单片机技术教学改革研究与实践＊

韩彩霞

(武汉文理学院信息与计算机学院，湖北 武汉 430345)

0 引言

随着我国工业自动化、智能化的飞速发展，单片机以其良好的集成度、功耗低、控制功能强、扩展灵活等优点广泛应用于生活或生产的各个领域，比如智能家居、物联网、自动化设备、汽车电子、医疗设备、开关电源、智能仪器仪表、家用电器。同时，企业对单片机工程技术人员的要求也逐渐提高。“单片机技术”是自动化、电子信息工程等专业的重要专业基础课程，属于工程技术类课程，是培养学生创新精神，提升实践能力的重要课程。

根据一流课程建设要求中高阶性、创新性和挑战度的特点，结合我校虚拟仿真实验室、创新实验室的建立和多年参加学科竞赛的经验，通过重新梳理教学手段、教学方法、教学内容以及课程的考试方法等，搭建了单片机技术课程软、硬结合的实践教学平台，打通课程理论和实践学习的时间、空间界限，实现能力贯通式培养，并构建了“课、赛、考”融合的课程考试新模式。经过近几年的教学实践证明，学生对单片机技术课程的满意度较高，学生综合设计、应用能力大幅提升，参加学科竞赛人数逐年增加，竞赛成绩不断提高。

1 单片机技术教学改革

1.1 教学方法与手段改革

单片机技术课程是一门应用性很强的课程，理论与实践密切结合是本课程的重要而突出的特点。课程的教学目标为，通过课程学习使学生熟悉单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，掌握单片机技术及其在工业控制和日常生活中的应用，培养学生的实践能力、创新能力和新产品设计开发能力，为将来从事产品设计开发的工作奠定坚实的基础。

为此，将课程全部安排在实验室完成，打破理论教学和实践教学的界限，实现全程参与式教学过程。课程教学中教师边讲学生边练，学生练习的同时，教师同步指导，真正做到理论、实践统一。

采取“教、学、做”一体的项目教学法，让学生在学中做、做中学，充分调动学生学习的积极性和主动性。打破原有的理论知识章节，将知识点分散到各个实际项目中去，项目的完成过程就是知识点学习、掌握的过程，同时也是一个单片机控制系统产品实现的过程。重组后的具体教学项目和课程原有知识点的对应关系如表1所示。

表1 教学项目表

在项目的构成上，充分考虑知识的累积，采取递进式。前一个项目是后一个项目的基础，后一个项目是前一个项目的加深。这样既学习了新知识点，同时对旧知识点也起到了温故知新的作用。

1.2 教学过程与管理改革

1.2.1 教学过程

为了很好的开展项目式教学，教学中搭建了软、硬结合的实践教学平台。

软实践教学平台由虚拟仿真教学平台和单片机开发板教学平台构成。虚拟仿真教学平台，由计算机、电路仿真软件Proteus 和程序编写软件Keil 组成，构成了程序编写、电路设计、电路仿真为一体的虚拟仿真实践教学环境。单片机开发板集成了单片机最小系统和单片机外围常用资源，如液晶显示模块、矩阵式键盘模块、温度传感器模块和红外传感器模块等等。单片机开发板是虚拟仿真和硬件电路设计的桥梁，使用开发板可将通过虚拟仿真设计的电路进行验证、分析，同时开发板中对单片机的I/O 引脚进行了引出，供使用者进行扩展使用，为开展创新能力培养提供支撑。

由虚拟仿真软件和单片机开发板构成的软实践教学平台，打破了教学的时间和空间距离，极大地提高了实践学习的时效性，实现了教、学、做的统一，培养学生电路设计能力、程序调试能力，为后续开展硬件电路设计、电路板焊接及调试奠定了坚实的基础。

硬实践教学平台依托于学院创新实验室，实验室采取全天开放式运行。实验室配有分立元件、导线、焊枪、洞洞板、示波器、信号发生器和万用表等常用器件及工具。硬实践平台为学生自己搭接实际硬件电路，整体硬件电路焊接、调试等提供必要的工具。

通过仿真电路的搭建，一定程度上可以提高学生的电路设计能力。但仿真只是一个手段，它不能取代单片机学习中的真实硬件电路焊接、调试。因此，在软实践的基础上，利用硬实践平台，使单片机设计真正落实到实际应用。

1.2.2 教学管理

项目教学中采取以三～四人为单位形成团队，团队成员分工明确，互帮互助，共同完成项目。为了充分培养每个学生的能力，在多个项目的实施过程中，团队成员需要互换角色，如第一个项目某同学负责电路绘制与仿真，在另外一个项目中该同学不能再负责这一部分工作。课程最后成绩以团队为单位记录，这样团队成员间需要通力合作，每位成员都要较好地完成自己负责的工作部分，否则会影响团队成员的成绩。

1.3 考核方法与能力培养

为了对学生做出客观、公正的评价，引导其明确学习方向，提高课程考试的科学性，探索有利于学生综合素质和能力培养的课程考核、评价体系，充分发挥考核、评价的导向功能，通过课程考核促进学生能力、素质的提升，促进教师教育教学改革，进而提高课程教学质量和人才培养质量。我们根据一流课程建设要求中高阶性、创新性和挑战度的特点，以及我校多年参加学科竞赛的经验，构建了“课、赛、考”融合的单片机技术课程的考核模式。

“课、赛、考”融合的课程考核模式具体含义包含以下两个部分。

⑴以竞赛代替考试形式，充分调动了学生参与考试的积极性和主动性，激发学生潜能，促使学生主动、自愿参与考试，达到以考促学的目标。

⑵考试贯穿于整个教学过程中，有效利用考核评价反馈机制，及时纠正教师的教学方法，学生的学习方法，使教、学、考、评形成闭环控制系统。

以单片机产品开发过程为基准，采取全过程的课程考核模式，每个项目完成后都需要进行课程考核，课程总成绩由各个项目成绩共同构成。考核内容包括电路设计、程序编写、硬件电路焊接及调试三个部分。

2 教学实施过程

下面以表1 中的项目六“扩展应用”为例，详细说明单片机技术教学实施过程。

教学中给出如下的系统整体框图。如图1所示。

图1 系统整体框图

首先对项目进行分析。需要单片机作为主控芯片，与振荡电路、复位电路共同构成单片机最小系统；时钟模块由实时时钟芯片DS1302 和外接32768Hz 的晶振组成；温度采集模块由温度传感器DS18B20组成；液晶显示模块由LCD1602组成。

电路设计需要利用计算机、电路仿真软件Proteus绘制电路图，如图2所示。

图2 电路仿真图

在程序编写软件Keil中建立项目，编写主函数、子函数和头文件等，程序编写完成后进行编译、链接，将生成的Hex 文件加载到仿真图中的单片机中进行仿真。仿真结果如图2所示。

利用开发板中的实际电路对虚拟仿真设计的程序进行调试，使学生建立程序调试的方法，为后续教学奠定基础。程序下载至开发板后，运行结果图如图3所示。

图3 程序在开发板中运行结果图

硬件电路的焊接步骤：①对所有元件进行检测，确保每个元件的质量；②在万用板上进行电路规划，振荡电路、复位电路、电源电路、外围电路等；③电路焊接时由里到外，由低到高的顺序。

硬件电路调试步骤：①用万用表检测电源是否接通；②用示波器检测振荡电路是否正常；③用万用表检测复位电路是否正常；④检测电路板上焊点、接线是否正确。

表2 项目考核表

3 结束语

通过项目式教学以及软、硬实践教学平台的建立，使单片机技术课程理论和实践教学结合更加紧密，改革了传统课堂教学模式，实践贯穿课程的整个教学过程，提高了学习积极性和参加各类学科竞赛的热情，教学效果得到了明显的提升。通过“课、赛、考”融合的课程考核模式，改变传统的考试方式，采取全过程的课程考核，有效利用评价的反馈机制，对教学或学习及时做出改进，变单纯的学业成绩评价为学生全面素质、能力的综合考评，使教、学、考、评形成闭环控制系统，实现以考促学、以考促教，提高课程教学质量，进而提升人才培养质量。