侯甲童，孫克偉，王玉龍

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單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐

侯甲童1，孫克偉，王玉龍

（哈爾濱理工大學(xué) 榮成學(xué)院，山東 榮成 264300）

針對目前單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中，理論課基本上是采用板書結(jié)合多媒體教學(xué)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)備較多采用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺，而考核中卷面成績比重較大這一現(xiàn)狀，提出了將仿真軟件Proteus和Keil聯(lián)合調(diào)試引入理論課教學(xué)．通過在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中采用仿真和實(shí)驗(yàn)板雙重驗(yàn)證，提出相應(yīng)的課程考核方式．根據(jù)教學(xué)反饋，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的教學(xué)改革改善了教學(xué)效果．

單片機(jī)；仿真；課程教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

單片機(jī)原理課程通常在本科三年級開設(shè)，本門課程的前導(dǎo)課程為電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、PROTEL、微機(jī)原理與接口技術(shù)等．本課程對前導(dǎo)課程的掌握要求較高，并且在后續(xù)的課程如計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程中，有很多的應(yīng)用，起著關(guān)鍵的銜接作用．此外，各高校開設(shè)的名稱不盡相同，但基本上單片機(jī)原理課程的講授都以51單片機(jī)為主，此外也有部分高校在51系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上講述其他類型單片機(jī)，如AVR，PIC，TI的MSP430系列等[1-3]．

1 單片機(jī)原理課程特點(diǎn)與現(xiàn)狀分析

單片機(jī)原理課程理論性強(qiáng)，需要講述51單片機(jī)的內(nèi)部資源、硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、軟件編程及擴(kuò)展等，但同時(shí)注重實(shí)用性，需要學(xué)生在理解原理的基礎(chǔ)上，完成相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)．在現(xiàn)有的教學(xué)中，往往理論較多，而舉例與實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱．目前各個(gè)學(xué)校制定的教學(xué)大綱，均給予單片機(jī)課程一定的理論學(xué)時(shí)[4-5]．但只關(guān)注理論的講授，從學(xué)生的角度出發(fā)，就顯得比較晦澀，不容易理解和接受．所以如何在課堂教學(xué)上將理論和實(shí)際應(yīng)用舉例兼顧，以及如何在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)動(dòng)手能力就非常重要，它能拉近學(xué)生與單片機(jī)的距離．關(guān)鍵的一點(diǎn)是，采用什么樣的設(shè)備和手段給學(xué)生舉例，以及用何種實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

1.1 教材選取與授課現(xiàn)狀

以往的國內(nèi)教材，大多以敘述講解為主，較注重元器件及相應(yīng)電路內(nèi)部機(jī)理的研究，較少注重元器件及各典型電路外部機(jī)理的研究及典型應(yīng)用，并較少有綜合類實(shí)驗(yàn)，不利于提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力及理論聯(lián)系實(shí)際的能力[6]．

目前的課堂教學(xué)，較多采用板書或多媒體教學(xué)，或者二者的結(jié)合．這對于初學(xué)單片機(jī)的學(xué)生而言，顯得過于深?yuàn)W和枯燥[7-10]．沒有軟件仿真和實(shí)物舉例，給學(xué)生造成純理論這一印象，很多學(xué)生死記硬背單片機(jī)內(nèi)部資源，忽略了應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)最終的目的．

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)狀

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，實(shí)驗(yàn)箱居多，很多高校還是使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)．這種方式是使用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟完成實(shí)驗(yàn)．這樣做實(shí)驗(yàn)的方式效果很差，從學(xué)生的角度來看，很多學(xué)生根本不知道做了什么．只知道這樣做可以完成實(shí)驗(yàn)，而為什么可以，有沒有其他的解決方案卻不知道．甚至在做實(shí)驗(yàn)的過程中出現(xiàn)一些小的故障，也不知道如何下手．這樣做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對于課堂講授的理論不容易結(jié)合實(shí)驗(yàn)去理解，無法將理論與實(shí)踐真正地結(jié)合，往往事倍功半，不利于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，動(dòng)手及解決問題的能力，也不容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣和主觀能動(dòng)性[11-13]．

所以，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的能力，需要對單片機(jī)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)．

2 課程內(nèi)改進(jìn)措施

2.1 理論教學(xué)的改進(jìn)措施

2.1.1 教材的編寫和選擇貼近實(shí)際 目前采用的教材為李全利教授主編的《單片機(jī)原理及應(yīng)用（C51編程）》[14-15]，本教材為“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材．該教材對于單片機(jī)的內(nèi)部資源有較詳細(xì)的介紹，對于匯編和C51編程均有詳細(xì)說明．本教材的突出特點(diǎn)是，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐，配合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，所列舉的均是可以直接應(yīng)用的實(shí)例．對于其他開發(fā)板，修改相應(yīng)的接口即可．

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容模塊化 為了讓學(xué)生充分了解單片機(jī)相關(guān)概念，掌握使用單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的技能，將教學(xué)內(nèi)容模塊化（見圖1）．在各個(gè)模塊中，虛線的部分表示可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇性的授課．這一部分可以不介紹，也可以介紹其中一種方法或者介紹一部分內(nèi)容，而適應(yīng)不同學(xué)校的授課需求．

圖1 單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)模塊

2.1.3 教學(xué)方法及手段的更新 課堂教學(xué)上，采用板書與多媒體結(jié)合的方式．通過板書這一經(jīng)典的授課方式，可以幫助教師根據(jù)學(xué)生的接受能力調(diào)整上課進(jìn)度．多媒體教學(xué)可以將一些內(nèi)容做成動(dòng)畫的形式，可以活躍課堂氣氛，增加學(xué)生的興趣．另外，在課堂上引入仿真軟件Proteus和Keil聯(lián)合調(diào)試，使學(xué)生明確硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的概念．最后，通過實(shí)驗(yàn)開發(fā)板來演示和講解實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)板為自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備（見圖2），該實(shí)驗(yàn)板便于攜帶，極大地方便調(diào)試與學(xué)習(xí)．

圖2 實(shí)驗(yàn)開發(fā)板

若教學(xué)中引入Proteus和Keil，首先應(yīng)在課堂上介紹2種軟件和使用說明，使學(xué)生逐步接受軟件仿真這一概念．通過使用Proteus來繪制電路原理圖，加深硬件電路設(shè)計(jì)的概念．通過Keil來編寫程序，使學(xué)生建立起軟件調(diào)試的基本概念．二者的聯(lián)合仿真與調(diào)試，使學(xué)生進(jìn)一步建立起系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念．而將實(shí)驗(yàn)開發(fā)板引入到理論教學(xué)，可以進(jìn)一步地將系統(tǒng)開發(fā)的流程灌輸給學(xué)生，結(jié)合實(shí)例來講解，也更生動(dòng)．

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)室采取開放式的實(shí)驗(yàn)方式，使用實(shí)驗(yàn)開發(fā)板和Proteus共同來完成實(shí)驗(yàn)．每一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要使用Proteus繪制出原理圖，使用Keil編寫程序，并進(jìn)行聯(lián)合仿真與調(diào)試，最終在實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)．

使用Proteus繪制原理圖，既可以使學(xué)生明確電路設(shè)計(jì)的概念，還可以通過仿真驗(yàn)證電路，避免耗材的浪費(fèi)，掌握聯(lián)調(diào)的基本方法．此外，使用實(shí)驗(yàn)開發(fā)板來最終實(shí)現(xiàn)，相比于實(shí)驗(yàn)臺、實(shí)驗(yàn)箱的方式，實(shí)驗(yàn)板便于攜帶和方便調(diào)試，可以滿足學(xué)生在課下的時(shí)間來完善自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．

在實(shí)驗(yàn)題目和內(nèi)容上，首先包括存儲器、IO、鍵盤、顯示、中斷、定時(shí)、AD和DA等必選題目．學(xué)生在完成固定的必做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以在教師的指導(dǎo)下，進(jìn)行溫度測量，直流電機(jī)控制與調(diào)速，繼電器與步進(jìn)電機(jī)控制等選做實(shí)驗(yàn)題目，使學(xué)生能自主地完成發(fā)揮性實(shí)驗(yàn)任務(wù)[16-18]．

2.3 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改善

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識，設(shè)有“學(xué)年設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)．在這個(gè)環(huán)節(jié)，可以提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，讓學(xué)生來實(shí)現(xiàn)．

設(shè)計(jì)題目可以采用：簡易密碼鎖設(shè)計(jì)，溫度測量裝置設(shè)計(jì)，濕度測量裝置設(shè)計(jì)，便攜式數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)及熱釋電報(bào)警裝置設(shè)計(jì)等題目．在這個(gè)環(huán)節(jié)，不僅給出題目，還給出任務(wù)書和進(jìn)程表，樣式見圖3．

圖3 任務(wù)書及進(jìn)程表

要求使用Proteus繪制原理圖，并和Keil實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，最終在硬件上實(shí)現(xiàn)功能，完成驗(yàn)收，寫成報(bào)告，通過答辯．單片機(jī)原理及應(yīng)用的教學(xué)方法、內(nèi)容及手段圖例見圖４．

圖４ 教學(xué)方法、內(nèi)容及手段圖例

2.4 課程教學(xué)與專業(yè)特點(diǎn)的結(jié)合

在專業(yè)教學(xué)上，可以和單片機(jī)原理課程教學(xué)結(jié)合．在自動(dòng)化專業(yè)中，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的概念．控制系統(tǒng)包含了輸入輸出設(shè)備，控制器，驅(qū)動(dòng)裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋裝置等部分．而單片機(jī)屬于控制器的一種．本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制的方式，對轉(zhuǎn)速和角度等量進(jìn)行調(diào)節(jié)．硬件系統(tǒng)連接見圖５．

圖５ 步進(jìn)電機(jī)控制裝置

在這個(gè)小型裝置中使用按鍵設(shè)定預(yù)期的轉(zhuǎn)速或者角度，使用液晶顯示屏顯示預(yù)期和實(shí)際量，并采用某種控制規(guī)律（如PID等）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到一致．通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，很好地將單片機(jī)應(yīng)用在自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)上，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)課程的興趣．

3 課程考核方式的改革

以往的課程考核，均采用筆試的方式進(jìn)行，學(xué)生往往靠死記硬背來應(yīng)付考試，達(dá)不到提高應(yīng)用能力的目的．而單片機(jī)課程教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段方面實(shí)施改革，決定考核方式也需要作出相應(yīng)改革．

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的考核，在100分的成績中，平時(shí)成績占10分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占30分，發(fā)揮性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占10分，期末卷面成績占50分．實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對于Proteus和Keil的聯(lián)合仿真調(diào)試占30分，實(shí)驗(yàn)板實(shí)現(xiàn)占50分，報(bào)告及答辯占20分．

通過考核方式的改革，不僅注重學(xué)生理論知識的學(xué)習(xí)，更注重單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用能力，最終達(dá)到使學(xué)生具備初步系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力．

4 結(jié)論

單片機(jī)原理及應(yīng)用是電類專業(yè)必修課，在專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中處于專業(yè)基礎(chǔ)課的地位，掌握好本門課程，具有重要意義．本文在分析單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)措施，并進(jìn)行了實(shí)踐．

2014—2016年2個(gè)學(xué)年的2個(gè)學(xué)期，在自動(dòng)化專業(yè)進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐．通過學(xué)生的反饋意見表明，課堂反應(yīng)熱烈，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生收獲大，實(shí)踐環(huán)節(jié)充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造力．同時(shí)，在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生們收集資料，查詢相關(guān)專業(yè)書籍，為后續(xù)的各門課程的學(xué)習(xí)打下了較好的基礎(chǔ)．

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The teaching reform and practice on teaching of MCU

HOU Jia-tong，SUN Ke-wei，WANG Yu-long

（Rongcheng College，Harbin University of Science and Technolog，Rongcheng 264300，China）

The way of writing on the blackboard with multi-media are used in theory course of the teaching of fundamentals and application of MCU，the experimental box or experimental platform are often used in the experiment teaching，and the examination paper have a larger proportion in the evaluation．In view of this problem，the simulation software Proteus and Keil joint debugging to introduce the theory of class teaching is put forward．The double verification of simulation and experimental board in the experiment and practice，then the corresponding course examination is put forward．The effection of the teaching is improved according to the feedback of teaching．

MCU；simulation；curriculum teaching；practice teaching

1007-9831（2016）09-0064-04

TP368.2∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.09.019

2016-05-27

哈爾濱理工大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（320140021）

侯甲童（1984-），男，山東成武人，講師，碩士，從事檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置研究．E-mail：houjiatong0601@163.com