单片机原理与应用课程实践教学改革

摘要：实践教学是单片机课程教学的重要组成部分。传统的实践教学模式多以MCS-51系列单片机为控制器，并且完成的实验多为验证性实验，在培养学生的动手能力与创新能力方面有一定的局限性。新的实践教学模式在更改理论授课主讲机型的基础上，以C8051F系列单片机为核心控制器，学生通过电路仿真、电路板焊接和程序烧写等实践操作，提高“真”动手能力，并大幅度缩小了理论授课与工程应用间的差距。

关键词：单片机；实践教学；C8051F

作者简介：刘凤（1983-），女，重庆人，解放军理工大学气象学院，讲师；王洪涛（1976-），男，安徽合肥人，解放军理工大学气象学院，讲师。（江苏 南京 211101）

中图分类号：G642.42     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）20-0132-02

实践教学是单片机原理与应用课程教学不可缺少的部分。该课程是一门综合性、实践性极强的课程，学习该课程的实质就是通过灵活应用单片机内部功能部件，在成功搭建最小系统的基础上扩展外围电路，最终构建单片机应用系统，实现测试与控制功能。学习过程中，高集成度的封装增加了学生理解各部件相关知识点的难度，快速更新的单片机产品加速单片机课程教学与工程应用的脱节。因此，要真正培养学生开发实际应用系统能力，就应该与工程接近。近年来笔者所在学院（以下简称“我院”）以科研项目为依托，在更新主讲机型的基础上，探索出新的实践教学模式。

一、传统实践教学模式

目前单片机实践教学方式分为三类。一类是以Proteus和Keil为实验仿真平台，学生在Proteus中完成电路设计，在Keil中完成程序编写，能在计算机上实现虚拟实验，该方式表现形式生动，将有助于提高学生的兴趣，但仿真与硬件之间的差别、仿真实验的单一性极易让学生感到厌倦。[1]一类是以AT89C51/AT89S52为核心控制器的单片机实验箱为硬件平台，学生通过连接各功能模块间的跳线即可搭建实验项目的硬件电路，参照实验指导书完成实验，该方式与仿真实验相比，加强了实验的真实性，但由于实验箱多为总线式结构，使得实验过程变成了对硬件的机械式操作，学生失去了对单片机系统外围电路设计的理解，使学生在硬件电路设计方面都没能得到很好的锻炼。[2]一类是提供给学生单片机最小系统开发板或元器件，学生需要自己设计硬件电路，并编写程序以完成实验项目。这种方式与提供给学生集成化的实验箱相比，实验难度又有所提高，学生能够按照自己的意愿实现更多的功能，有利于提高学生的“真”动手能力，但由于兴趣、先修课程基础的差异，基础偏差的学生无法完成实验。[3]上述三类实验方式多以传统的MCS-51系列单片机为核心控制器，以汇编语言为开发工具，造成课堂教学与工程应用严重脱节。因此，在更新理论授课内容的基础上，将三者相结合通过适当的教学组织与实施，将会更高效率提高学生的“真”动手能力和工程实践能力。

二、新实践教学模式

1.课程理论教学内容的改革

新的实践教学模式以理论课教学内容改革为基础，既更新主讲机型，又更新编程语言。用与传统51兼容的C8051F系列取代MCS-51系列成为主讲机型，兼顾汇编语言和C51的优缺点，采用以C51为主汇编为辅的编程语言。[4]

目前，市场上存在许多与MCS-51兼容的高性能8位单片机，既提高性能又保持与MCS-51的兼容性。Silicon Laboratories公司的C8051F系列具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，该控制器除了具有标准8051的数字外设之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。[5]近年来我院的科研项目开发中多次使用该系列单片机作为主控制器，并于2010年将其引入本科教学中，替代传统的MCS-51系列，成为理论课的主讲机型。

单片机应用系统开发的传统语言是汇编语言。汇编语言也是传统单片机课程中讲授的编程语言，但汇编语言存在编程困难、可读性和可移植性差等缺点。目前，单片机应用开发人员大多数选择目标代码与运行速度都与汇编语言相差不多，但编程相对容易、可读性和可移植性较强的C51语言。因此，我们在教学中引入了C51语言作为该课程的主要编程语言。传统的汇编语言并不能完全抛弃，因为在存储空间小、实时性要求高的场合仍然需要用汇编语言编程。因此，以C51语言为主兼顾汇编语言的理论教学成为理论教学改革内容之一。

以C8051F系列单片机为主讲机型、C51为开发语言的教学内容改革，还引入Proteus和Keil联合仿真的虚拟实验平台作为理论教学的辅助工具，在授课中充分发挥仿真实验的形色作用，如讲解定时器引入Proteus仿真发光二极管闪烁实验，可生动展示定时器相关的知识点，讲解寄存器、存储器的控制与操作时，可利用Keil演示各寄存器的读、写和查看等操作，加深学生对“单片机各个功能部件实质就是通过寄存器进行集中控制”的理解。基于Proteus和Keil的联合仿真作为理论教学的辅助工具，容易激发学生的学习兴趣，使学生产生和保持对单片机的强烈求知欲。

2.实践教学改革

新的实践教学环节融合实验箱基础性强、操作简单以及面包板利于提高学生动手能力的优点，将二者进行有效结合，挑选部分基础性实验仍在实验箱上完成，设计性实验则在面包板上完成。通过合理安排各实验，达到提高学生“真”动手能力和工程实践能力的目的。

三、实践教学组织与实施

1.教学准备

按照学生的不同认知能力等因素，将学生进行分组。对于同一门课程，不同学生的原有认知、学习能力、自身素质等因素决定了其学习进度有很大不同。教师在上课前，需要做一个调查，以了解学生对该门课程的已有认知情况，同时了解学生的多元智能情况。教师根据这些情况，将学生进行科学分组，分成相似度接近的若干组，每组成员约1～3人。由于部分学生本身的学习能力强或者对于该门课程已有一定程度的掌握，在实验过程中，由这些学生来指导那些不熟悉的同学，充分调动每个学生主动参与学习的积极性，使不同层次的学生有不同程度的参与，并得到不同层次的提高和收获。[6]

根据单片机的知识结构，拟定实验项目，将实验项目分为基础性实验和设计性实验两类，尽量做到精简基础性实验，加强设计性实验。基础性实验要求以基础、单独的知识点为学习目标，设计性实验要求在面包板上完成，教师仅提供学生元器件，学生动手焊接电路，以综合运用单片机各功能部件知识点为学习目标。

根据学生的掌握程度，在完成基础性实验、设计性实验的基础上，结合我院以C8051F为核心控制器开展的科研项目为依托，开发多个综合性实验项目，用在课程设计阶段进行教学，并结合工程应用将设计设置成不同的难易等级。

2.教学内容组织

基础性实验多为验证实验，是学生快速掌握单片机独立知识点的有效途径，如图1所示，本课程设置基础实验内容包括各类存储器数据传送、I/O口操作、定时器、中断、串口通信五个模块。同时，主程序流程图和部分子程序已在实验指导书中给出，学生按流程图填写完整程序，并在实验箱上调试出结果，达到熟悉单片机指令系统、编写简单程序的目的。

设计性实验，也称为“动手实验”，以C8051F系列单片机作为核心控制器，学生从动手焊接最小系统开始，逐渐扩展外围电路，利用可编程并行接口芯片8255，A/D接口芯片ADC0809，实现一个有并口扩展、串口通信、数码管显示、按键输入、发光二极管功能的单片机系统。各模块及对应的理论知识链接关系如图2所示，通过应用单片机的I/O口、定时器、中断等功能，学生充分发挥自主能动性，可在调试成功最小系统的基础上，实现交通灯、音乐门铃、时钟等实用设计。

3.教学实施

实践教学和理论教学一样，需要教师发挥足够的引导作用，采用多样化的教学方法让学生带着疑问与兴趣去完成各个实验。

基础实验项目环节，教师可采用“问题式教学”、“案例式教学”、“讨论式教学”等方法，借用实物、Proteus仿真图给学生明确实验任务，并引导学生按照图1中对应知识的链接去剖析每个实验项目，让学生在完成实验时从理论依据入手，自己搭建硬件电路，分析实现方案，参照实验指导书独立编制实现软件。在实验过程中，教师应以学生为实验主体，最大限度地调动和发挥学生的积极性，引导学生积极思考实验中出现的问题，分析问题，并找到解决问题的方法，改变其应付实验的思想。指导老师在实验中仅起到指导作用，为学生点明实验方向，避免走弯路，并解答实验中出现的一些疑难问题。

设计性实验阶段，教师将发给每组学生一片C8051F330和多个电阻、晶振、发光二极管等元器件，学生在焊接调试成功最小系统的基础上，在面包板上逐渐增加外围电路，以达到提高“真”动手能力的目的。该阶段实验项目在最小系统的基础上，难度呈上升趋势，因此必须增加实验预习环节，每次完成实验后，教师将布置下次实验的内容，并在实验课时通过提问、检查预习实验报告等形式进行检查，这样学生才能做到心中有数，实验操作也比较容易，同时也会更容易发现问题并与教师交流、探讨。实验项目开展过程中，教师需应注意以下问题。

（1）学生硬件动手能力普遍偏弱，易出现仿真器使用不当、电路短路、电路虚焊等问题，学生因缺乏经验很难分析故障原因，教师不能直接帮助学生调试或者告知原因，应引导学生采用模块化的方法排除故障，比如调试最小系统时，让学生先检验复位电路、时钟电路及电源引入模块的正确性，再检查程序的语法与结构错误，最后检查仿真器、编程器的使用正确与否。

（2）项目开展过程中将涉及使用万用表、开关电源、示波器等电子仪器的使用，教师应注意指导学生全面了解仪器设备性能并正确使用仪器，为课程设计打下基础。

（3）调试系统时总会遇到如电路设计错误、基本概念错误、程序结构错误及语法错误等各种问题。学生不能仅以排除故障、解决问题为学习目标，还应及时总结思考，培养学生积极思考—发现问题—解决问题—思考问题的良好习惯，在调试成功系统后要重复理解调试过程所用到的理论知识点。比如调试完最小系统后要去理解复位状态下各寄存器的状态与实测电平之间的关系，调试完输入输出口功能要去理解交叉开关的配置方法与实际I/O配置之间的关系。通过重复理解实际电路与理论知识的链接关系，可以更好地掌握实验原理，提高对单片机应用系统的全面认识，进一步掌握软、硬件综合调试方法。

（4）整个教学过程中，教师要准确把握学生的完成进度，便于及时进行引导与讲评。

教学实践环节不仅包括实验环节，还包括课程设计环节。课程设计是学生将基础知识加以综合利用的过程，是基础知识消化、升华、锻炼开发能力的过程。教师向学生推荐若干单片机课程设计题目，学生根据兴趣选择其中一个课题，或者自己查找资料，与指导老师一起确定题目。在设计时由学生自己设计硬件电路、软件框图和程序清单，自己进行软硬件仿真和程序下载，最终每人完成一件作品，如交通信号灯控制器、步进电机控制器、超声波测距系统、基于DS18B20的温度测试系统等。该过程中，指导老师应让学生明确每一步的任务，协助解决在设计中存在的疑难问题。

4.教学实施中应注意的问题

拟定教学内容是，教师应注意单项实验目标与课程总体目标的循序渐进。一般来说，课程目标的设定须建立于单个项目目标的基础上，只有相关知识点的实验目标完成后，课程的实验目标才可能顺利完成。

教学实时过程中，教师应注重反馈的及时性。在实验教学过程中，教师要及时让学生了解实验完成的情况及其与目标间的差异。学生在明确自己与目标间的差异后，将会采取措施来弥补差异；如果实验完成结果比预期目标好，学生将会维持努力的程度或是制定更高的目标。

四、结束语

针对目前常见几种单片机课程教学实践方法的优缺点，在适当改革理论授课内容的基础上，融合三种实践教学方式，通过整合教学内容，缜密布置教学实施计划，提高学生“真”动手能力和工程应用能力。

参考文献：

[1]张松灿.“单片机原理及应用”课程教学改革的探索[J].中国电力教育,2010,(27):72-73.

[2]杨俊起.单片机课程实践能力培养研究与探索[J].中国现代教育装备,2010,(13):142-144.

[3]徐春秀,武穆清,谢文苗.让实践教学成为学生创新思想的展示平台[J].计算机教育,2009,(17):4-6.

[4]赵念强,鲍可进.基于C8051F 的单片机课程教学改革[J].计算机教学,2007,(13):57-60.

[5]C8051F330/1混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[Z].新华龙电子有限公司,2003.

[6]张艳琼,周学文,于泽德.目标设置理论在计算机实验教学中的应用[J].教育探索,2009,(10):62-63.

（责任编辑：麻剑飞）

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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