鄧加川 劉淑波

摘? 要? 通過分析單片機原理與應(yīng)用課程的特點和傳統(tǒng)教學方法的不足，利用案例教學法對課程進行教學改革。提出基于案例貫穿課堂教學設(shè)計的基本內(nèi)容，并以中斷系統(tǒng)為例，設(shè)計基于案例貫穿的課堂教學設(shè)計，取得了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞? 單片機原理與應(yīng)用；案例教學法；課堂教學設(shè)計；教學改革

中圖分類號：E251.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）11-0078-04

0? 引言

單片機是在一塊半導體芯片上集成的一個微型計算機，因體積小、價格低、穩(wěn)定性強、可靠性高、面向?qū)崟r控制等優(yōu)點，以單片機為核心的控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在武器裝備、智能儀器儀表、工業(yè)控制以及家電等領(lǐng)域中[1]。單片機原理與應(yīng)用課程成為工科院校自動化、電子信息等相關(guān)專業(yè)的必修專業(yè)課。

在海軍大連艦艇學院開設(shè)的單片機原理與應(yīng)用課程中，主要學習典型單片機的基本工作原理以及單片機應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計方法。以目前國內(nèi)使用最多MCS-51系列的單片機為載體，系統(tǒng)地學習單片機的基礎(chǔ)知識、硬件結(jié)構(gòu)、編程語言、中斷控制、串行通信、定時計數(shù)以及接口擴展等知識。課程的特點是理論和實踐緊密聯(lián)系，更側(cè)重于知識的實踐和應(yīng)用。因此，在教學實踐過程中，既要注重傳授學生專業(yè)基礎(chǔ)知識，又要重視對學生實踐技能的培養(yǎng)，讓學生在理解專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)實踐技能。

案例教學法由美國哈佛商學院提出并成功運用和實施，傳入我國已經(jīng)有30多年的歷史。是一種以學生為主體，教師為主導，調(diào)動學生學習興趣，激勵學生自主、合作、探究性學習的學習方法[2]。將案例教學法用于課堂教學過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)教學相長，調(diào)動學生主動學習的積極性；同時，該方法具有生動具體、直觀易學的優(yōu)點，有助于學生理解知識點[3]。

因此，有不少高校教師，在課程教學中都引入了案例教學法，并取得了不錯的教學效果。比如：趙文山[4]從課程內(nèi)容和案例教學的特點出發(fā)，以“電路分析”課程為例，探討了案例教學中課前教案編寫、課上教學組織和課后拓展討論的實施方法。經(jīng)實踐表明，案例教學能夠加深學生對知識點的理解。萬佑紅等人[5]以“智能控制”課程為載體，從傳統(tǒng)教學存在的問題出發(fā)，提出了案例教學的設(shè)計與實施方式。有效加強了學生對理論知識的理解，提高了學生的創(chuàng)新思維。

以上這些教學改革均取得了不錯的效果，對“單片機原理與應(yīng)用”課程中引入案例教學方法起到了一定的示范作用。

1? 單片機原理與應(yīng)用課程教學現(xiàn)狀

長期以來，老師們都反映單片機原理與應(yīng)用課程知識點雜，不好教，學生更是普遍反映，課程太難，上課根本不知所云，一直提不起學習的興趣。這就導致課程的教學效果一直不理想。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，主要問題如下。

1.1? 課堂教學缺乏設(shè)計

由于人才培養(yǎng)方案的調(diào)整，導致單片機原理與應(yīng)用課程學時少、內(nèi)容多。上課過程中，教師關(guān)注的重點是如何把知識點講完講清楚，很少針對課程的教學內(nèi)容進行課堂教學設(shè)計。往往在課上只是知識點的羅列，孤立地講解課程內(nèi)容的每一個知識點，沒有講清楚知識點之間的關(guān)系，邏輯性不強，導致學生產(chǎn)生厭學心理。

1.2? 理論教學與實踐教學環(huán)節(jié)脫節(jié)

在傳統(tǒng)的教學過程中，理論教學環(huán)節(jié)和實踐教學環(huán)節(jié)是分開的。理論教學環(huán)節(jié)，大多是以教師為中心，上課手段比較單一，以傳授講解理論知識為主，學生聽課為輔。這就導致了學生只能被動地接受理論知識，由于單片機理論知識枯燥難懂，這不僅不利于激發(fā)學生的學習興趣，也很難調(diào)動學生學習的主觀能動性。實踐教學環(huán)節(jié)中，所需要完成的實驗任務(wù)和理論課沒什么關(guān)聯(lián)，學生也不知道完成實驗任務(wù)有什么作用。只是機械地按照實驗步驟，利用單片機實驗箱完成仿真實驗。

1.3? 重工作原理而忽略工程應(yīng)用

在理論和實踐的教學過程中，都采用了大量的時間來介紹單片機的工作原理，引導學生入門單片機課程。原理性的內(nèi)容往往是枯燥乏味的，不利于激發(fā)學生的學習興趣。另外，在授課過程中，過分強調(diào)單片機的工作原理，而忽略單片機知識的工程應(yīng)用，不利于培養(yǎng)學生單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。以上導致了單片機原理與應(yīng)用課程的學習效果不理想。

可以看出，傳統(tǒng)教學模式不能調(diào)動學生學習的積極性和主動性，學生被動地接收知識，課堂教學效果自然不理想。為改變現(xiàn)狀，根據(jù)課程的教學內(nèi)容，精心挑選和設(shè)計教學案例，采用案例教學法對課程進行教學改革。

通過分析單片機原理與應(yīng)用課程在傳統(tǒng)教學中存在的問題，以及案例教學法在課程改革中取得的成功經(jīng)驗，在這些已有的研究基礎(chǔ)之上，將案例教學法引入單片機原理與應(yīng)用課程教學中，提出基于案例貫穿的課堂教學設(shè)計的基本內(nèi)容，實踐基于案例貫穿的課堂教學。

2? 案例貫穿課堂教學設(shè)計的基本內(nèi)容

將案例貫穿的教學方法引入單片機原理與應(yīng)用課程教學中，根據(jù)教學計劃的要求以及單片機原理與應(yīng)用課程的特點，分析教學內(nèi)容和教學對象，來確定教學案例的背景及內(nèi)容。用教學案例貫穿理論教學、實踐教學的整個過程：理論教學過程中完成引題和過渡；實踐教學中完成對理論知識的鞏固和提升。從分析教學內(nèi)容、教學對象和設(shè)計教學案例、教學流程的基本內(nèi)容，來完成基于案例貫穿的課堂教學設(shè)計。

2.1? 教學內(nèi)容分析

根據(jù)人才培養(yǎng)方案中對課程的要求編寫課程教學計劃，在教學計劃中明確每部分知識的教學目標。針對教學內(nèi)容，要分析各部分之間的邏輯關(guān)系，明確重難點內(nèi)容。教師要清楚學生對每一部分知識的掌握程度，為課堂教學案例內(nèi)容難度的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2.2? 教學對象分析

通過分析學生的專業(yè)性質(zhì)和學習習慣，來設(shè)計教學案例的使用背景；通過分析學生的現(xiàn)有知識基礎(chǔ)，對新知識的渴望程度以及學習新知識可能存在的問題，來設(shè)計教學案例的背景和內(nèi)容。通過對授課對象的學情分析，可以做到因材施教，量身定做課堂教學案例。

2.3? 教學案例設(shè)計

教學案例的精心設(shè)計是案例貫穿課堂教學能取得成功的前提。單片機原理與應(yīng)用課程是專業(yè)背景課的范疇，蘊含工程應(yīng)用，所選案例不能憑空捏造。根據(jù)教學對象為軍校學生，案例背景要具有軍味。設(shè)計教學案例內(nèi)容時，首先要以教學內(nèi)容分析為基礎(chǔ)，要有助于學生理解難點知識、掌握重點知識；其次，要具有趣味性和啟發(fā)性，吸引學生注意力，啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生能夠從工程設(shè)計的角度去理解武器裝備的工作原理；最后，要結(jié)合課程的特點，能夠?qū)⒗碚摻虒W和實踐教學聯(lián)系起來。

2.4? 教學流程設(shè)計

基于案例貫穿教學成功的關(guān)鍵在于教學流程的設(shè)計。用教學案例來完成各部分內(nèi)容之間的引題和過渡，讓整個授課思路更加清晰、合理。在教學過程中，首先用圖片、視頻等方式展現(xiàn)教學案例的使用場景，引出教學案例，抓住學生的好奇心。以教學案例實現(xiàn)的整個過程為授課思路，完成各知識點之間的引題和過渡，最后根據(jù)所學的理論知識，讓學生完成教學案例的實現(xiàn)。

根據(jù)學生對知識的掌握程度，在教學案例的基礎(chǔ)之上進行擴展，完善和設(shè)計實作課教學案例。

3? 案例貫穿課堂教學設(shè)計實例

以教學內(nèi)容中重要功能部件的“中斷控制系統(tǒng)”一節(jié)為例，根據(jù)案例貫穿課堂教學設(shè)計的基本內(nèi)容，完成一次課的課堂教學設(shè)計實例。

3.1? 課堂內(nèi)容分析

中斷控制系統(tǒng)一共四學時，其中理論課兩學時，實作課兩學時；實作課安排在理論課之后。學習三個方面的內(nèi)容：中斷的概念；中斷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和中斷程序的設(shè)計。其中中斷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及中斷服務(wù)程序的設(shè)計，是實現(xiàn)中斷的軟硬件基礎(chǔ)，是教學重點內(nèi)容；中斷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜，需要設(shè)置的特殊功能控制寄存器比較多，是教學的難點內(nèi)容。

針對“中斷的概念”，要求學生能夠闡述51單

片機響應(yīng)中斷的整個過程；針對“中斷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”，要求學生能夠說明中斷控制系統(tǒng)的基本組成，理解和能夠設(shè)置與中斷控制相關(guān)的特殊功能寄存器。針對“中斷程序設(shè)計”，要求學生能用C51語言來定義中斷函數(shù)，編寫中斷服務(wù)程序。

3.2? 教學對象分析

課程的教學對象是大學三年級的軍校學生。設(shè)計教學案例時優(yōu)先選擇具有軍味背景的、和武器設(shè)備相關(guān)的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。學生通過前期課程的學習，已經(jīng)掌握電路分析基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路等硬件電路相關(guān)的課程，具備硬件電路設(shè)計基礎(chǔ)；也掌握C語言程序設(shè)計等軟件編程相關(guān)的課程，具備軟件設(shè)計編程能力。為單片機課程的學習打下軟硬件設(shè)計基礎(chǔ)。

學習“中斷控制系統(tǒng)”之前，學生已經(jīng)對單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有基本的認識，以及會用單片機的I/O口和外圍設(shè)備進行信息交互，能夠用單片機去點亮LED燈。學生現(xiàn)在對單片機和以前數(shù)字電路課程中所學的芯片有什么區(qū)別，以及對單片機內(nèi)部功能模塊功能的實現(xiàn)充滿好奇和疑惑。

3.3? 教學案例設(shè)計

以單片機在某型武器上的應(yīng)用作為教學案例。某型武器具有兩種工作模式：執(zhí)勤模式和攻擊模式。為節(jié)省能耗，該型武器長期工作在執(zhí)勤模式下，攻擊模式處于掉電狀態(tài)，為保證攻擊模式下，武器系統(tǒng)電路的有效性，需要外部電路發(fā)出喚醒信號，喚醒攻擊模式下系統(tǒng)電路的自檢，自檢完成后，若沒有攻擊命令，繼續(xù)工作在執(zhí)勤模式下。

教學案例的內(nèi)容：設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)，來模擬實現(xiàn)該型武器在喚醒信號作用，兩種工作模式的轉(zhuǎn)換。用黃色的發(fā)光二極管來模擬該型武器工作在執(zhí)勤模式下，用紅色發(fā)光二極管模擬攻擊模式系統(tǒng)自檢的過程。外部電路的喚醒信號是隨機產(chǎn)生，接在單片機的P3.2引腳，低電平有效。在設(shè)計系統(tǒng)時，可以用按鍵按下來模擬喚醒信號的作用。

根據(jù)學生現(xiàn)有的知識，也能夠完成系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過用不斷查詢P3.2端口的電平信號來實現(xiàn)兩種工作模式的轉(zhuǎn)換。這種實現(xiàn)方式的缺點是執(zhí)行效率比較低，并且喚醒信號輸入以后得不到及時的處理。通過查詢法的缺點引出課程的教學內(nèi)容。

在理論課上用教學案例來完成課堂教學的引題、過渡，通過學習中斷知識的過程，引導學生完成教學案例的設(shè)計和分析過程，以及通過給學生演示完成后的效果吸引注意力，學生會迫不及待地想去實現(xiàn)。課后讓學生動手完成教學案例的實現(xiàn)過程，就順理成章了，還能達到學生對課上知識的鞏固。

對案例內(nèi)容進行擴展，作為學生實作的內(nèi)容。擴展內(nèi)容為：在喚醒狀態(tài)下，武器正處于自檢工作時，收到攻擊命令后，該型武器會起爆。攻擊命令信號是脈沖信號，接在單片機的P3.3引腳上，用蜂鳴器響來模擬該型武器起爆。實現(xiàn)過程用到中斷的知識有：外部中斷0和1的程序設(shè)計、和中斷相關(guān)特殊功能寄存器的設(shè)計以及中斷優(yōu)先級等知識?？梢匀采w中斷相關(guān)的知識，能檢驗學生對理論知識的掌握情況。

3.4? 教學流程設(shè)計

在學習新課內(nèi)容之前，先用圖片和視頻給學生展示教學案例的使用背景，引出教學案例的內(nèi)容。用電路開發(fā)板給學生教學案例的實驗現(xiàn)象，引起學生的興趣。通過提問“如何實現(xiàn)？”和“查詢方式實現(xiàn)的缺點”，引入新課內(nèi)容“單片機的中斷系統(tǒng)”。

經(jīng)過課前的鋪墊，學生很迫切地想知道，到底什么是“單片機的中斷”，來引出“中斷的概念”。根據(jù)教學案例的實現(xiàn)過程，畫出過程示意圖，如圖1所示，根據(jù)演示案例的中斷響應(yīng)流程圖，講解中斷相關(guān)的基本概念，有助于學生理解和掌握知識。

由“在單片機中，能夠?qū)崿F(xiàn)中斷處理的功能部件被稱為中斷系統(tǒng)”過渡第二部分內(nèi)容，“中斷控制系統(tǒng)”。教學案例中的喚醒信號會觸發(fā)外部中斷0中斷，以外部中斷0的響應(yīng)過程為例，來學習單片機中斷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及和中斷相關(guān)的特殊功能寄存器。

以“外部中斷0的中斷響應(yīng)過程”為例，梳理從中斷源發(fā)出中斷請求到單片機CPU響應(yīng)中斷的整個過程，來強調(diào)重點教學內(nèi)容以及為中斷程序的設(shè)計打下基礎(chǔ)。由教學案例中斷的實現(xiàn)，需要單片機的硬件和軟件編程相結(jié)合來實現(xiàn)，引出“中斷程序的設(shè)計”

最后，具體分析課前教學案例的實現(xiàn)過程，對單片機中斷相關(guān)的理論知識進行學以致用。課后讓學生完成教學案例的實現(xiàn)過程，來鞏固課堂知識。

在實作課上，讓學生根據(jù)教學案例的擴展內(nèi)容，完成系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的整個過程，可以加深學生對單片機中斷知識的理解，做到學以致用。

4? 結(jié)束語

教學案例貫穿整個教學過程，完成教學內(nèi)容的引出和每部分教學內(nèi)容之間的過渡，課堂教學設(shè)計清晰合理。從工程應(yīng)用的角度來學習單片機中斷的理論知識，增加學生對知識的實踐與理解。

經(jīng)過一輪教學發(fā)現(xiàn)，在單片機原理與應(yīng)用課程中使用基于案例貫穿的課堂教學設(shè)計，不僅能夠提升學生在教學過程中的參與度，還能激發(fā)學生學習單片機課程的興趣。學生將所學的理論知識運用到實踐中，對理論知識掌握得更加牢固。使用案例貫穿的教學方法后，課后作業(yè)的完成率和正確率明顯高于以前的班級，并且在完成中斷相關(guān)的實驗時，所需的時間少很多。這充分說明學生基本上掌握了中斷的相關(guān)知識，案例貫穿的教學方法是可行的。

5? 參考文獻

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