，将人机交互部分尽可能地提前可达到很好的效果。

单片机基础课程传统教学对新机型和新技术介绍较少，应做适当的补充。增加IIC、SPI、PS/2等相关技术和应用的介绍、对其它典型单片机如AVR简要的介绍，使学生在掌握基本单片机技术基础上，能更容易地进入到高级层次的应用。

2.4 挖掘基本知识内容的深度

把MCS-51单片机基础知识讲透彻，对后续嵌入式系统深层次学习可打下良好的基础。以外中断的重复响应和堆栈的溢出问题为例，学生在实际应用中经常遇到，但在教材中没有相应的说明。前者是由于外中断请求信号有毛刺，即使在进入中断立即屏蔽中断，且中断请求信号已经撤销的情况下，在退出中断后还将引起此中断的重复响应。问题在于对中断请求信号、请求标志和响应过程这些基本知识讲述不到位；后者是对堆栈空间位置、容量及系统对堆栈使用没有准确概念。类似的因基本知识讲述深度不够，导致学生困惑的问题还有很多。因此要注重研究实际应用中典型问题背后的原因，深化和细化基本知识的讲授，这对实际应用和提高可起到至关重要的作用。endprint

2.5 理论课中的实践内容

单片机是一门实践性极强的课程，该理论课不讲授实验实际是一个误区。在理论课应用Proteus做部分仿真实验，实验效率高、理论教学效果好，并可达到扩展学习到课外的效果。因此，需协调好理论与实验课关系，对仿真实验学时做一定的硬性要求。

另一个问题是系统调试技术的教学。系统调试是初学者开发单片机应用系统的一个难点，特别是在无仿真器情况下进行软件调试。因此，在理论课中讲述初等调试技术是有必要的，例如用示波器、LED显示测信号、串行通信监测程序流程等。使学生提高系统设计和调试技能的同时，提高了实验课效率，使实验课有更多的时间用于综合性实验中。

3 实践教学模式的改革

3.1 基于项目引领的实验模式

我们许多课程的实验课教学模式，基本上都出于传统的公共基础课实践教学。其特点是对单一某个理论教学内容进行实验演示和验证。由于思维的惯性，这种传统自然也延续到单片机实验课中，致使学生综合性实验能力较弱，完成课程设计和实际应用设计的难度较大。

作为嵌入式基础和初级应用的单片机基础课程，其最大特点是工程性。单片机本身是一个强大的系统集成工具，学生在专业知识基础上用单片机及相关器件进行综合分析和设计，最终要制作出满足用户要求的产品。因此，单片机实验课的主体思路是综合性、工程性。

基于这一点，我们对实验课在宏观上调整为基于项目引领的实验模式。首先是将基础性实验以Proteus软件仿真形式在理论课上实验和演示；其次是配合理论课将整个学期的实验课安排成一个应用项目，将整个项目按照内部资源、扩展资源、前向通道、后向通道和人机通道等部分分解成各个模块作为每次试验课的内容。学生在完成单次试验的基础上，从软硬件的角度对项目整体架构不断地加深认识和理解，最后完成一个项目的全过程实验。在这个过程中，学生不断地积累系统级分析设计的能力，不断地积累着成就感。学生增强了对实验课的兴趣，大幅提高了单片机实验课的效率和效果。

3.2 多种实验手段的综合运用

现在高校学生基本上都基于实验箱做实验。相对于传统实验手段（手工焊接或用面包板），实验箱在单片机应用系统的软件实验方面具有优越性，但在硬件实验方面，则现出其明显的弊端。学生按照实验指导书的指示在实验箱上连接各端子，学生大多不去了解这种连接后形成的电路；没有从设计、元器件连接、调试到完成全过程的锻炼；实验箱资源有限；不能进行多种硬件方案的试验、硬件电路的优化设计和创新。

我们根据实验不同分别采用不同的实验手段。应用面包板的实验，侧重于自己设计电路实验方案、创新潜能的开发和硬件系统级调试技术的学习；手工焊接的实验侧重于实际动手技能和模块及硬件调试方法的学习和锻炼；应用试验箱的实验则重点侧重于复杂系统的编程和软件调试。同时，这些实验手段的综合应用，给学生创造了一个宽松的软硬件实验环境和发挥创造性的空间，增大了实验课的吸引力，促进了对理论教学的理解，达到了很好的效果。

3.3 发掘第二课堂的深度和广度

单片机课外教学活动是可行和必要的。组织成立学生课外活动小组，为学生设计阶段性任务。这些任务可以是承担科研项目的分解部分，也可以是有意义和价值的小题目。学生的任务可以指标化，小组实行优胜劣汰。这对学生提高课程兴趣、加深理解、拓展知识和带动整体学习起到了重要作用。

每年一次由教育部和信息产业部共同举办的大学生电子设计竞赛，是一次极好的单片机实践教学活动。要进行规范整理，优化模块设计，使之成为标准件，进而成为教学资源，进而促进教学教改工作进展和良好学风校风的建设。

4 结语

单片计算机是技术发展快速的IT前沿技术。要改变思路，以特别的眼光研究这门特殊的课程。我们从教学体系、理论教学、实践教学和自主学习等全方位进行的研究探讨，在教学实际中呈现了良好的效果。

参考文献

[1] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2] 吉鹤.电子信息专业课程体系与实践教学的探讨[J].光电教学与研究，2009（1）.

[3] 汪万维.单片机课程教学改革探讨[J].武汉大学学报（理学版），2012（S2）：95-97.endprint