基于单片机原理及接口技术的课程教改

徐国垒 莫荣 陈建东 廖晓梅

摘要：单片机原理及接口技术是一门理论与实践紧密结合、有助于开发学生创新思维的专业课程，为了更好的教授学生专业知识、引领学生树立正确的政治思想、价值理念及精神追求，该文从教学模式、教学方式及课程思政三个方面进行教学改革的探讨，培养学生“知原理、懂技术、善操作、敢创新”，培养学生拥有正确的人生观、价值观和世界观，实现学生德、育、体、智全面发展的教育。

关键字：创新思维;课程思政;教学改革;全面发展

中图分类号：G4 文献标识码：A

0、引言

在机械电子专业中，单片机原理及接口技术是其中一门专业基础课程，该课程主要以51系列单片机为研究对象，介绍其基本结构、指令系统、I/O接口、定时器、中断系统、串行通信等多方面知识[1]，为学生从事单片机相关工作打下基础。课程涉及C语言编程、模拟电路、数字电路等相关知识，关联知识点较多且抽象，理论与实践结合密度高[2]。

针对该课程的教学方式，目前有传统教学法、举例教学法、企业教学法、任务教学法等，其中，传统教学方法侧重理论基础讲解，举例教学法、企业教学法及任务教学法存在教学方法单一，造成理论与实践结合度较低，大部分学生对抽象知识点难以理解;同时，高等教育以培养德智体美全面发展的社会主义接班人为目标，目前该课程的教学方法融入思想政治素质方面教育较少[3]，分析目前教学方式存在的不足，可能造成以下问题：1、学生对单片机的运用存在较大困难，在工作岗位上出现动手能力不足、思维扩展较弱等现象;2、理论支撑较弱，难以灵活应用;3、学生的爱国思想存在一定的淡化，利益追逐心强，造成人才流失现象。

针对目前该课程教学方式存在的不足，本文主要从以下三个方面阐述教学改革方案，分别为教学模式、教学方式和思政建设三个方面，以 “知原理、懂技术、善操作、敢创新”为目标，为国家培养高水平技术型人才，同时引领学生树立正确的政治思想、价值理念及精神追求[4]。

1、单片机原理及接口技术课程教学模式的改革

随着互联网技术发展，人们交流变得更加方便，学习资源不断丰富，教学模式可以变得多元化。根据教学时间、教学地点、教学模式的不同，出现第一课堂、第二课堂、第三课堂及第四课堂多种教学模式，在规定的教学时间里进行教学活动的课堂称为第一课堂，在第一课堂以外开展教学活动的课堂称为第二课堂，第三课堂是实践教学，第四课堂是网络课堂，目前的教学主要以第一课堂为主，第二课堂为辅，对于实践教学与网络课堂应用极少，本文将介绍如何将实践教学与网络课堂融入教学，提高教学质量。

首先，教师应充分掌握课程知识点，尽可能用简短的语言总结课程内容，在第一课堂上，充分利用有限的教学时间，由浅入深引导学生对课程理论的理解，根据课堂上讲解的知识点，给学生预留相关的问题，让学生在课余时间通过各种渠道寻找答案。同时，利用第三课堂的实践教学，提升学生的动手能力，例如介绍单片机原理及接口技术的定时器系统时，通过第一课堂详细讲解定时器系统的工作原理，通过举例教学法例举定时器在生活中常见的运用领域，如闹钟、电饭煲、洗衣机、上课铃等，均用到定时器功能，然后利用第三课堂将该节内容进行实践，让学生通过单片机开发板或相应的仿真软件实现定时器功能，如利用定时器知识实现生活中闹钟设计，并做相应的功能要求。

针对该课程的考核成绩，可将理论考核成绩设置为60%的占比，平时成绩设置40%的占比，其中平时成绩以学生多方面的表现综合评定，例如课堂上学生的积极回答问题、课后作业的完成效果、网络课程学习时间等多方面，让学生明白课程考核不仅仅来源于理论知识，激发学生的实践兴趣。

2、单片机原理及接口技术课程教学方式的改革

2.1 传统设备与先进设备结合应用

随着社会科技发展，教学设备除了传统的粉笔、黑板之外，增加了投影仪、计算机、扩音器、激光笔等多媒体设备，在第一课堂上充分利用各种教学设备相结合。首先，教师先利用粉笔、黑板两种教学设备，将本次授课内容、新概念、新名词等罗列在黑板上，然后结合多媒体设备的可视化动画将抽象内容展示给学生，以引脚的I/O功能介绍为例，利用按键实现引脚的输入信号控制，引脚的输出信号控制LED灯亮灭，将按键与LED灯共同展示I/O功能，由于单片机通过高低电平传送信号，学生不能直观的看到电平的变化，因此，可以利用多媒体动画将抽象的高低电平模拟，如图1所示。

首先设“0”代表低电平，“1”代表高电平，当按键没有按下时，PA2引脚处的“0”以动态形式移动到LED灯左边，按下按键后，将按键左边的“0”以动态的形式移动到PA1，意味PA1引脚检测到低电平，当PA1检测到低电平后，PA2引脚处的“1”以动态的形式移动到LED灯左边，同时LED灯变色，代表LED灯点亮。利用多媒体的动态显示方法，有效模拟以上抽象的电平信号流动，实现可视化，有助于学生的理解。

对于较难知识点，教师可采用多种教学设备结合使用，例如寄存器的运用，对于刚接触的学生来说，如何配置寄存器参数、运用寄存器是一个难点，因此，教师在课堂上结合多种教学设备讲解，例如，教师先将寄存器表写在黑板上，并且将寄存器的每个位功能列出，引导学生如何记忆，通过实际案例，介绍如何设置寄存器、寄存器的每个位控制什么功能，在黑板上的寄存器表中设置相应寄存器位，然后转换成相应参数写到程序中，通过仿真軟件进行验证。以定时器/计数器的工作方式寄存器TMOD为例，如表1所示;

在MCS-51单片机中，有定时/计数器T0、T1，举例用T1实现定时器功能，TMOD寄存器只需要设置高四位，低四位为默认值。例程中需要配置TMOD寄存器的高四位参数，教师先将表1写在黑板上，由于D6位为1时，T1作为计数器，当D6为0时，T1作为定时器功能，因此将D6位设置为0，然后再将设置好的参数写入到例程中，以此方法设置其他相应位，通过这种方法，学生清晰了解TMOD寄存器的每个位功能以及寄存器参数值的来源，便于学生理解。

2.2 理论结合案例

在第一课堂上，教师完成每个内容的理论讲解后，应结合案例让学生加深理论知识的理解，对于单片机原理及接口技术这门课程的案例，可通过Proteus软件搭建仿真电路，可通过Keil软件进行编写，最后，结合Proteus与Keil软件对教程的案例进行讲解，通过修改程序，让仿真电路完成不同显示，案例由浅入深逐步渐进。

以I/O接口电路章节为例，实现按鍵控制LED灯的亮灭，首先，向学生介绍按键、LED灯的工作原理，其次，介绍单片机引脚与按键、LED灯的连接原理图设计，最后，介绍关于案例需要用到的知识点。

接下来进行案例讲解，案例讲解由浅入深，首先实现简单功能，利用一颗按键的按下与松开控制一颗LED灯亮灭，当按键按下，LED灯亮，松开按键，LED灯灭;然后再引入两颗按键控制两颗LED灯，第一颗按键控制第一个LED灯，第二个按键控制第二个LED灯，当学生理解如何应用按键控制LED灯后，再引入较难的案例，如按键控制流水灯、密码锁等案例，通过理论与案例结合以及由浅入深的案例讲解，有助于学生理解，使学生“知原理、懂技术”。

2.3 简易开发板设计

单片机原理及接口技术实践性强，为了让学生做到“善操作”，实践是必不可少的，虽然为学生提供了实验课程，但存在实验课程时间有限、实验地点固定、实验设备不易移动等问题，为了让学生在实践方面不受时间、地点、设备等条件设备的限制，学生拥有一套学习的开发板是有必要的，目前市面上已出现各种51系列开发板，拥有配套的学习资料，开发板上资源丰富，但较为昂贵，在有限的教学时间上，开发板上的很多功能不能进行深入讲解甚至不能讲解，造成资源浪费，开发板的电路设计相对较为复杂，对于学生来说理解电路设计原理存在较大难度，导致学生对开发板的运用存在较大的困难，因此，教师可以利用第一课堂，带领学生共同完成一款属于自己的简易开发板设计，其功能如图2所示。

简易开发板根据教材内容、学期课时安排等因素，设计有51单片机最小系统、电源模块、LED灯模块、蜂鸣器模块、数码管模块、按键模块、红外接收模块，课堂上，教师针对每个模块的功能及工作原理进行介绍，然后带领学生一起设计每个模块的电路原理图，介绍每个元器件在电路中的作用，元器件参数如何选择，再利用Altium Designer软件绘制原理图，之后带领学生一起完成简易开发板的PCB布局，学生后期在使用简易开发板时了解每个元器件的功能、位置、工作原理，最后完成PCB布线，设计完成后，教师统一将简易开发板、相关元器件及焊接工具包采购，并分配给每位同学，对每位同学进行焊接培训，然后让学生自行完成简易开发板的焊接，学生了解简易开发板设计的整个流程及各个模块的工作原理，对学生后期自行开发学习具有较大帮助，学生在课后的任何时间、任何地点可以进行简易开发板的操作，有效解决学生在实践过程中受时间、地点、设备等因素的限制，通过第一课堂学习了理论知识及相关案例，学生在课余时间利用简易开发板对教学知识的验证，增强学生的操作能力，实现理论与实践结合教学。

3、单片机原理及接口技术课程的思政建设

3.1 课程思政内容

“课程思政”是党中央推动新时代教育事业深化发展的一项重大战略部署，是高校全面提升思想政治工作质量落实立德树人任务的一项重要战略举措[5]。高校主要为中国特色社会主义事业培养可靠接班人及合格的建设者，为中华民族伟大复兴中国梦培育人才、输送人才、凝聚人才，因此，教师除了教授学生专业知识之外，培养学生树立正确的政治思想、价值理念、精神追求必不可少[6][7]。

3.2 课程教育与思政融合

单片机原理及接口技术实践性强，涉及知识丰富，教师可以从多个方面将思政元素融合到课堂教学中。

为了给学生提供方便的实践环境，本文提出简易开发板设计，简易开发板的核心控制主要是51单片机最小系统，如果缺少51单片机，整块简易开发板将处于瘫痪现象，无法工作，对于这样的问题，教师可以衍生核心技术的重要性，在技术上，除了引进别人的新技术，还要潜心专研新技术，将其掌握在自己手里，避免出现该项技术欠缺导致产品的瘫痪，该现象在国内目前十分明显，例如，在中美贸易争端中，我国芯片研发制造方面与美国具有一定差距，国内一些大型企业在芯片生产制造领域被国外“卡脖子”，因此，在引入新产品时，还要学习新技术[8]。

该课程涉及到定时器系统内容时，让学生清楚了解定时时间的参数设置，且要实现精确的定时，如果在每次定时中存在一点误差，长时间定时将会导致误差增大，造成产品使用的不可靠性。告诉学生做事细心，在每一个环节下要保证准确性，养成大国工匠精神。

中断系统内容介绍时，由于中断系统中包括定时中断0、外部中断0、定时中断1、外部中断1、串口中断，单片机的中断是由于单片机检测到相应的标志位，跳到中断函数中执行相关任务，并且存在中断优先级，当多个中断产生时，单片机会根据优先级进行处理，通过单片机优先级处理问题，可以让学生明白利益的选择，面临国家利益与个人利益时，我们一定要优先考虑国家利益，让学生知道国家利益大于一切，培养学生的爱国精神。

在串行通信章节中，在实现通信的前提下，主机与从机要进行相应的设置，如主机与从机的波特率、奇偶校验位、停止位参数要设置一致，这就相当于在我们的生活中，只有我们树立正确的人生观、价值观和世界观，拥有正确的政治思想、价值理念、精神追求，我们所做的事情才能得到社会的认可、国家的认可。

4、结语

2020年到2021年第二学期中，利用本文改革后的教学模式及教学方式教授“单片机原理及接口技术”该课程，在课程结束后，理论成绩考核人数150人，通过人数为131，通过率超过87%，并且部分学生参加团队，为单片机相关竞赛打下一定基础。

针对课程思政建设仍在路上，作为一名专业教师，要不断完善思政与教学的融合，潜移默化的引导学生树立正确的人生观、价值观和世界观，实现为国家培养德、育、体、智全面发展的人才。

参考文献

[1]刘顺财，刘常涛.基于单片机课程教改探索[J].洛阳师范学院学报，2019，38（05）：37-39+55.

[2]王博，黄永红，贾好来.“嵌入式系统及应用”课程思政教学实践[J].电气电子教学学报，2020，42（06）：25-29.

[3]岳志阳.基于C语言嵌入式专业的高校课程教改研究[J].计算机产品与流通，2019（02）：181.

[4]郎振红.课程思政建设与教学改革的探索研究——以计算机软件技术专业为例[J].工业和信息化教育，2021（03）：10-13+24.

[5]张宏伟，王新环，王静.“嵌入式系统设计”课程思政资源挖掘及教学方法研究[J].工业和信息化教育，2021（03）：60-63.

[6]黄闪闪. 理工类高校“课程思政”理论与实践探索[N]. 天津日报，2021-03-06（015）.

[7]郎振红.课程思政建设与教学改革的探索研究——以计算机软件技术专业为例[J].工业和信息化教育，2021（03）：10-13+24.

[8]贡益明，徐信，陈聪.“课程思政”在单片机原理及应用课程教学中的建设与实践[J].现代职业教育，2021（13）：34-35.

基金项目：2017年度广西民办教育科学规划课题“基于“创客”模式下的大学生创新创业教育研究”（项目编号2017MB41）

作者简介：徐国垒1992年9月生人，男，贵州 普定，硕士，专任教师，主要从事单片机原理与接口技术、C语言程序设计理论教学。