最新单片机课程教学模式的探讨

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单片机课程教学模式的探讨周根荣，姜平，李俊红（南通大学电气工程学院，江苏南通，226007）摘要：“单片机原理与应用”是一门应用性极强的专业基础课，本着“注重基本知识，提高实验动手能力和应用开发能力”的大纲要求，使学生在掌握基本理论知识的基础上，学会解决实际工程应用问题的思路和手段，具备初步的系统设计和调试能力。针对这一要求，文章围绕单片机原理教学中如何培养、提高学生的工程应用能力，从教学内容、教学方法、课程实验、课程设计等四个方面提出了单片机原理教学模式的一些思考。关键词：单片机，应用能力，教学模式DiscussionontheMicrocontrollerTeachingModeAimedatImprovingEngineeringApplicationAbilityZhouGenrong,JiangPing,Lijunhong(SchoolofElectricalEngineering,NantongUniversity,Nantong226007,China)Abstract：“PrinciplesandApplicationsoftheMicrocontroller”isabasicspecializedcoursewithwidelyapplication.Basedontheoutlinerequirementofpayingattentiontothebasicknowledgeandimprovingthepracticalanddevelopmentabilities,studentscanlearntosolvetheactualengineeringapplicationproblembasedonthebasictheoryknowledge,andhaveprimaryabilitiesofsystemdesigninganddebugging.Aimedathowtocultivateandimprovetheapplicationabilityofthestudents,thispaperprobesintotheteachingmodeofthemicrocontrolleronteachingcontent,teachingmethod,courseexperimentandcoursedesign.Keywords：Microcontroller,ApplicationAbility,TeachingMode0引言目前单片机已广泛应用在智能仪表、工业控制、家用电器等各个领域，成为现代电子系统中一个极其重要的组成部分，对于自动化专业学生来说，掌握单片机基础知识，具备基本应用技能，才能符合当前社会对自动化专业人才的要求，适应越来越激烈的就业竞争。每门课程都各有特点，对学生能力培养的侧重点也不同，单片机原理是一门应用性极强的课程，其主要目的应是培养、提高学生的工程应用能力，使之更快、更好地适应今后工作、学习的需要。因此教师应针对课程的这一主要特点，探索一种如何能较好地培养学生工程应用能力为主的教学模式，并加以实践和总结改进。本文结合笔者多年的企业软硬件研发和近年单片机教学工作的一些经验、体会，围绕提高学生工程应用能力这一中心，从教学内容、教学方法、课程实验、课程设计等四个方面提出了单片机原理教学的一些思路，以供大家讨论。1教学内容作为一门专业基础课，我院自动化专业“单片机原理及应用” 课程目前安排在第7学期前8周，32学时，其中含6个学时课程实验环节，另外课程结束后还有1周的课程设计环节，所用教材为48学时的电类单片机教材[1]，讲授机型是普通80C51单片机。这样的学时安排，对于掌握这门应用性极强的课程来说稍显不够，因此应按照“注重基本知识，提高实验动手能力和应用开发能力”的教学大纲要求，对教学内容有所取舍和补充：1）重复知识点处理：对于在“模拟电子电路”、“数字电子电路”、“微机原理”等先修课程中学过的知识，不是简单地一概跳过，而是按其重要程度区别对待：对于计算机基础、数制转换等知识点只是一带而过；对于8255、ADC0809、DAC0832等接口知识则简单复习；但对于程序设计方法则是作较详细讲授，目的是使学生掌握规范、系统的编程方法和编程习惯。2）陈旧知识点处理：由于计算机、电子技术的飞速发展和教材的相对滞后性，教材中难免会出现一些陈旧知识点，如模数转换芯片ADC0809、数模转换芯片DAC0832、并行接口芯片8255、串行接口芯片MC1418、MC1489等，这些芯片在当前实际中应用已较少，有的甚至已经停产，所以讲课时必须要明确告诉学生；另外目前教材中往往还过分强调最小应用系统，但当前一些高档8位单片机，如C8051F系列[4]，内部已集成了A/D、D/A、PWM、比较器等许多功能部件，单片芯片已足以构成一个常规应用系统，所以最小应用系统也不应过分强调。3）内容欠妥知识点处理：有些知识点原理介绍多、应用介绍少，如串行口部分，教材对4种工作方式给出详细时序图并逐一具体介绍，但对串行口使用配置、收发方式等具体编程介绍则相对较少，这就需要作相应调整；教材程序设计部分对算术运算汇编子程序介绍较多，这类子程序通常都较复杂，理解困难，需要较高的编程技巧，而在实际开发应用中，算术运算往往采用直观易懂、便于理解和维护的高级语言如C51来编程实现，因此对这部分汇编子程序只是简单提及。4）新知识点的补充：单片机及其应用技术发展很快，为了能让学生了解、把握当前单片机发展现状，拓宽他们的知识面，更好地培养他们的工程应用能力，必须要适当增加一些新知识、新技术的讲授，这些知识点主要集中在单片机本身、接口器件及技术这两大部分：对单片机本身来说，目前单片机内部集成功能越来越多，有时单个芯片已足以构成一个常规测控系统，如C8051F系列单片机，内部集成了如A/D、D/A、PWM、比较器、I2C、SPI通讯口等测控系统中常用的功能部件，目前其使用已越来越广泛，因此需及时向学生介绍这类知识。接口器件及技术则主要有：a）输入输出通道知识，单片机系统几乎都有数据采集、控制执行等输入输出通道，其关键部件是A/D、D/A转换器，目前教材中大多以ADC0809、DAC0832等并行老芯片加以介绍，但实际应用中却往往采用ADI、TI、Maxim等三大公司的相应芯片，因此应补充这类芯片知识；b）通信接口知识，单片机系统中更多采用串行通信，除了常用的RS-232、485外，目前I2C、SPI、1-WIRE、USB等串行总线应用已极为广泛，必须要让学生有所了解或掌握，如可结合实际中经常使用的两线制E2PROM，讲授I2C串行总线的应用[3]；c）人机接口知识，单片机系统一般通过键盘、数码管、LCD显示器及微型打印机等接口设备实现人机对话，相应的接口技术发展迅速，以键盘输入、LED显示为例，传统设计方法主要采用8279并行接口、74XX164串行移位寄存器等，但目前更可取的解决办法是采用串行接口的键盘/LED控制芯片，如HD7279A，只需占用单片机3—4个I/O口，使用非常简洁和方便。2教学方法与大多数课程一样，单片机原理教学在内容设置、讲授顺序等方面可采用先基础、后应用的模式，即：硬件结构、指令系统、程序设计、定时器串口等主要部件、扩展接口技 术、应用系统设计等几部分，通过学习，最终目的是让学生掌握单片机系统相关知识，提高他们的工程应用能力。教学内容确定后，能否达到满意的教学效果，则取决于是否有合理的教学方法，单片机原理内容组成部分多采用类似“手册”性的叙述结构，在授课过程中很容易出现以下问题：1）介绍知识过多，学生感觉枯燥；2）各部分内容相对独立，缺乏整体概念；3）应用技术介绍较少，学生应用能力培养不足；4）软件编程介绍过多，硬件设计强调不够，这就使得学生碰到实际问题时，缺乏构建硬件系统的思路和能力。为此，可从以下几个方面对教学方法加以改进：1）激发起学生的学习兴趣，全搬书本、照抄“手册”只会让学生感到枯燥乏味，教师应从学生日常熟悉的系统出发，激发起他们的学习兴趣。笔者从第一节课开始，就引入一个学生非常熟悉的典型单片机应用系统：食堂电子饭卡机，并将这个系统始终贯串于整个课程学习过程中，在讲到单片机相关知识点时，除了书本知识，还补充在饭卡机系统中的应用知识。这样，有了具体对象，学生的学习兴趣和学习积极性都有较大的提高，这对他们掌握单片机基础知识、具备初步的设计开发能力无疑有很大的帮助。2）总体把握，不抠细节，对于一些重复、琐碎程度较高的知识，不要陷于细节，而应从总体上加以把握。如100多条汇编指令是单片机编程的基础，不可能也没必要逐条讲授，而是应分类提及，如根据源、目的操作数将内部数据传输类指令、算术运算类指令等列成表格形式[2]，使学生一目了然；指令也不要求学生强背硬记，更不要求学生记住某条指令究竟是几字节、几周期（若想了解查附录即可）；另外编程时没必要刻意去选择占空间少、执行速度快的指令，而应注重程序的可读性和可维护性。3）强调程序设计方法：单片机程序一般都采用顺序化、模块化结构，即程序应由主程序和各种功能模块子程序（包括中断子程序）组成，因此必须要强调模块化程序设计方法；学生由于平时练习的程序功能单一，程序量少，很容易养成程序平铺直叙、功能混杂、标号随意、注释极少等不良编程习惯，必须加以引导和纠正。4）加强硬件系统设计学习：教师还应特别注重培养学生的硬件设计思路和能力，除了讲明书中硬件电路图的各部分功能外，还应重点介绍系统为什么要这样组成，使学生不仅能“看懂图”（理解硬件系统），还要“会画图”（组成硬件系统）。3课程实验单片机原理是应用型特点极强的课程，要掌握单片机知识，光靠理论学习是不够的，必须要进行实践，在实践中验证和加深理解理论知识，使学生在不断的实践中逐步具备基本的工程应用能力。单片机实践教学分为课程实验和课程设计2个环节，课程实验环节不仅是对理论知识的验证，更重要的是为后续的课程设计做好准备。鉴于课程实验环节只有6个学时，所以安排3个实验：1）仿真环境和汇编指令的熟悉：目的是让学生熟悉单片机仿真开发环境、汇编指令、以及一些简单的调试手段，为以后的实验和课程设计作好准备；2）数制转换和传送实验：目的是让学生进一步熟悉编程指令、内外RAM的使用、及一些常用的数制转换编程，如ASCII码与16进制数之间的转换；3）并行I/O口和A/D、D/A实验：目的是让学生熟悉相关硬件，掌握简单的硬件调试手段和技巧，增强学生的调试动手能力。4课程设计 如果说课程实验是对理论知识的验证，是让学生熟悉相关的软硬件，那么课程设计则是培养学生的综合设计能力，要求学生将所学知识融会贯通。课程设计是整个单片机教学中最为重要的一环，也是培养学生实际应用能力的重要手段。整个课程设计时间为一周，要求学生在如下几个功能系统中选择一个，完成系统的设计、安装和调试：1）交通灯控制：要求学生模拟十字路口红绿灯指示，目的是让学生掌握并行I/O口和定时器的应用设计；2）字符型LCD显示：让学生掌握目前使用极为广泛的LCD器件的使用；3）步进电机控制：使学生掌握步进电机位置控制和速度控制等基础应用知识；4）直流电机调速：简单的闭环调速系统，通过霍尔器件测得电机转速，与设定转速相比，改变电枢两端电压，达到调速目的。由于学生是在通用板上焊线组成系统，为了减少焊接工作量，还提供一些基本接口功能板，如交通灯固态继电器驱动板、步进电机驱动板、直流电机驱动板等，在学生选题后，教师要详细介绍这些接口板的功能和用法。学生确定题目后，根据任务要求先查阅相关资料、设计硬件电路原理图，完成后由教师检查，指导学生修改其中不合理之处，原理图通过后，学生在通用板上安装焊接好系统，进行软件编程、仿真调试，最后将程序下载到单片机芯片中实际运行，完成系统设计要求。通过这种实战性质的系统软硬件设计、安装及调试，学生可以初步掌握单片机应用系统的设计开发，由于在调试过程中不可避免地会出现硬件、软件问题，学生在解决这些的同时，一方面加深了理论知识的理解，另一方面又极大地增强了学生的自信心，这对提高学生工程应用能力无疑会大有帮助。在这个环节中，教师的指导作用非常重要，学生都是初次接触较“完整”的应用系统，其设计、安装、调试能力较差，所以教师应向他们传授一些常用设计方法、调试步骤，以及故障排查顺序等等。5结束语作为一门应用性极强的专业基础课，单片机原理课程教学应围绕如何培养、提高学生的工程应用能力为出发点和主要目的，学生通过这门课程的学习，能初步掌握单片机应用系统的开发设计。为此教师应不断调整教学内容，改进教学方法，不仅要教会学生理论知识，更要教会学生解决具体、实际工程问题的思路和手段，同时还要培养他们的设计、调试能力，另外教师还应了解、把握当前单片机发展现状并及时介绍给学生，以便拓宽学生的知识面，使之能更好地适应社会的需求。参考文献：[1]宋浩，田丰．单片机原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，2005[2]张俊谟．单片机中级教程—原理与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000[3]何立民．单片机高级教程—应用与设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000[4]何立民．从CygnalC8051F看8位单片机发展之路[J]．北京：单片机与嵌入式系统应用，2002(5)[5]张霓．关于“单片机原理与应用”课程教学改革的几点思考[J]．南京：电气电子教学学报，2004(5)[6]唐炜．“单片机原理与应用”课程教学改革探讨[J]．南京：电气电子教学学报，2002(3)*南通大学课程（群）建设研究资助项目（05095）作者简介：周根荣（1971—），男，浙江金华人，硕士，讲师，主要从事计算机控制、智能检测方面的教学与科研工作；姜平（1962—），男，江苏南通人，硕士，教授，主要从事智能控制、计算机控制方面的教学与科研工作；李俊红（1980—），女，山东淄博人，硕士，助教，主要从事自动控制方面的教学与科研工作。此文已发表在《电气电子教学学报》2006年第28卷第5期。