研讨教学改革单片机原理与运用课程教学革新实践设计

摘 要：围绕如何提高单片机原理与应用课程的教学质量，在教学内容设计、教学手段改革及教学方法的创新上提出改进建议，并作了有益的尝试，收到了很好的教学效果。
关键词：单片机 教学改革 案例教学
单片机自问世以来，以其极高的性能比，以及抗干扰能力强、控制功能强的显著特点，广泛应用于实时工业控制、机电一体化产品、智能化仪表、通信产品、家用电器及军事装备等领域。因此，即使为选修课，该课程也越来越受到学生的追捧。“麻雀虽小，五脏俱全”，单片机虽只是一个芯片，但其内涵非常丰富，知识点多，内容抽象，要在短时间内使学生既熟练掌握单片机原理又能够娴熟应用于实践的难度很大。那么，怎样才能大幅提升课程教学质量呢？在对单片机教学实践过程中，笔者在以下几方面进行了有益的探索。
1 合理设计教学内容，提高授课质量
教学内容的设计包含两个层面：

1.1 内容的优化整合

在很短的学时（仅20学时）内，如何使学生最大限度地掌握单片机知识，是一个急需解决的问题。针对这一问题，笔者在以下两方面进行了尝试。

1.1 内容的取舍

我院学生在学习单片机原理与应用课程之前已经学过很多前序课程，如计算机组成原理、C语言程序设计、操作系统、模拟电子电路、数字电路、计算机硬件技术基础等。并且，在计算机硬件技术基础课程中，学生已系统地学过寻址方式、指令系统、程序设计方法、存储器、并行接口（以82摘自：硕士论文格式www.618jyw.com
55为例）以及模拟I/O接口等内容。因此对数制与码制、数字电路、程序设计的基本方法等基础知识不须重复讲授；将8086指令系统与单片机指令系统采取对比的方式进行讲授；减少了8255芯片的内容，增加了8155芯片，且更注重这些芯片与单片机之间的电路连接及编程使用；减少了A/D，D/A转换芯片介绍，注重其与单片机之间的连接方式及编程应用。

1.2 内容的重组

通常，本课程教材的编排顺序是微型计算机基础→MCS51单片机结构和时序→单片机指令系统→汇编语言程序设计→中断系统→定时器/计数器→并行I/O接口→A/D及D/A接口技术→串行通信等内容。如果完全按照教材的编排顺序授课，各知识点之间相对独立，不能使学生建立起整体的概念。因此，整合教学内容，合理安排教学顺序，显得至关重要。
在教学过程中，主要以单片机最小系统组成及原理、单片机指令系统、程序设计、单片机系统的扩展及I/O扩展技术四大模块为设计主线，以如何组建单片机应用系统并实现其功能为设计思路，将各部分内容有机联系成一个整体。首先将教学内容分成两大部分（如图1所示）—单片机原理与单片机应用。
单片机原理主要包括硬件和软件两部分，其中硬件部分重点讲授单片机最小系统的组成原理（以51系列单片机为核心的单片机硬件结构与原理、存储器配置、单片机工作电路、4个并行I/O端口电路结构、中断系统、定时/计数器）；对于软件部分，将指令系统和程序设计融合在一起，不再讲授教材的简单与分支程序设计、子程序设计和运算程序设计的相关内容，不再逐条介绍MCS51单片机的111条指令，而是重在梳理归纳总结，特别指出51汇编与X86汇编的相同和不同之处；对于一些关键指令，结合具体的程序进行讲解，加深学生的理解和掌握，如利用DJNZ指令设计循环程序，利用MOVC A，@A+PC和MOVC A，@A+DPTR两条指令设计查表程序，分别用相应的程序举例进行讲解。在软件部分，还引入了C51内容，指出C51与普通C的区别。同时针对单片机的I/O端口、定时/计数器、中断系统也给出具体的编程实例。
在单片机应用部分重点讲授单片机的扩展技术，主要包括：单片机应用系统的扩展（程序存储器的扩展、数据存储器的扩展、并行I/O端口的扩展）、单片机对键盘和显示器件的扩展技术、单片机对A/D和D/A转换器的扩展技术以及单片机与单片机、单片机与PC机之间的串行通信技术。针对这些内容的特点（应用性非常强）主要以一些典型器件为例进行讲授。例如，程序存储器和数据存储器的扩展电路连接有相似之处，教学过程中以新型的EEPROM芯片2817（既可作为程序存储器也可作为数据存储器）为例来讲授其与单片机之间的电路连接。对于显示器件的扩展，除了介绍单片机对LED数码管的扩展技术外，还增加了单片机对LCD显示器的扩展内容。
单片机原理和应用两大部分的内容并不是孤立的，同时在教学过程中也不是独立讲解的，单纯的讲原理，内容很抽象，学生也不易理解和掌握，而在单片机原理的基础上，穿插各种典型设计案例的讲解，将原理教学融入生活或工程实际中的相应案例，既加深了学生对相关内容的理解和掌握，又对学生以后进行单片机系统设计有一定的启发。

1.2 不断更新

单片机的发展日新月异，为了避免教学内容陈旧跟不上时代的发展，就必须把握单片机发展趋势，将最新的技术引入教学中，及时更新课程内容。开阔学生的知识面，激发学习兴趣，调动学习积极性，进一步培养学生的创新能力。
如对单片机编程语言的选择，以C51为主，汇编为辅。由于C语言的突出优点（它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能），针对8051的C语言日趋成熟，成为了专业化的实用高级语言，国内最通用的是Keil C51。但汇编语言也不能被完全舍弃，它在某些情况下具有一定的优势，如与硬件有关的程序用汇编语言编写，用C51编写主程序和运算子程序。所以除了引入C51的相关内容外，还引入了针对汇编和C51的混合编程举例。除此之外，LCD显示器接口技术也是新增内容。
2 融入多种教学手段，提升教学效果
在有限的学时内，不仅要使学生学到更多的知识，让学生在短时间内将所学知识融会贯通并牢固掌握，也是值得每个教师深思的问题。笔者认为，采取多样化的教学手段是提升教学效果的有效途径。目前主要以课堂授课为主，大多采用多媒体和黑板相结合的方式进行。多媒体教学虽然减少了教师在黑板上的书写时间，但是课堂上单纯的程序和电路讲解，内容枯燥，学生学习也没有积极性，不利于学生对知识的掌握。并且，单片机课程既不像一些理论课那样具有大量的公式需要推导，也不像机械结构课可以采用动画形式进行内部结构及工作原理的演示。它本身所固有的特点就是实践性和应用性很强，针对这一点，在教学过程中，一方面采用多媒体教学，节省学时，以便在有限的时间内能教授更多的内容；另一方面将程序和电路仿真软件——Keil μVision和Proteus引入教学，针对所有引用的程序和电路在课堂上进行仿真，这一做法不仅吸引了学生的眼球，激发了他源于：论文要求www.618jyw.com
们的学习兴趣，更加深了学生对所学知识的掌握，同时也掌握了这两个软件的应用。这里仅举两个例子。
例1：对MOVC A，@A+DPTR和MOVC A，@A+PC两条查表指令的使用，分别如图2和图3所示。图中两段程序均使用查表指令进行平方值的查询，程序虽然短小，却足以说明这两个查表指令的具体用法，非常有利于学生的理解和掌握，尤其是MOVC A，@A+PC，在使用之前需要加一个偏移量。从图中左侧寄存器A中的值可以读出具体结果。利用Keil μVision除了可以验证程序的正确与否之外，还可以使学生更好地了解单片机内部存储器的配置，如这两段程序中，具体的平方值都是以常数形式存放于程序存储器中，从图右下侧可以看出，它们存放在以2000H单元开始的ROM中。
例2：单片机对ADC0808芯片的扩展技术（如图4所示）。图中以一分压电阻作为输入的模拟信号，输入ADC0808的IN3通道，单片机通过P0口扩展了4位LED数码管来显示模拟电压对应的数字量。满量程显示255（FFH），改变分压值（图中分压比为65%），对应的数字量输出也会相应改变。AD转换需要通过程序来实现，这就用到了Proteus和Keil μVision软件的联合仿真，以Keil μVision软件对程序进行编译生成HEX文件供Proteus电路调用，然后在Proteus软件中运行电路和程序，即可得到仿真结果（如图4所示）。
3 以案例推动教学，培养学生动手能力
虽然将程序和电路仿真软件引入教学，确实提高了课堂的授课效果，但毕竟没有给学生亲自动手实践的机会。所以，为了培养学生的动手能力和创新能力，达到学以致用的目的，在教学方法上，我们引入了案例教学。不仅在课堂上引入大量生活中或工程中的实例，如加入单片机在军事、通信、能源、机器人、交通、IT以及现代工业、农业、仪器仪表、汽车电子系统、家用电器、玩具及终端等诸多领域的应用案例，增加学生的感性认识；更重要的是通过让学生选择不同的设计题目，亲自动手设计硬件电路和软件编程实现相应的功能，大大提高了学生的动手能力和创新能力。
由于是大班教学（50～60人），而且课时又少，不便于开展实验教学，同时，原有的单片机实验箱，课程实验固定，不利于培养学生的创新能力。通过设立不同的设计任务，有效调动学生的学习积极性，使学生积极开动脑筋完成任务，以任务推动教学，突出学生在学习中的主体地位，进一步锻炼学生的动手能力，达到熟练掌握本课程的目的。
在教学过程中，设立10个题目供学生选择，平均每题4～6人。由于时间有限，题目不宜选得太大太难，以能锻炼学生动手能力，并按时完成任务为原则，题目如下。
（1）定时闹铃LCD，（2）锁控制，（3）8051八音盒，（4）基于单片机的数字钟，（5）机箱活动门（如光驱门）的控制，（6）8通道自动温度检测系统，（7）多功能信号发生器设计，（8）用单片机来设计计算器，（9）单片机与微机之间的无线数据传输，（10）红外遥控器的设计。这些设计题目可充分锻炼学生对8051定时器、按键扫描、LCD显示器、比较处理、歌曲旋律设计、A/D、D/A转换器的接口设计、串行通信及单片机对电机驱动的设计方法。在学生完成项目过程中，给予适度的指导，关键是让学生自己独立自主、保质保量地完成设计任务，把上课时的被动学习变为课外实践中的积极主动思考。一方面提高了学生的动手能力、解决问题的能力和创新能力；另一方面让学生带着问题学习，激发了其学习兴趣和热情，增强了学生的自信心，在课程教学实践中收到了很好的效果。
4 结束语
这些做法在教学过程中收到了非常好的效果。通过合理设计教学内容，提高了课堂授课信息量及授课效率，解决了学时少与授课内容多之间的矛盾；课堂引入Keil和Proteus仿真教学手段，大大提高了课堂的授课质量；案例教学法的实施，激发了学生的学习热情和学习兴趣，提高了学生分析问题、解决问题的能力，培养了学生的动手能力和创新能力。
参考文献
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