基于电子设计竞赛的单片机课程教学模式的改革

任玲芝 杨回回 李岩岩

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

单片机课程作为电类专业的一门专业核心课程，在各大高校均已开设，尤其对于应用型本科高校，单片机课程以具备较强的实践性成为一门重要的课程，该门课程对培养学生的工程思维能力和解决实际问题的能力具有重要作用[1]。单片机课程内容主要包括单片机内部硬件结构、工作原理和汇编指令等，由于这些内容抽象难懂，导致部分学生学不懂，甚至不愿意学习[2]。针对这些问题，我院专业教师将近几年与单片机相关的电子设计竞赛引入到课堂教学中，建设开放实验室，积极开展学生的第二课堂活动，引起了学生的广泛兴趣。

2 单片机课程教学现状

单片机课程是工科电类专业的一门实践性很强的专业核心课程，综合了电路、模拟电子技术、数字电子技术、计算机语言编程技术和控制算法等多门专业课程，也是一门最接近实际工程应用的课程[3]。深入地学好这门课程，能够为学生以后从事电子电气类工作提供强有力的技术保障，因此，该门课程的教学过程，以及学生的掌握情况极其重要。

据了解，目前有较多高校由于管理观念、经费、学生成绩考核机制和实验室环境状态等方面的原因[4]，使单片机课程教学存在着一些问题，导致教学效果不佳，主要体现在以下几个方面。

第一，理论课程教学没有侧重点，而是所有内容同等对待。该门课程的授课内容基本上是按照单片机内部结构与工作原理、汇编指令系统、汇编程序设计、中断系统和定时计数器、串口通信技术、接口扩展技术等顺序来进行的。在这些内容中，汇编指令是重要内容之一，8051单片机有111条指令，不是每条指令都很重要，将这些指令详细讲完，需要花费较长时间，还会让学生感觉难学不容易懂。

第二，实验教学内容单一，机械式的连线，照搬程序。单片机实验本应该是趣味性较强的一门实验课程，但由于课堂时间的限制和采用傻瓜式的单片机实验箱，学生都按照实验指导书上的步骤一步一步连接实验箱上的电路，软件程序也是直接照抄实验指导书，线连完了，程序抄完了，现象出来了，这个实验就完成了。这样完成实验，学生仍然不知道单片机的控制原理，对学生学习的帮助极小。

第三，没有开放实验室，学生只能在课堂时间内完成实验。部分有兴趣的学生想吃透单片机的控制原理，但由于课堂时间紧迫，课上没能完全掌握，想在课后继续巩固，而专业实验室一般都不开放，学生没有实验箱，也没有办法进行深入的学习。

以上几个原因限制了单片机课程教学，导致教学效果不好，降低了部分学生对这门课程的学习兴趣，即使程度较好的学生对该门课程理论的学习也不够深入，实践动手能力也不强，更缺乏对单片机软硬件系统的整体掌握，遇到问题不会调试解决，没有实现对学生的创新能力和工程实践能力的培养。

3 电子设计竞赛与单片机课程教学的关系

全国大学生电子设计竞赛从1994年开始第一届，到现在已经经历12届国赛，若加上省赛的话，有25届左右，是工科电类专业举办时间最长、规模最大、影响力最大的学科与技能竞赛[5]。电子设计竞赛题目一般都是结合大学生专业课程内容，从实际工程应用背景中提取出来，综合考核学生应用专业基础知识解决实际问题的能力，体现学生的理论联系实际能力、综合应用能力、创新能力和团队协作能力等[6]。电子设计竞赛的内容主要涉及模拟电路、数字电路、单片机控制技术、可编程控制技术、通信技术、信号处理技术等，要求学生熟悉专业课程内容的基本概念、基本电路、基本原理、基本分析方法和基本的设计原理[7]。从历年竞赛题目来看，涉及单片机技术的题目每年都有4—5题以上，占题目总量的50%左右，有使用简单的8位单片机，也有使用复杂的32位单片机[8]。

单片机课程是工科电类专业的一门实践性较强的专业核心课程，在我院电气工程及其自动化、电子信息工程、电子科学与技术、机械电子工程和机械设计制造及其自动化专业均已开设，理论学时都为32学时，电类专业实验学时为20学时，机械类专业为16学时，课程内容中主要以8051系列8位单片机作为具体型号来进行讲解。电子设计竞赛中有部分题目是采用单片机进行设计，将赛题内容进行分解，简化难度，引入单片机课程教学，使学生真正了解单片机如何应用在实际工程问题中，有助于提高学生的学习动力，培养学生实践能力和创新设计能力。

4 基于电子设计竞赛的单片机课程教学模式改革方案

由于电子设计竞赛赛题难度较大，综合应用性较高，因此通过电子设计竞赛题目来改革单片机课程教学[9]，要从以下四个方面入手。

4.1 调整课程教学大纲

传统的课程教学大纲都是参考单片机教材来制定的，其中程序设计内容中的例程主要以讲解指令为主，内容抽象，晦涩难懂。我院单片机课程理论学时只有32学时，再加上单片机课程主要以实际应用为主，因此制定教学大纲时，尽量减少非重点内容学时数，尽量简化单片机内部结构内容的讲解，非常用汇编指令尽量少讲或不讲解，重点讲解常用汇编指令，引入与实际应用相关性较高的案例，培养学生对单片机系统开发过程的整体掌握。表1是我院单片机课程内容各章节内容学时分配表。从表1中可以看出，引入案例教学的学时数达到18学时，占课程总学时的56%。

表1 单片机课程各章节学时分配表

4.2 夯实基础内容，引入项目化教学

单片机的主要功能就是通过I/O口输入输出信号或控制其他部件，要掌握单片机的I/O口控制功能，必须掌握单片机内部寄存器；同时，还要掌握单片机指令系统，因此，单片机课程中寄存器、I/O口控制和指令系统的内容非常重要。在讲解单片机内容时，必须围绕着这三个方面进行课程教学设计。结合单片机课程的教学实践，我院从以下三个方面来展开教学。

第一，讲清楚寄存器的功能作用。寄存器是比较抽象的内容，要让学生明白寄存器就是用来存储数据和协调单片机系统工作的部件。对于通用寄存器，主要用于存放中间数据；对于特殊功能寄存器，要控制单片机实现某种功能，就要先设置这些寄存器，从而达到使单片机能完成某特定功能的目的。

第二，讲清楚单片机I/O口的主要功能和使用方法，对于I/O口内部结构，可以让学生自学，主要讲解单片机I/O口的使用方法。我院具体做法为：在课堂上，结合Proteus仿真软件和Keil编程软件，引入项目化案例，进行详细讲解，控制单片机I/O口输入输出功能的设计项目如表2所示。

表2 单片机I/O口输入输出功能的设计项目

第三，对汇编指令要区分对待。8051系列单片机汇编指令共有111条，其中常用的指令大概只有30条左右，且这些指令中有很多形式上都非常相似。在讲解指令内容时，先让学生快速了解各个指令的功能作用，然后再结合案例进行详细讲解，最好与C语言对应起来，帮助学生理解和记忆，如表3所示。但应注意，有些汇编指令与C语言指令是相近，并不完全相同，讲解时应说明两者区别。

表3 常用汇编指令与C语言对应表

4.3 建设开放实验室，开展第二课堂

通过仔细分析历年电子设计竞赛赛题，可以发现涉及单片机的题目都具有一定的综合性，仅靠课堂上的所学远远不够。因此，依靠课堂上的时间只能学会使用单片机进行简单的控制，要想真正掌握单片机的应用，需要建设开放实验室，开展第二课堂，让学生参与进去。在第二课堂中，教师应根据学生的实际情况，认真设计一些研究性、设计性和综合性实验，让学生自己查阅资料、解决问题、实现功能、完成任务。

我院依托机械与电子工程学院，在学校团委的支持下，成立了电子创新设计协会，建成了两间开放实验室，采用三人作为一组进入开放实验室，进行一些深入性的学习。基础差的学生选择容易的项目，基础好的学生选择难度大些的项目，学习结束后进行比赛和答辩环节，最终让学生从中有所收获。表4是我院开展的研究性、设计性和综合性实验项目。

表4 巢湖学院开展的研究性、设计性和综合性实验项目

4.4 改革考核方式，促进以优带差

为了提高学生学习兴趣，积极主动地学习单片机课程，不仅要在课程教学内容上实施改革，在考核方式上也要进行相关的改革。传统的课程考核方式，都是通过期末考试试卷考查学生对课程的掌握情况，但是单片机课程实践性比较强，若只是机械式和重复性记忆汇编指令和寄存器内容，没有太大的实际意义，只会增加学生的负担，导致学生厌学。我院从三个方面对考核方式进行改革。

第一，从理论考试方面考核。与传统期末考试类似，但是在试卷上提供必要寄存器内容和重要的汇编指令，主要考查学生对这些寄存器和指令的理解和使用。

第二，从实验方面考核。平时正常做实验，按照平时做实验的态度和实验操作考试来评定学生成绩，两者各占50%比例。在第二课堂中，按照他们选择实验项目的难度和完成的项目情况，给出综合实践成绩，这部分成绩带有一些主观成绩。

第三，结合上面三个部分，学生的最终成绩=期末考试成绩*40%+实验成绩*30%+综合实践成绩*30%，让学生充分参与到单片机课程教学中。

在第二个方面的第二课堂中，尽量将优生和差生分在一个小组里，时刻告诉他们，你们是一个团队，而不是单打独斗，若有一个成员没有搞清楚问题，整个小组考核就算不合格，要求优生帮助差生，从而提高整个班级的学习动力。

5 结束语

电子设计竞赛综合考查了电类专业学生的理论联系实际能力、创新设计能力和团队协作能力。结合电子设计竞赛和单片机课程教学的特点，从调整课程教学大纲、引入项目化教学、建设开放实验室和开展第二课堂、考核方式四个方面对单片机课程进行改革，使单片机课程教学具有更强的实践应用性，让学生从该门课程学习中体会到学习的乐趣。经过教学实践表明，近两年我院单片机课程教学效果提升明显，更多的学生选择单片机内容作为毕业设计课题，为社会输送了理论和技能兼顾的应用型人才。