机械类本科专业单片机课程教学改革探索

文笑雨 李浩 裴旭明

摘要：结合单片机课程的特点和“95后”学生的兴趣爱好，对机械类本科专业单片机课程知识体系和教学方式进行了初步探讨。利用“密室逃脱”游戏中的机关系统，引导学生初步了解单片机的功能;设计抖音短视频版彩灯控制实验，加深学生对单片机知识点的理解与掌握;利用Proteus和Keil C51软件，加强学生对单片机软硬件的认识;通过自媒体平台，增进师生问的交流互动。这些策略能激发学生学习单片机的兴趣，引导学生关注单片机的最新发展与应用，使学生更好地掌握单片机课程相关的理论知识和应用方法。

关键词：单片机课程;知识体系;教学方式;虚拟仿真;自媒体平台

单片机课程是机械类本科专业的专业基础课程，该课程不仅要求学生掌握单片机软硬件及接口设计的相关基础知识，还要求学生能够根据实际应用需求，设计出应用系统。与电类专业的单片机课程相比，机械类本科专业单片机课程学时相对较少。以郑州轻工业学院为例.，机械类本科专业的单片机课程仅有32学时，其中28个理论学时，4个实验学时。传统的教学方法基本上是从单片机的基本概念、软硬件结构、接口设计及扩展逐步展开讲述，学生普遍感觉单片机课程内容抽象，知识点繁杂琐碎，在学习结束之后学生甚至不了解单片开发的完整流程，更不用说实际应用了。在有限的理论和实验学时制约下，结合“95后”学生的兴趣特点，笔者对机械类单片机课程知识体系和教学方式进行了初步探讨，以激发学生学习单片机的兴趣，引导学生关注单片机的最新发展与应用，使学生能够更好地掌握单片机课程相关的理论知识和应用方法。

一、单片机课程知识体系的教改策略

（一）“顶天”又“立地”，快速引入门

对机械类的本科生而言，目前本科院校單片机课程采用的教材大多数讲述对象为51单片机。学生在学习单片机的课程时容易产生两种心理：一种是“单片机落伍论”，有这种心理的学生多数已经参与过一些科技竞赛类活动，已使用过一些新型单片机，所以认为学51单片机是没有意义的;另一种是“单片机学不会论”，认为机械类本科生的电子电工基础和编程基础较差，无法理解单片机的软硬件原理。

在教授单片机课程时，教师必须一开始就对学生的这两种心理进行纠正，引导学生正确认识单片机课程。对于第一种心理，教师需要让学生明白单片机课程不仅是要教会学生使用51单片机，而且要让学生理解单片微机的原理与应用。51单片机只是一个壳，一个用来过渡的单片机，更重要的是让学生学会单片机的外围电路和编程思想。对于第二种心理，教师既要通过高精尖设备中专用单片机系统的应用，如航空航天领域中一些实时控制功能的实现，让学生明白单片机应用系统具有高端的应用领域;也要通过生活中常用的家用电器来引导学生对单片机作用的理解，如吉列电动剃须刀中使用了4位单片机，让学生不会觉得单片机离自己非常遥远，避免学生先人为主地对单片机课程学习产生畏惧心理。另外，结合"95后”学生的兴趣爱好，教师可以将“密室逃脱”游戏中机关系统作为学生对单片机初步认识的媒介。“密室逃脱”游戏中一些较复杂的机关多数是通过一小块集成电路板来控制的，每一个关卡中的机关系统其实就相当于一个单片机应用系统。

上述单片机课程人门的引导，能够从理论层面和应用层面引导学生正确认识单片机课程，既“顶天”又“立地”。既能纠正学生对单片机课程的一些错误认识，又能激发学生的学习兴趣，快速引导学生人门。

（二）软硬两手抓，分流侧重点

总体来讲，单片机课程的主要知识点可以分为硬基础、软基础和软硬结合三个方面。硬基础主要包括四个方面的内容，即硬件结构、功能部件、串并行扩展和人机接口。软基础主要为指令系统和汇编语言程序设计。软硬结合主要体现在单片机应用系统的设计与实现上。硬基础中的知识点非常多，由于机械类本科生一般没有专门学习过微机原理，对单片机硬件基础的理解有一定的困难。所以在硬件基础部分，教师应适当减少原理性的讲解，要结合一些小型的单片机开发板，以应用为导向，结合实例促进学生的理解。软基础部分非常抽象，学生理解起来比较困难。关于这部分知识点的讲述，教师不应直接讲解指令的功能和程序设计的方法，而应该让学生去理解如何将人脑的计算思维转换为计算机能够读懂的指令，强调计算方法的讲解。

在掌握软件和硬件的基本知识之后，通过单片机实验来让学生了解单片机应用系统的设计与实现方法，就是软硬结合。由于实验学时仅有4个，在实验课程实施中，不会让学生进行非常复杂的设计类实验，而是在验证性实验基础之上让学生对实验内容进行扩展。彩灯控制实验往往用来作为学生的第一个单片机实验，通过该实验，学生对单片机的软硬件结构及基本功能有了初步认识。根据笔者的教学经验，学生在完成这个实验之后，普遍产生了“单片机比较好玩”的想法，对单片机的学习兴趣有所增加。在此基础之上，考虑到“95后”学生普遍喜欢观看抖音短视频这一现象，教师在进行该验证性实验时让学生自选音乐，根据音乐节奏设计彩灯闪烁方式，并录制抖音短视频进行发布。首先，学生需要测算音乐节拍，计算彩灯点亮和熄灭时间;其次，学生要根据彩灯点亮和熄灭的时间编制程序，通过循环嵌套或者定时器控制延时，驱动彩灯闪烁;再次，学生将编制的代码通过下载器导入单片机，随着音乐节拍配合运行并录制视频。通过彩灯闪烁时间的控制，学生更深入地理解了指令系统、定时/计数器的功能以及单片机驱动LED彩灯的原理，他们在娱乐的同时加深了对单片机软硬件知识的学习与理解。

在有限学时的制约下，教师不可能在课堂上对单片机课程的每个知识点进行深入的探讨。因此，教师关于单片机知识体系的讲述更应该注重引导学生对单片机软硬件设计的兴趣，根据学生的偏好，进一步深入不同的学习侧重点。比如，若学生对软件更感兴趣，则应引导学生了解目前最主流的编程语言Python在单片机开发中的应用（Micro Python）。

二、单片机课程教学方式的教改策略

（一）虚拟仿真技术加强单片机软硬件认识

Proteus软件是英国Lab Center Elec-tronics公司出版的EDA工具软件，是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，具备强大的软件仿真及程序调试功能。由于硬件平台有限，程序讲解比较抽象，在单片机课程理论和实践教学中要引入Pro-tens和Keil C51。在讲解以单片机为核心的硬件电路开发时，教师使用Proteus软件绘制仿真电路图，学生会有更加直观的认识。另外，学生也可不拘泥于实验室的硬件开发平台，可以自行熟悉硬件电路的各类元器件，在个人电脑上进行设计与仿真。在进行实验时，先通过Proteus进行仿真，再通过微控制器实验箱验证Proteus仿真结果，通过虚拟仿真與实际开发平台的结合，增加学生对单片机课程的理解与掌握程度。在进行实验验证时，为了进一步提高学生的单片机软件编程能力，教师要求学生使用Keil C51建立工程文件，编制程序，调试运行，生成可导人单片机的HEX文件，并通过下载器将代码烧录进单片机，验证能否实现预期功能。在使用Keil C51的过程中，学生需要调试程序，寻找程序错误并进行修改，这一过程能够强化学生对单片机不同指令功能的理解。

（二）自媒体平台增进师生交流互动

"95后”学生获取信息的重要渠道就是手机。微信公众号是当前比较流行的自媒体平台，已经有很多教学工作者将微信公众号作为与学生交流沟通的重要工具。在单片机课程教学当中，也可以考虑使用微信公众号，增进师生之间的交流互动。该课程公众号的内容可由教师和学生共同建立维护，教师可通过公众号在课前发布课堂知识点的思维导图，引导学生做好预习。学生可通过公众号，发布自己的学习进展情况以及存在的问题，教师可根据学生的学习进展情况以及存在的问题适当调整教学计划，形成教与学之间的正反馈。课余时间，教师和学生都可将自己获取的单片机最新的发展信息发布在公众号中，实现共同学习、教学相长。

三、总结与展望

结合机械类本科专业学生的特点以及“95后”学生的兴趣爱好，以提高学生学习单片机课程的兴趣为目的，笔者对单片机课程知识体系和教学方式的教改策略进行了初步探讨，取得了良好的教学效果。在后续教学过程中，教师要采用先进的信息技术方法进一步丰富教学手段，如结合虚拟现实技术营造具有沉浸感的教学方式等，从而更好地提升教学效果。

参考文献：

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[3]杨盛，陈星.“单片机应用技术”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2013，（2）.