单片机课程改革

“单片机”课程在中职电子类专业教学的改革与 实践 电气工程系 浦伟 、许定华 单片机技术已经不在是大学某个特定专业的学习课程。它已从计算机及自动化专业扩展 到通讯、机电、电子等专业,而应用领域从工业自动化控制扩展到通讯设备、测量仪器仪表、 家用电器等等。 随着单片机应用技术领域的不断扩展，教学的对象也跟随着改变，从大学本科、高职高 专到中等职业教育，都在积极培养这一电子智能型人才。由于中等职业学校学生的基础知识 较差，接受能力偏低，对涉及知识面较广的单片机技术课程教学，提出了一个新的课题。在 我校电子类专业单片机技术课程的教学改革与实践过程中，我们有以下几点教学体会：第一 选择适合本校学生知识基础的教材；第二改革教学方法，合理安排教学内容；第三采用经济 实用的方法，建立模拟实验平台。 一、选择适合学生知识基础的教材 单片机技术是一门比较难学的课程，它包括了数字电路技术、模拟电路技术、传感器 技术、通讯技术、计算机硬件接口技术、计算机软件编程技术、机械传动技术等等基础知识。 而且，涉及单片机技术的教科书也非常多（就不一一列举） ，从众多的教科书中选择适合本 校学生学习单片机技术基础知识的教材，就显得十分的重要。目前，大部分教材都是针对大 学计算机及自动化专业编写的，也有为从事科研开发的工程技术人员深入研究单片机应用技 术而编写的，而中专层次的教材还是系统性、理论性过强，基础差的学生还是难以接受。 当然，教材在论述单片机原理及应用技术的基本知识的深度和广度方面，是针对大多 数学校单片机教学的目标任务编写的，而每个学校安排学习的课时可能不一样，对不同专业 的学生要求掌握单片机技术的程度也不一样，这就需要确定一个培养目标，根据培养目标选 择好“深浅适度”的教材。 根据我们的教学经验，中等职业学校的培养目标制订在初级目标较为合适，简述如下： 掌握通用型 MCS-51 单片机的基本结构（主要是单片机的内部 ROM 和 RAM 及管脚功能和 定义） ；掌握单片机的最小硬件设计系统（单片机最少需要连接几个外围元件才能正常工作） ； 初步掌握单片机的程序设计（利用汇编指令系统进行模仿性编程） 。掌握了单片机以上三个 方面的基础知识，学生基本上可以独立的承担单片机系统的维护。 根据以上原则，我校电子电器应用与维修专业的单片机技术课程，选择了北京航空航天 大学出版社单片机轻松入门 ，本教材的内容编排方式与传统的教材不完全相同，主要采 用了“以任务为中心 ”的教学模式来编排，对单片机课程进行教学改革，特别适合现阶段的中 等职业学校的学生，教材特色：建立环境，创新体系，细节分析，白话风格，注重实效。 二、改革教学方法，合理安排授课内容 单片机课程其实是一门很有趣的课程，单片机技术在实际生活中的应用处处可见，很 容易激发学生的学习兴趣。但是，在学习单片机的基础知识时它又是那么抽象，因此，在课 堂教学中采用基础知识由浅入深的引导方法和任务驱动法教学，可以收到很好的教学效果。 传统的单片机教学，均是以单片机的结构为主线，先讲单片机的硬件结构，然后是指 令，然后是软件编程，然后是单片机系统的扩展和各种外围器件的应用，最后再讲一些实例。 按照这种教学结构，中等职业学校的学生普遍感到难学。试想，一个从未接触过计算机结构 的人，甚至数字电路也是刚刚接触的人，要他去理解单片机内部结构，这实在不是个容易的 事。以 8051 系列单片机为例，它是一种大规模的集成电路芯片，具有 111 条汇编指令系统。 许多单片机教科书都是按照内部结构指令系统设计实例进行逐步介绍，在讲解单片机内 部硬件结构和指令系统的理论概念时，只能按照硬件等效框图、指令书写格式、使用文字说 明方法表达它们的功能及作用，当 8051 单片机的 111 条汇编指令学完后，学生还是没有弄 明白 MOV P1，#00H 和 MOV P1，#0FFH 怎么就能使接在单片机 P1 端口的 8 只 LED 点亮或 熄灭呢，如果学习中出现的问号太多，而又没有得到及时解决，学生就会丧失学习单片机技 术的信心，也就越学越没有兴趣。 由于单片机技术涉及的基础知识面比较广，而一本教科书不可能把所有涉及到的基础 知识容纳进去，即使学生已经学过一些相关基础知识，由于没有得到具体的实践，这些相关 的基础知识很可能已经淡忘了。如果，教师还是按照教科书的编排顺序授课，没有基础知识 的概念，学生是很难理解相关内容的，学生听不懂授课内容，自然就产生了厌学的情绪（上 课睡觉） 。基于以上情况，我们在教学中尝试职业教育倡导的任务驱动教学法。任务驱动教 学法，就是以任务为教学单元，打破原有界限，不管硬件结构、指令、编程的先后顺序，将 各部份知识分解成一个个知识点，为了完成一个任务抽取每个部份的不同知识点，加以组合。 如在讲解“单片机的结构与原理” 这部分知识时，安排几个任务，以任务为核心，配置为完成 该任务而必须掌握的指令、硬件结构知识、软件操作知识等，学完这些知识以后完成该任务， 然后较为系统地学习一些硬件结构知识，通过这种方式将学生普遍感到比较困难的该部分知 识分解，把一个高的台阶变成若干低的台阶，使得学习者从一开始就能体会到成功的喜悦， 有利于学习的顺利进行。 三、模拟实验平台的建立 要学好单片机技术，最重要的是“学习理论基础知识与模拟实验相结合” ，学习单片机 离不开实验，以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习开发系统，但价格昂贵，很 多学校难以做人手一机，至使学习单片机的门槛很高，很多学生难以能跨入单片机学习的大 门。近年来，随着 FLASH 型单片机的广泛应用，采用软件模拟加写片验证成为一种经济实用 的实验方法。要使学生能够真正掌握单片机技术，需要他们亲自动手焊制单片机实验板，亲 自动手烧录程序，而且实验过程不能复杂，通过亲自做实验把课堂上学习的概念性知识转换 成视觉可以观察到的物理现象所发生的各种变化，提高学生的感性认识和激发他们学习的兴 趣。下面是我校单片机模拟实验平台的建立： 1、合理配置公共实验设备 过去的单片机实验设备，主要以专用的单片机开发系统为主，投资较大而设备的利用率 低（只能是单片机教学使用） ，编写程序和修改程序很不方便，对初学单片机的学生来说很 难掌握复杂的操作界面。由于以上种种原因，教学单位常配置为数不多的单片机开发系统， 因此，学生上机实验受到了极大的限制，很难达到理论课与实验课“交替”的教学效果（实 验课无法与理论课同步） 。 我校使用 30 台电脑局域网连接（和 PLC 实验共用） ，购买一套伟煌编程器（内带 MedWin 中文版编程软件和煌编程器烧录软件） ，不算电脑费用，700 元就可以开展单片机实 验!而且操作方法简单易学，学生很容易就掌握了单片机的编程汇编固化等等操作界面 的使用，大大提高了单片机的实验教学效率。 2、配置学生专用的单片机实验板 单片机实验板是单片机教学中每个学生的必备学习工具，学生自己购买散件组装一块带 LED（发光二极管）的单片机实验板，人手一套，组装一套（制板及元器件）价格大概为 32 元。 学生自己动手组装单片机实验板，很容易就了解单片机的各个引脚与外围硬件电路是如 何连接的，对帮助他们正确理解教科书中的单片机引脚定义及功能的概念很有帮助。另 外学生对动手焊接实践非常感兴趣也很认真，能充分调动他们学习的积极性，在轻松的教学 环境中学习了单片机及外围硬件电路。 3、任务驱动教学与实验“交替”进行 单片机实验板是学生学习单片机汇编指令的“演示”工具。在传统的单片机汇编指令教学中， 常规的方法是全面介绍单片机的 111 条指令系统，由于指令较多，又属于“纸上谈兵”的理 论教学方法，大多数学生无法理解这些指令真正的含义和作用，因此，他们越学越感觉枯燥 无味，越听越糊涂。为了激发学生学习单片机的兴趣，让学生在学习指令系统时真正的理解 每条指令含义和作用，因此，我们在全面讲述单片机汇编指令时，选取一些有代表性的“指 令”进行预先讲解（包括伪指令） ，并利用这些指令编写一些简单程序，让学生进行编程练 习，并通过上机实践把程序“固化”到学生的单片机实验板上，让学生在学习指令系统理论 知识的同时真正理解每条指令含义和作用。如任务：编写一段 P1 端口连接的 8 只 LED 每间 隔 0.25 秒闪烁 1 次的程序， 当学生在单片机实验板上“完成”了上述任务,就可以加深对已学指令的理解,也就对学 习指令系统有了兴趣。因此，在讲述指令系统时，应该采用理论课与实验课“交替”任务驱 动教学模式，也就是说，大约在讲解 5-10 条指令左右，给出一新的任务，进行指令的编程 实验。在以往教学中指令系统通常是按照功能分类进行排序的，而编写一些实验“演示”程 序，根据任务需要穿插使用不同类型的指令，这就需要教师根据实际教学情况灵活的选择授 课内容，让学生有机会用已学过的指令去修改“演示”程序。如 P1 端口连接的 8 只 LE