单片机课程教学改革与实践

单片机以其体积小、价格低、功能齐全、抗干扰性高、可靠性好、易于开发扩展等特点，被广泛应用于工业自动化及智能仪器仪表、通信设备、家用电器等各种设备仪器中。“单片机原理及应用”也成了工科院校电子信息科学与技术、通信工程、电气工程及其自动化等电气信息类专业的专业基础课。了解单片机的工作原理、具备基本的单片机操作技能，成为当代电气信息类专业学生的重要任务。
一、课程的特点及现状
“单片机原理及应用”是一门理论和实践结合非常紧密的课程。传统教学方式多以课程原理的讲解与少量硬件实验相结合，整个教学过程始终围绕基本原理，实际应用知识只作为点缀，实践应用讲解偏少，不能充分激发学生的学习兴趣，学生处于被动接受知识的状态。再就对实验环境的选择，长期以来部分教师推崇开发板（或试验箱）教学，认为*可以满足基本的实验教学要求，对单片机基础知识如IO口、中断、定时器/计数器的验证能轻松应对。部分教师则认为使用开发板耗材较大，需要不断地购买新的硬件，认为用Proteus来搭建虚拟实验室，这样有助于学生能自主设计自己期望的效果，不会出现硬件短缺的可能性。对实验编程语言的选择也是很多教师争议的问题，现今大多数的单片机教材的编程语言仍是以汇编语言为主，使用汇编语言编程的优点在于其所编写程序的代码紧凑、执行时间短、便于控制。然而其缺点也是明显的，由于其缺乏通用性，需要程序编写人员对单片机硬件系统有相当深入的理解，且程序不易移植。部分教师则认为C语言运算速度快、有良好的可移植性、编译效率高，可以直接实现对单片机硬件系统的控制。此外，该门课程的考核方式也不够客观。传统的考核方式以期末闭卷考试为主，总评成绩由卷面成绩和平时成绩按照一定比例计算得出。其中平时成绩的评定标尺比较模糊。尽管大多数教师明确标出平时成绩由上课表现、作业情况、实验情况等部分组成，但由于课时较紧，多数教师忙于授课，对具体每位学生的上课表现无从客观评价。作业情况亦是如此，由于对同一具体问题解答大多数同学的答题思路基本相似，作业情况也很难辨别有无抄袭情况。
二、改革思路
为了响应教育部提出的工程师培养计划，结合应用型本科院校单片机课程教学的特点，从2011届部分电气信息类专业学生开始，本校进行了如下改革。
1.精简和优化教学内容。单片机的教学目标是要求学生掌握单片机的基本组成及各个部分的工作原理，在此基础上继续学习单片机的中断系统、定时器及单片机系统的扩展和通信方法，进而能够完成简单的单片机应用系统的设计。在授课过程中，既要照顾到理论的周全，又要结合应用型人才的培养需求，尽可能多地融入一些实际应用。为此，必须打破原有教
学框架，精简和优化教学内容，将单片机课程的核心技术提炼为若干知识点，并通过一个个具体案例体现出来，引导学生边做边学，逐步掌握单片机技术。例如在介绍I/O口应用时，同时把系统配置章节的数码管显示部分讲解进来，以实现I/O口控制数码管的显示。
2.选择C语言编程。在编程语言的选择上，由于电气信息类专业学生普遍都有C语言基础，为此本校选择了C语言作为编程语言，指导学生掌握C语言在单片机开发中的程序设计方法。对单片机C语言及程序设计章节，不再孤立地讲解具体某条指令的含义，而是采用活学活用的方法，分析某一具体应用中需要用到的新的指令，再具体讲解其作用及书写规范。如当学
生已经掌握了LED灯的亮灭控制程序后，及时的把延时函数讲解进来，即可实现LED灯的闪烁程序。这样，学生对所学知识点的理解和记忆也会更加深刻。
3.建立典型案例库。在整个教学过程中，程序的讲解一定要遵循由易到难、循序渐进的原则。教学初期，先讲解一些如IO口验证、数码管、键盘识别类的验证性程序，再由前面知识的一步步积累设计出一些综合性较强的实际应用。因此，在整个教学过程中，典型案例库的建立是*的。依据本校电气信息类专业对“单片机原理及应用”课程教学内容的要求，结合笔者自身实际教学经验，把单片机案例库教学内容大致分解为三大模块，详见表1，并依据案例库，设计出相应的实验手册。表1所列试验并非要求每位学生都要*掌握。在教学过程中，对学生的学习情况分层次是*的，针对不同层次的学生设置不同的培养目标。
4. 采用开发板和仿真软件相结合的实验教学方式。在对学生分层培养目标下，实验教学可采用开发板和仿真软件相结合的教学方式。对基础培养型学生，仅要求其掌握到案例9的内容，其实验环境采用开发板进行教学。对于兴趣较浓的学生，期待设计出更多综合性较高、具有一定实用价值的单片机系统，则需要一个长期培养的过程。要达到这样的培养目标，应在完成单片机课程学习的基础上，利用开放实验、大学生科研项目、毕业设计或者电子竞赛等方式进行强化训练，让学生在长期的训练中，能够在熟悉的知识环境中逐步设计并增强其实际应用的能力。在此期间，为了避免出现硬件短缺的情况，对这部分学生，还应引入Proteus单片机系统虚拟仿真软件的教学，用虚拟单片机系统来替代实际硬件电路，把程序运行于虚拟的MCU上，使软件调试不再依赖于实际的硬件电路，当仿真结果达到系统预期目的后，再进行实际硬件电路的制作。仿真软件的使用让学生能够更加灵活、深入地学习单片机知识。
5.加强实验考核在平时成绩中的比重。传统的考核方式以期末闭卷考试为主，总评成绩一般由卷面成绩和平时成绩按照一定比例计算得出。其中平时成绩中的上课表现、作业情况受到一些客观条件的限制，教师很难做出客观评价。教师可以抓住实验教学的机会，把案例库中的内容分解到每次实验中，在每次实验中，布置3—5个小实验，并对每位学生的实验情况及时做出评价。通过加强对学生平时实验的考核，能得出更为准确的平时成绩，从而对学生做出更为客观的评价。
采取上述措施后，经过三年多的教学实践，学生普遍反映《单片机原理及应用》不再是一门枯燥难懂的课程，学习有了更大的兴趣，能够更好地掌握并应用其所学的知识。同时，通过众多的实践性教学环节，学生也容易将课堂知识进行转换。很多学生主动利用所学的单片机知识申报了相关的大学生科研项目和参加了各类电子竞赛，并取得了不错的成绩。此外，在毕业设计选题方面，选择单片机设计方面的学生也越来越多。