信息技术背景下单片机课程教学改革研究

摘 要：单片机原理与接口技术是自动化、机械电子、智能制造等相关专业重要的专业核心课程，该课程理论知识晦涩，实践技能要求高。文中针对课程教学及学习的主要特点，结合时代发展，引入现代信息技术手段及工程开发工具，通过理实一体的教学方法，结合工程实践开发过程，边讲边做，使学生能够深入理解理論知识，熟练掌握实践技能及工程开发方法。一方面使学习更为方便，实验更加便利，学习效果提高更加显著；另一方面，该授课技术及授课方法可实现使线上教学达到同线下教学一样的授课效果。

关键词：单片机原理与接口技术；专业核心课程；现代信息技术；学习效果

中图分类号：TP23  文献标识码：A

单片机课程是机械电子、智能制造、自动化等专业的核心课程，该课程着重于微型计算机在工业控制领域应用技能的培养［1］。课程理论知识量大，涉及知识面广，知识晦涩难懂，且要配合包括课内实验和实习实训等实践技能训练，才能使课程技能学习更加透彻、完整、全面［2］。当前，该课程的学习主要采用的授课方式是：在课堂传授理论知识，在实验室配合开发板进行工程技术实践训练。课程学习按部就班，理论知识比较扎实［34］。实践过程是直接面对实物，对电子元件的认知和使用更加直观。这种授课方式有其优点，但也有不足，不足之处有两个方面：首先，理论和实验分离，实验不能随时进行，不便于辅助晦涩理论知识的理解［5］。其次，实验不能随地进行，实验条件苛刻，主要在实验室完成，学生在课后学习的过程中，无法根据需要随时进行实验。另外，授课条件受限制，当需要网络授课时，无法达到与实验室一样的授课效果。

随着时代发展，课堂也不能仅仅局限于学校和教室。网络课程更是凸显了其重要作用，网络课程的发展对实践操作要求较高的工学专业课程提出了更高的挑战，要求既能无差别实现理论教学，更要保证具有高品质要求的实践教学。对类似于单片机技术这类实践性要求较高的课程如何通过网络实现无差别实验教学更是需要专业教师研究和探索的。

文中根据单片机原理与接口技术课程（文中简称为单片机课程）授课和学习过程中的问题进行研究和实践，利用信息技术手段，配合单片机工程开发工具进行授课和实践，使授课过程与工程实践开发过程紧密衔接，可以随时随地进行实践，便于知识的理解，且课后实验不受实验室条件限制，便于学生的课后学习。同时，这种授课方法既适用于线下教学，更适合于线上授课。

1 单片机课程理实一体授课方法

随着课程改革进度的推进，课堂教学从以教师为中心向以学生为中心转变，理实一体［69］是在课程改革过程中针对应用技能型人才培养目标，以培养学生实践技能为主要任务的授课方法，课程采用边讲解、边实验操作的授课方式，强化学生对知识应用技能的培养。

由理实一体授课方式可以看出，授课过程注重工程实践及学生的参与度，学生随时对教师所讲授的内容进行实验验证，以增加对知识的理解。这种授课方式与传统的以教师为中心的满堂灌式教学方式相比较，其优点在于，引导学生通过实践手段学习知识，并探求知识。在实践中教，在实践中学。这种授课方式适合较为晦涩、难于理解的课程，比如控制工程类课程；适合实践性较强的课程，比如单片机、电子技术等；适合安全性要求较高的课程，比如数控机床等课程［10］，实践在课程进行中进行，培养学生工程设计开发工具的应用和操作能力、实验设计能力、分析能力和快速发现问题、处理问题能力。

理实一体授课方式远远优于传统以教师为中心的满堂灌式教学方式，既注重工程实践操作，又重视学生参与度，其针对工科类专业的授课优势很显著。但也有其明显不足：首先，实验地点受限，授课地点仍然局限于传统教室；其次，实验条件受限，实验要求局限于实验室或特定的实验设备，不具有随意性，地点不随意，实践不随意；最后，不能随意更改已有的实验设备或控制电路。要想解决这些问题，就要从问题的根本出发，研究采用何种实验工具可突破传统实验室和实验设备的限制。文中针对行业企业单片机控制系统开发过程，考虑最大限度地将单片机开发工具引入课堂教学，利用现代信息技术，使课程授课和学习不受传统实验室和实验设备限制，使学生可根据需要随意进行实验学习。

2 单片机控制技术开发工具

目前，对基于单片机控制系统的开发，主要采用电路绘制工具进行电路图的绘制，并生成电路版图。电路图的绘制工具比较多，比如Protel系列软件、Dxp电路绘制软件、Multisim或者Protues等电路绘制软件，这些电路绘制工具不仅具有电路图绘制功能，还能够通过电路图生成电路板图，同时还具有电路仿真功能。控制系统开发者可利用其设计控制系统，并进行软硬件仿真，根据仿真结果，可以灵活修改硬件电路和软件程序，达到和硬件仿真无差别的控制系统调试和分析，验证所设计系统的合理性，为后继实物开发提供可靠保障。控制系统的软件开发通常采用的是Keilc51开发工具，可以编写C51语言或者汇编语言，具有编译、调试等功能。

3 信息技术背景下单片机课程授课改革思路

单片机课程主要是培养学生工程设计开发能力、系统调试、问题分析和处理能力。在教授学生理论知识的同时，将工程开发工具及开发过程引入课堂教学，理论知识和实践技能结合工程实际的教学手段，将会使教学更为有效。

3.1 课程改革思路

文中以单片机接口技术、数码显示授课内容为例，介绍单片机课程的授课思路和过程。能够灵活应用数码管进行单片机控制系统的显示设计，首先要对数码管的原理及点亮方式进行深入了解，才能够灵活应用并设计接口电路。所以在课程设计上，在了解数码管构成原理的基础上，对数码管的点亮控制方式进行研究和验证，这就需要结合实验手段进行讲解和学习更为透彻。文中利用Multisim系统对数码管进行控制研究，学生根据教师要求，分别选择共阳极和共阴极数码管各一个，根据数码管显示原理自行设计数码管控制电路，如图1数码显示电路a所示，学生可以直观清楚数码管电路的设计原理及点亮原理。通过改变数码管输入电平，改变显示内容，如图1数码显示电路b所示。通过这一过程，学生能够自行设计数码显示电路，并能灵活控制数码显示内容。

对于数码管的认识，是通过设计电路、改变数码管端口电平实现的。这个时候可以向学生提出问题：如果数码显示，通过单片机来进行控制，需要如何设计控制电路呢？这个时候需要学生发挥设计能力，自行解决问题，教师通过引导，实现简单的数码显示接口电路设计，并实现程序控制。图2所示是最简单的单片机与数码管连接的接口控制电路。由此，可以将问题逐步推进，图2b是单片机数码显示接口电路的综合应用。

理论授课过程中，通过引导的方式，学生独立动手实验，加深对知识的理解，并使实验设计能力得到强化。这是理实一体授课方法的高度升华，既加强了学生的课堂参与度，提高了学生对知识的理解能力和动手能力，又能提高学生的学习兴趣和学习主动性。

3.2 实验环境和条件灵活

从课程的授课思路和过程可以见得，授课过程中涉及的关于控制系统电路所需电器或电子元件的原理及应用，可利用Multisim或Proteus仿真系统软件进行模拟实验研究。因此，对实验条件的需求就变得非常简单，仅仅需要一台装有相应仿真工具软件的计算机即可，学生可以灵活调用所需元器件，灵活进行电路连接及电路设计。相比较于传统实验室，其优点尤为明显。文中对其特点进行了如下总结：

（1）实验环境灵活选择：由于实验仅需要装有相应的电路设计仿真系统，因此，实验既可在教室进行，也可在图书馆甚至宿舍等学生乐于学习的地方进行。

（2）控制系统电路根据需要随意修改设计：采用仿真系统连接电路或设计控制系统电路，电路根据需要随意修改，不受实际硬件电路限制，适合学生对控制系统进行独立深入的学习和研究。

（3）学生深度参与课堂教学：学生上课学习带着个人笔记本电脑，根据教师授课过程随时调取单片机设计简单电路，根据授课内容编写控制程序，进行软硬件的联合调试，可随时发现问题，进行深入探索，这种深入参与课堂教学和学习的过程可以很好地调动学生的学习兴趣及对知识的探索欲望。

4 线上、线下无差别授课

从课改思路和实验条件等方面可见，单片机课程授课和实验主要结合单片机开发过程所用的工具软件，包括Multisim、Protues等电路设计及仿真软件，对电路及控制系统进行设计、仿真运行、调试及故障分析和处理，将严格要求在实验室或课堂完成的实验内容转移至个人PC上进行。在授课过程中，可以更好地实现理实一体授课技术，提高学生动手操作及工程开发能力，也更加便于学生的课下设计、实验和学习活动。从教师授课的角度看，这种结合工程开發工具的授课过程既可以在教室采用线下面对面进行授课，同时也适合在线上进行网络授课，学生只需具备一台PC，跟着教师边听课边进行实验操作，学习效果完全不受线上或线下授课环境所影响。

结语

文中利用现代信息技术，结合控制系统开发工具，进行单片机授课方式和授课方法的改革，将课程的授课过程变成学生高度参与的学习过程，使学生的学习环境不受限制，实验条件不受限制，学习主动性提高，学习效率高，能够增强学生对知识的理解，提高专业知识的工程实践能力，使单片机原理与接口技术这门对工程实践要求很高的课程的线上授课成为可能。

参考文献：

［1］张向群，张柯，杜根远.现代产业学院工程实践课程改革与探索——以单片机原理及应用为例［J］.软件导刊，2022，21（07）：161164.

［2］吴叶兰，谢宇忻，罗杨，等.新工科背景下单片机课程设计教学改革探索与实践［J］.计算机教育，2022（06）：149152.

［3］黄玥，刘通，秦贵和，等.高校单片机系列实验课程创新改革［J］.科技视界，2022（15）：9092.

［4］邰清清.应用型工科院校单片机课程教学改革与实践［J］.电子元器件与信息技术，2022，6（05）：224227.

［5］秦蒙，任照富，何远纲.基于微项目的高职高专单片机课程改革研究［J］.科技资讯，2022，20（10）：162164.

［6］丁电宽，李立新，李艾华.基于专业认证背景下单片机课程教学改革探索［J］.教育教学论坛，2022（19）：101104.

［7］葛振，姜国兴，李春晖，等.基于教学工程案例的单片机课程教学改革［J］.电脑知识与技术，2022，18（11）：139141.

［8］吕尤，雷立群，孙丽娜，等.吉林市松花江流域水文化研究［J］.河北农机，2019（11）：122123.

［9］雷立群，王戬.数控机床与编程面向对象的理实一体教学方式改革［J］.吉林农业科技学院学报，2019，28（03）：9293.

［10］雷立群，王戬.机械电子工程与智能制造复合人才培养模式研究［J］.科技风，2019（20）：159167.

资助项目：吉林农业科技学院2021课程改革立项建设项目

作者简介：雷立群（1977— ），女，汉族，吉林长春人，副教授，研究方向：电路设计、计算机控制技术等。