基于教学工程案例的单片机课程教学改革

摘要：针对当前单片机教学中对工程实践能力重视不足问题，为适应新工科背景下的人才的培养，提出教学改革措施。主要围绕着提高学生工程实践能力方面，通过选择和设计合理的教学工程案例、重新组织和优化教学内容、采用项目驱动的教学方法和制定科学考核标准等措施来进行改革，实践表明，通过采用上述改革措施，能够充分调动学生的积极性，提高学生的工程实践创新能力。

关键词：单片机;新工科;工程案例;项目驱动;教学改革

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）11-0139-03

1 引言

在新工科建设的背景下，如何培养工程实践能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才成为高校面临的主要问题[1]。《单片机原理与接口技术》作为通信和电子专业的一门核心课程，是培养学生能力的关键环节之一。该课程主要讨论单片机硬件原理、程序设计和常用接口电路等内容[2]。由于该课程理论与实践结合紧密，对学生的工程实践能力要求较高，要想较好地掌握本课程内容，不仅需要扎实的理论基础，同时还需要良好的硬件设计和软件编程能力。而这些能力需要通过大量的工程实践的训练才能获得，但目前教学过程中对工程实践能力培养重视程度不够，理论和实践没有实现有效的融合，因此教学改革势在必行。

2 单片机课程目前的教学的现状

2.1 理论和实践结合不足

目前教学大多按照教材内容按章节顺序讲解，很少结合工程案例进行讲解，而单片机是一门注重理论和实践相结合的课程，如果只讲理论，不结合具体的案例，会导致学生学习效率低下，很难将理论知识应用于实践，欠缺解决实际工程问题能力。

2.2 学生的知识综合应用能力不足

由于单片机工程实践需要综合应用先修课程的关知识。在修本课程前学生都学习过电子线路、C 语言等知识，但是将这些知识应用到单片机工程实践中还存在困难。

2.3 考核方法需要改进

目前考核方式由上课出勤、平时作业、期末考试综合而成，平时作业和期末考试都是以理论考核，而《单片机原理及接口技术》这门课程更偏重实际应用，因此，考核方式应该补充一些实践能力考核内容，这样才能真正考查到对课程掌握的真实水平，也有助于培养学生的工程实践能力。

3 《单片机原理与接口技术》教学改革方案

为了培养学生创新和工程实践能力，我们将“Keil+Proteus”虚拟仿真全面引入到教学中[3][4]，采用以教学工程案例作为主线的教学改革方案，该方案通过选择和设计合理的教学工程案例、重新优化和组织教学内容、采用项目驱动教学法[5]和设计合理的考核标准来实施，下面详细介绍。

3.1 选择和设计合理的教学工程案例

在教学工程案例的选择和设计上，采用单片机应用系统的模块化方案，遵循由浅入深、逐步叠加、逐步综合的原则来设计和组织教学项目案例，具体如表1所示。

按照项目教学项目案例涉及的模块和复杂程度，我们将教学项目案例分为“基础、进阶和综合”三种类型，具体说明如下：

1） 基础教学工程案例，特点是只包含简单的外围模块，其中LED灯的闪烁控制、LED数码管的秒表设计、按键的LED显示均属于这一类，基础教学案例的主要教学目标是帮助学生掌握单片机最小系统的设计，由于外围模块比较简单，不需要复杂程序设计，所以重点都集中在单片机最小系统的设计上，通过这些教学工程案例的训练，学生能够深刻理解最小系统的概念，并能根据不同的单片机和应用设计出满足需要的单片机最小系统。

2） 进阶教学工程案例，特点是包含片内模块和多个基础外围模块，或者包含需要较复杂的程序设计的模块。电话拨号的模拟、LCD的字符的滚动显示、单片机之间双向通信控制、流水线计数系统等均属于这一类，电话拨号的模拟的教学案例虽然不需要多个模块，但是程序设计稍微复杂一些;而其他几个案例则需要使用多个模块来实现相应的功能。我们以“单片机之间双向通信控制”的教学工程案例为例进行简要说明，该项目实现的功能要求是实现单片双机通信控制，项目电路如图1所示。

项目的具体功能要求是甲机和乙机实现双向通信，用甲机的按键控制乙机的数码管，每按一次，数码管数字加1，到9后复0，往复循环;同时能用乙机的按键控制甲机的数码管，实现类似的功能。在这个项目中，既包括了数码管、按键等基本外围模块，也包括单片机的串行口模块，这个进阶的教学工程案例就是串行口模块基础上添加了两个基本的外围模块，通过这个教学工程案例训练，不仅能复习和巩固了已经学习过的基础模块内容，还能掌握本项目学习的模块--串行口模块，这种叠加递进的方式有助于培养学生的工程实践能力，也符合“新工科”培养人才的理念[6]。

3） 综合教学工程案例，特点是包括多个模块和常用的模拟或者数字接口电路。数字模拟电压表、DAC0832产生连续的锯齿波、基于热敏电阻的温度计和锯齿波-方波-正弦波发生器均属于这一类。我们以数字模拟电压表为例简要说明，数字模拟电压表项目的功能要求是将输入电阻的模拟电压进行数字显示，项目电路如图2所示。

这个项目包括数码管的动态显示、定时器模块、外围驱动模块和模数转换接口等多个模块的内容，需要说明是的是，这里综合案例不仅仅是模块和接口数量的增加，实现项目要求的功能需要整体的设计和综合的考虑，使得各个模块之间协调一致地工作，这需要学生熟练掌握基本模块和并具有一定的综合设计能力。

3.2 调整和优化教学内容

根据设定的教学项目案例，我们对教学内容做了重新组织和调整，主要从单片机应用系统的角度，模块化地组织教学内容[7]，我们将教学内容分为单片机最小系统、指令和程序设计、数字量接口、片内资源、模拟量接口等5个大的模块。具体说明如下。

第一部分是单片机最小系统，它是构成单片机应用系统最基本的组成部分，具体包括单片机、时钟电路复位电路和电源电路，如果采用8031单片机构成最小系统，还需要外扩程序存储器。

第二部分是指令和程序设计，单片机应用系统完成指定的功能，需要设计相应的程序，故课程的第二个内容模块安排的是指令和程序设计，这一部分的内容安排上，我们对汇编和C51都进行了介绍，对于汇编部分，我们逐条介绍指令的用法和汇编程序设计;对于C51的部分，由于学生都具有C语言的基础，我们采用C51和C对比介绍，重点介绍二者差别和C51补充的部分，这样学生很快掌握本部分内容。

第三部分安排是简单数字量接口设计，这一部分具体内容包括开关、键盘和LED和LCD显示器的接口设计。通常的教学安排是将这一部分放在最后面接口部分讲，实际上放在第三部分更合适学生的学习，一方面，键盘和显示器是单片机应用系统中最常见部件，后面涉及教学案例都会涉及这部分内容;另一方面，当学生具备前两部分的理论基础后，应当立即开始单片应用系统设计，将前面的学到的知识加以验证和应用。这样安排有够有效提高学生学习的兴趣，更有助于学生工程实践能力培养。

第四部分内容安排的是单片机的片内资源，当学生经过前三部分内容的学习之后，对单片机应用系统已经有一定认识，但是还需要进一步巩固训练，因此，我们在这一部分针对中断系统、定时/计数器和串行口的内容设计了电机转速测量、流水线计数系统、单片机之间双向通信控制等三个教学案例，一方面，结合案例讲解片内资源部件使学生更容易理解和掌握相关内容;另一方面，案例中涉及前面所讲的键盘和显示器的使用，使学生对已经学过知识进一步巩固和训练。

第五部分内容安排的是模拟量接口，这部分内容重点介绍A/D接口模块和D/A接口模块，这一部分我们结合数字模拟电压表和DAC0832产生连续的锯齿波两个案例来讲解这部分内容，和前面的教学案例相比，这两个教学工程案例更加综合，涉及内容模块更多，由于此时学生已经具备了一定的基础和工程实践能力，所以学生也能够理解和掌握相关内容。

综上，在教学内容的组织和安排上，重新组织的内容安排更加科学合理，符合学习者的认知顺序，内容层层递进，相互交织，形成有机整体，便于学习和理解，能够有效培养学生工程实践能力。

3.3 教学工程案例的教学实施

教学工程案例的教学实施过程是采用项目驱动的教学法，该教学方法遵循“以工程应用为导向，以学生为主体，以能力培养为目标”的基本原则[8]，通过师生共同实施一个完整项目而进行的教学活动。实际的教学过程围绕项目展开，将单片机理论知识点插入到开发项目的过程中，引导学生边做边学，在实践中学习。在具体的实施过程中，我们采用项目引导式教学和项目提升式训练的方法来提高学生的工程实践能力。

项目引导教学，即在课程理论教学中，围绕项目任务，引导学生分析完成任务所具备的那些理论知识，然后围绕着所需要的理论知识展开教学和实践。通过这种引导式教学方式讲解理论知识，会使学生对教学内容有清晰的认识和把握，同时也培养学生将理论应用于实践的能力。

项目提升训练，当学生具备一定的能力之后，可以设定一些涉及2～3模块知识，复杂度适中的工程实践项目，让学生独立完成，以培养学生的综合实践能力。

3.4 构建合理的课程考核体系

目前考核方式由平时出勤和作业、期末考试综合而成，平时成绩和期末成绩分别占20%和80%，这种考核以理论考试为主，不能反映学生的工程实践能力水平。而《单片机原理及接口技术》课程更偏重实际应用，因此，我们对考核方式进行改革，在考核中加入仿真实践作业，并加大了实践作业在期末成绩中比例，改革后考核方式是“出勤+理论作业”占比15%，实践仿真作业占比25%，期末考试占比60%。对于仿真实践作业的评价，我们设定了具体评价指标，如表2所示。

我们依据学生实践仿真是否实现项目要求的功能，电路设计是否合理，程序设计是否模块化、是否条理清晰等标准给出每次作业的成绩，仿真实践的最终的成绩为各次成绩的平均值，该成绩再乘以相应的比例计入期末总成绩中。

教学实践表明，通过将实践内容加入到期末考核范围并加大该部分在总成绩的比例后，学生参加工程实践训练更加积极，学生的工程素养和创新能力也有了明显的提高。显然，改革后的考核体系也能够有效地考查学生对课程内容掌握的真实水平。

4 结论

基于教学工程案例的单片机教学改革，主要以培养学生工程实践能力为目标，通过选择和设计合理的教学工程案例、调整和优化教学内容、采用项目驱动的教学方法和设计科学的考核标准，对单片机课程进行的教学改革探索。教学实践表明，通过采用上述教学改革措施，能够有效地巩固学生的基础理论、提高学生的工程实践能力和知识的综合应用能力，为学生的学习深造和就业打下了较好的基础。

参考文献：

[1] 教育部. “新工科”建设复旦共识[N]. 2017-2-18.

[2] 郭显久，李向军.单片微型计算机原理及应用[M].大连：辽宁师范大学出版社，2018.

[3] 任肖丽，王骥，刘思凤.基于Proteus和Keil的单片机课程实验教学改革探索[J].教育现代化，2019，6（A1）：5-7.

[4] 刘玉玲.虚拟仿真技术在单片机教学中的应用[J].电脑知识与技术，2020，16（28）：228-230.

[5] 李洁，杜玉杰.项目驱动教学法在单片机课程中的应用[J].教育教学论坛，2020（40）：160-161.

[6] 教育部. 教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[N]. 2017-2-20.

[7] 陈燕燕.模块化教学法在《单片机原理及应用》课程教学改革中的应用与实践[J].创新创业理论研究与实践，2021，4（4）：46-47，50.

[8] 尹爱兵.面向工程应用的“单片机”课程教学改革[J].电气电子教学学报，2020，42（4）：64-66，76.

收稿日期：2021-09-13

作者简介：葛振（1982—） ，男，辽宁阜新人，硕士，讲师，主要研究方向为信号处理的教学和研究。