单片机原理及应用课程教学改革与实践

侯甲童，孙克伟，王玉龙



单片机原理及应用课程教学改革与实践

侯甲童1，孙克伟，王玉龙

（哈尔滨理工大学 荣成学院，山东 荣成 264300）

针对目前单片机原理及应用课程教学中，理论课基本上是采用板书结合多媒体教学，实验环节的设备较多采用实验箱或实验台，而考核中卷面成绩比重较大这一现状，提出了将仿真软件Proteus和Keil联合调试引入理论课教学．通过在实验和实践环节中采用仿真和实验板双重验证，提出相应的课程考核方式．根据教学反馈，单片机原理及应用课程的教学改革改善了教学效果．

单片机；仿真；课程教学；实践教学

单片机原理课程通常在本科三年级开设，本门课程的前导课程为电路、模拟电子技术、数字电子技术、PROTEL、微机原理与接口技术等．本课程对前导课程的掌握要求较高，并且在后续的课程如计算机控制技术等课程中，有很多的应用，起着关键的衔接作用．此外，各高校开设的名称不尽相同，但基本上单片机原理课程的讲授都以51单片机为主，此外也有部分高校在51系列单片机的基础上讲述其他类型单片机，如AVR，PIC，TI的MSP430系列等[1-3]．

1 单片机原理课程特点与现状分析

单片机原理课程理论性强，需要讲述51单片机的内部资源、硬件结构、指令系统、软件编程及扩展等，但同时注重实用性，需要学生在理解原理的基础上，完成相应的系统设计．在现有的教学中，往往理论较多，而举例与实践环节薄弱．目前各个学校制定的教学大纲，均给予单片机课程一定的理论学时[4-5]．但只关注理论的讲授，从学生的角度出发，就显得比较晦涩，不容易理解和接受．所以如何在课堂教学上将理论和实际应用举例兼顾，以及如何在实验环节加强动手能力就非常重要，它能拉近学生与单片机的距离．关键的一点是，采用什么样的设备和手段给学生举例，以及用何种实验设备进行实验．

1.1 教材选取与授课现状

以往的国内教材，大多以叙述讲解为主，较注重元器件及相应电路内部机理的研究，较少注重元器件及各典型电路外部机理的研究及典型应用，并较少有综合类实验，不利于提高学生实际动手能力及理论联系实际的能力[6]．

目前的课堂教学，较多采用板书或多媒体教学，或者二者的结合．这对于初学单片机的学生而言，显得过于深奥和枯燥[7-10]．没有软件仿真和实物举例，给学生造成纯理论这一印象，很多学生死记硬背单片机内部资源，忽略了应用单片机进行系统设计这样一个最终的目的．

1.2 实验设备现状

现有的实验室设备，实验箱居多，很多高校还是使用传统的实验箱让学生做实验．这种方式是使用统一的实验箱，在实验室规定的时间内，按照实验指导书的步骤完成实验．这样做实验的方式效果很差，从学生的角度来看，很多学生根本不知道做了什么．只知道这样做可以完成实验，而为什么可以，有没有其他的解决方案却不知道．甚至在做实验的过程中出现一些小的故障，也不知道如何下手．这样做实验，学生对于课堂讲授的理论不容易结合实验去理解，无法将理论与实践真正地结合，往往事倍功半，不利于培养学生的思考能力，动手及解决问题的能力，也不容易激发学生学习单片机的兴趣和主观能动性[11-13]．

所以，为了更好地培养学生兴趣，提高学生应用单片机开发系统的能力，需要对单片机教学进行改进．

2 课程内改进措施

2.1 理论教学的改进措施

2.1.1 教材的编写和选择贴近实际 目前采用的教材为李全利教授主编的《单片机原理及应用（C51编程）》[14-15]，本教材为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材．该教材对于单片机的内部资源有较详细的介绍，对于汇编和C51编程均有详细说明．本教材的突出特点是，强调工程实践，配合相关的实验开发板，所列举的均是可以直接应用的实例．对于其他开发板，修改相应的接口即可．

2.1.2 教学内容模块化 为了让学生充分了解单片机相关概念，掌握使用单片机开发系统的技能，将教学内容模块化（见图1）．在各个模块中，虚线的部分表示可以根据需要进行选择性的授课．这一部分可以不介绍，也可以介绍其中一种方法或者介绍一部分内容，而适应不同学校的授课需求．

图1 单片机原理及应用教学模块

2.1.3 教学方法及手段的更新 课堂教学上，采用板书与多媒体结合的方式．通过板书这一经典的授课方式，可以帮助教师根据学生的接受能力调整上课进度．多媒体教学可以将一些内容做成动画的形式，可以活跃课堂气氛，增加学生的兴趣．另外，在课堂上引入仿真软件Proteus和Keil联合调试，使学生明确硬件设计与软件设计的概念．最后，通过实验开发板来演示和讲解实验．实验板为自制的实验设备（见图2），该实验板便于携带，极大地方便调试与学习．

图2 实验开发板

若教学中引入Proteus和Keil，首先应在课堂上介绍2种软件和使用说明，使学生逐步接受软件仿真这一概念．通过使用Proteus来绘制电路原理图，加深硬件电路设计的概念．通过Keil来编写程序，使学生建立起软件调试的基本概念．二者的联合仿真与调试，使学生进一步建立起系统设计的概念．而将实验开发板引入到理论教学，可以进一步地将系统开发的流程灌输给学生，结合实例来讲解，也更生动．

2.2 实验教学环节的改进

实验室采取开放式的实验方式，使用实验开发板和Proteus共同来完成实验．每一个实验需要使用Proteus绘制出原理图，使用Keil编写程序，并进行联合仿真与调试，最终在实验板上实现．

使用Proteus绘制原理图，既可以使学生明确电路设计的概念，还可以通过仿真验证电路，避免耗材的浪费，掌握联调的基本方法．此外，使用实验开发板来最终实现，相比于实验台、实验箱的方式，实验板便于携带和方便调试，可以满足学生在课下的时间来完善自己的实验设计．

在实验题目和内容上，首先包括存储器、IO、键盘、显示、中断、定时、AD和DA等必选题目．学生在完成固定的必做实验的基础上，可以在教师的指导下，进行温度测量，直流电机控制与调速，继电器与步进电机控制等选做实验题目，使学生能自主地完成发挥性实验任务[16-18]．

2.3 实践教学环节的改善

实践教学环节可以提高学生的动手能力和创新意识，设有“学年设计”环节．在这个环节，可以提出系统设计的需求，让学生来实现．

设计题目可以采用：简易密码锁设计，温度测量装置设计，湿度测量装置设计，便携式数字电压表设计及热释电报警装置设计等题目．在这个环节，不仅给出题目，还给出任务书和进程表，样式见图3．

图3 任务书及进程表

要求使用Proteus绘制原理图，并和Keil实现联合仿真，最终在硬件上实现功能，完成验收，写成报告，通过答辩．单片机原理及应用的教学方法、内容及手段图例见图４．

图４ 教学方法、内容及手段图例

2.4 课程教学与专业特点的结合

在专业教学上，可以和单片机原理课程教学结合．在自动化专业中，强调系统的概念．控制系统包含了输入输出设备，控制器，驱动装置，执行机构和反馈装置等部分．而单片机属于控制器的一种．本文设计了一个基于单片机的步进电机控制系统，采用闭环控制的方式，对转速和角度等量进行调节．硬件系统连接见图５．

图５ 步进电机控制装置

在这个小型装置中使用按键设定预期的转速或者角度，使用液晶显示屏显示预期和实际量，并采用某种控制规律（如PID等）进行自动调节，最终达到一致．通过这个实验，很好地将单片机应用在自动化专业的教学上，激发了学生学习本专业课程的兴趣．

3 课程考核方式的改革

以往的课程考核，均采用笔试的方式进行，学生往往靠死记硬背来应付考试，达不到提高应用能力的目的．而单片机课程教学在教学内容、教学方法和教学手段方面实施改革，决定考核方式也需要作出相应改革．

单片机原理及应用课程的考核，在100分的成绩中，平时成绩占10分，实验教学的必做实验项目占30分，发挥性实验项目占10分，期末卷面成绩占50分．实践教学环节，对于Proteus和Keil的联合仿真调试占30分，实验板实现占50分，报告及答辩占20分．

通过考核方式的改革，不仅注重学生理论知识的学习，更注重单片机开发应用能力，最终达到使学生具备初步系统设计的能力．

4 结论

单片机原理及应用是电类专业必修课，在专业培养计划中处于专业基础课的地位，掌握好本门课程，具有重要意义．本文在分析单片机原理及应用课程教学现状的基础上，提出了改进措施，并进行了实践．

2014—2016年2个学年的2个学期，在自动化专业进行了教学改革实践．通过学生的反馈意见表明，课堂反应热烈，实验环节学生收获大，实践环节充分发挥了学生的创新创造力．同时，在整个教学过程中，学生们收集资料，查询相关专业书籍，为后续的各门课程的学习打下了较好的基础．

[1] 彭珞丽，彭端，梁远博．AVR单片机实践教学方法的探索[J]．中国现代教育装备，2014（13）：45-47

[2] 袁正道，赵恒，王家斌． Proteus软件在PIC单片机教学及开发中的应用[J]．河南广播电视大学学报，2013（2）：104-106

[3] 王自珍，殳国华，张士文．基于计算机仿真技术的MSP430单片机实验教学实例[J]．实验室研究与探索，2013（9）：94-97

[4] 徐敏，卢周平．单片机原理及应用课程教学改革与实践[J]．实验室研究与探索，2006，25（1）：82-84

[5] 邱少嗳．Proteus 仿真软件在单片机教学中的应用[J]．电子制作，2014（1）：120-121

[6] 徐磊，申红军，蔡亚永．单片机开发Keil C51与Proteus仿真联合应用研究[J]．电子设计工程，2013，17（21）：178-181

[7] 陈飞，顾启民，王伟．基于Proteus 和Keil 的项目教学法在单片机教学中的应用[J]．实验科学与技术，2013，11（51）： 48-52

[8] 杨明欣，孟芳．微机原理与单片机课程体系改革[J]．实验科学与技术，2008，6（4）：73-74

[9] 宋跃，余炽业，张志坚．单片机精品课程的实践教学改革[J]．实验室研究与探索，2009，28（3）：83-86

[10] 高林．单片机原理与微机原理综合仿真系统的设计及应用[J]．实验科学与技术，2014，31（3）：91-94

[11] 吴政南，程远胜．基于Proteus的单片机仿真实验系统设计与应用[J]．计算机与数字工程，2011，39（11）：175-177

[12] 刘映群，孙兵，陈涛，等．Proteus与Keil在单片机教学中的应用[J]．中国现代教育装备，2010（11）：42-43

[13] 卢超．基于PC机与单片机分布式温度采集系统的设计[J]．仪表技术与传感器，2007（6）：35- 36

[14] 李全利．单片机原理及应用（C51编程）[M]．北京：高等教育出版社，2012

[15] 李全利．单片机原理及应用[M]．2版．北京：清华大学出版社，2014

[16] 任晓荣．单片机系统可靠性设计[J]．实验科学与技术，2003，11（8）：621-623

[17] 董大波，王湘云，赵柏秦，等．基于单片机的低成本CMOS图像采集系统[J]．仪表技术与传感器，2014（2）：45-47

[18] 卓郑安，周顺，阮海宇．基于单片机的普及型地震报警器设计与应用[J]．实验技术与管理，2014，31（4）：84-86

The teaching reform and practice on teaching of MCU

HOU Jia-tong，SUN Ke-wei，WANG Yu-long

（Rongcheng College，Harbin University of Science and Technolog，Rongcheng 264300，China）

The way of writing on the blackboard with multi-media are used in theory course of the teaching of fundamentals and application of MCU，the experimental box or experimental platform are often used in the experiment teaching，and the examination paper have a larger proportion in the evaluation．In view of this problem，the simulation software Proteus and Keil joint debugging to introduce the theory of class teaching is put forward．The double verification of simulation and experimental board in the experiment and practice，then the corresponding course examination is put forward．The effection of the teaching is improved according to the feedback of teaching．

MCU；simulation；curriculum teaching；practice teaching

1007-9831（2016）09-0064-04

TP368.2∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.09.019

2016-05-27

哈尔滨理工大学教育教学研究项目（320140021）

侯甲童（1984-），男，山东成武人，讲师，硕士，从事检测技术与自动化装置研究．E-mail：houjiatong0601@163.com