单片机原理与应用课程教学改革与实践
摘要：以培养高素质人才为目标，以注重基础、训练能力、提高素质为原则，通过对单片机原理与应用课程教学的分析，文章总结出课程教学中存在的问题。结合单片机教学的特点从理论教学、实践教学、师资建设和考核制度4方面进行阐述，重点强调以应用为主，采取多种教学方式，增强学生的应用能力。实践证明，采用改革后的教学方式效果较好，学生学习兴趣和创新能力得到很大提高。
关键词：单片机；教学；改革；实践
单片机技术是现代电子工程领域一门飞速发展的技术，它广泛应用于工业测量控制系统、仪器仪表、家用电器等行业之中，是电气信息类专业学生必须掌握的一门技术知识[1-2]，也是电气信息类工科学生就业需具备的基本技能之一。同时，它是电气信息类各专业的专业核心课，是一门面向应用、具有很强实践性与综合性的课程，它以模拟电路、数字电路等课程为基础，后续的专业课程中也会反复使用到单片机知识，该课程在电气信息类专业整个课程体系中具有承上启下的地位。但是，由于该门课程相对比较抽象，学生普遍反映开始学习的时候入门较难且难以理解单片机的内部结构，因此如何使学生循序渐进地掌握单片机技术？怎样使理论教学与实践教学有机结合？这些问题已成为单片机原理与应用课程体系建设的重要议题。
1教学存在的问题及原因
传统的单片机教学往往偏重于单片机原理及系统各部件的介绍，内容比较单调枯燥，学生实践欠缺。在教学安排上，大多把理论教学与实践教学分开进行，注重课程本身的体系结构，忽略了课程实用性，出现理论与实践相脱节的现象，究其原因，主要有以下几点。
1) 教学安排不适应现行单片机原理与应用的教学。传统教学大纲大多都是对单片机内部结构、工作原理、指令系统、工作流程等详细的叙述，但是在怎样设计一个完整的单片机系统与详细实例方面不足。单片机的内部结构和指令系统以及工作原理，与微机原理课程有很大的相似之处，在此如果过多地详细介绍这些内容，会使学生感觉内容重复和枯燥，极易产生厌学情绪。
2) 实践环节重视不够，未使学生掌握单片机系统的设计方法，并且学生的应用能力也没有提高。传统的实践教学主要以验证性实验为基础，使学生熟悉单片机系统结构、汇编语言的使用、简单输入输出实验。而且，大量的验证性实验都是按照实验指导书完成，学生只要按照指导书上的步骤和方法，就可完成实验，这样使一部分学生动手与动脑的机会少，应付教学，对综合性和设计性的实验非常吃力。
3) 教学手段有待提高。单片机技术快速发展，单片机集成芯片日新月异，各种仿真软件大量涌现，单纯依靠板书教学以及“板书式”的多媒体教学不能很好地提高学生的学习兴趣，教学成果不明显。
4) 教师自身能力有待提高。单片机原理与应用是一门面向实际、具有很强实践性与综合性的课程。但目前开设该门课程的多数院校都是以年轻教师执教为主，缺乏对单片机进行系统开发的经验和工程实践经验，上课存在照本宣科的现象，这使得课堂教学效率不高。
2理论教学改革
2.1适当调整课程学时以顺应单片机技术的快速发展
结合单片机技术的发展与多年来单片机教学的经验，我们对我院5个专业的教学大纲与学时进行了修订。从原有的32学时调整为48学时，实践教学环节从4学时调整为8学时，并且加上了一个周的课程设计。学生在先修完微机原理及应用课程之后才开设单片机原理与应用课程，这样可以大大节约单片机内部结构、工作原理、汇编语言的教学学时，这部分的内容既可以类比微机原理又可以作为基础，使学生易于入门。经过修订，MCS-51单片机的硬件、指令系统压缩为10学时；单片机的扩展、接口电路与应用为12学时；其他类型的单片机原理及应用为8学时；单片机系统的开发调整为10学时；实践环节为8学时。
2.2以实际应用为主，培养学生学习兴趣
为了提高学生学习的积极性，一般在本门课程开始的时候，教师应系统地讲解单片机的发展、应用、重要性以及与本专业的关系，从而明确本课程的学习目标。特别是应用方面，教师可以给学生首先展示一块单片机的实物，以数字电路的观点来说明其实一块单片机就相当于大家都很熟悉的集成块，使学生建立学习的信心。另一方面教师可以通过演示一个对LED简单驱动的系统，让学生直观地感受一下单片机在生活中的应用，从而激发学生的学习兴趣。
在教学过程中，将理论与实践有机地结合起来的教学方法，优于先理论后实践的教学方法。在理论教学的过程中，可以大量穿插演示性实验，最好在每一部分的开始用演示性实验将学生引入门，在每一部分的结尾用验证性的实验来加深学生的印象。
2.3加强C51语言的教学
多年来，单片机的教学和单片机系统的开发，大多都以汇编语言作为开发工具，这是由于汇编语言具有代码紧凑、执行时间短、控制及时且易于记忆等优点。但是随着单片机技术的发展也出现了一些问题，主要表现在对硬件结构的过分依赖，不同类型的单片机汇编指令有所不同，而且程序比较繁琐，可移植性差等。与汇编相比，C语言在功能上、结构上、可读性和可维护性上有明显的优势，而且C语言有丰富的函数库，可以有效减少编程工作量，对单片机的硬件稍作了解即可进行系统开发，特别是C语言对寄存器的分配与寻址方式都是由编译系统自动完成，由此可见，将C语言引入单片机的教学是很有必要的。
在教学过程中，汇编语言与C语言并重。让学生能看懂汇编语言，可以用汇编语言完成简单程序的设计，但不要求完成复杂系统的程序设计，这样大大降低了学生学习的难度。同时，要求学生能够用C语言完成简单和复杂程序的设计，从对比中加深对汇编语言和C语言的理解。
3实践教学改革
3.1实验内容与类型的多样化
在单片机实践环节中，我们依托西南石油大学四川省重点实验室(测控技术与自动化)，合理分配验证型、综合型、设计型实验的比例以加深学生对单片机课程的理解。为了达到培养应用型人才的目标，我院根据学生的特点将验证型实验设置为4学时，综合型与设计型实验设置为4学时。与以往相比，加大了后者的比例。
除在本身的实验环节以外，我们还设置了开放性设计实验，即所有实验室全天免费为全校学生开放，并提供常用元器件。开放性实验主要由任课老师与教研室共同组织，实验室老师提供支持配合，学生可以利用课余时间到实验室完成整个设计，这样不但巩固了教学内容而且还使学生的技能水平大幅度提高。
在学期的最后，我们利用一周的时间进行单片机原理与应用的课程设计。在课程设计中，老师作为辅导的角色，学生作为主角。以测控技术与仪器专业2006级为例，该专业共68个学生，将整个专业的学生分为23个组，教师根据实验室的条件列出23个题目分配给每一个组。要求每组的3个同学各自分工进行查阅资料、硬件设计、软件编写等工作，在调动学生积极性的同时也锻炼了团队合作能力。
3.2结合电子设计竞赛，加强实践教学环节
我校从2003年开始，每年都参加各种电子设计竞赛，并且获得了比较优异的成绩。2个队获“全国大学生电子设计大赛”国家二等奖，5个队获省一等奖，9个队获二等奖，15个队获三等奖；1个队获“全国大学生挑战杯课外学术科技作品”国家优秀奖；获“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛全国二等奖等[3]。分析各种竞赛，很多控制类、数据采集类和信号发生类的题目都会涉及到单片机技术。为了在各种电子竞赛中取得好成绩，对单片机而言，学生可以在凌阳单片机开发系统、飞思卡尔单片机开发系统、周立功单片机开发系统以及自研的单片机开发板进行开发，在不断的锻炼中提升自身的专业技能。教师在其中扮演指导角色，这样既拓宽了教师的知识面，也达到了锻炼教师的目的，增强了其教学能力[4]。
3.3单片机仿真软件的应用
在实践环节可以引入Proteus仿真软件与Keil编译软件。Proteus仿真软件包含了国际通用的虚拟仪器与电子元器件库，可以完成对数字电路、模拟电路、单片机及其外围电路进行仿真[5]。Keil编译软件可以对汇编、C语言进行编译与调试。将Proteus仿真软件与Keil编译软件相结合，可以在计算机上调试和查看一个完整的单片机系统的运行结果。通过仿真软件模拟调试通过后再制作硬件系统，使系统建立更加可靠，节约资源。Proteus仿真软件与Keil编译软件极大地开拓了学生动手实践的时间和空间，降低了学习成本，提高了学习效果。
在实践过程中，可以要求学生借助于网络，特别是各种单片机论坛，从更多的渠道获得开发经验与技巧，拓宽知识面。同时引导学生查阅各种单片机的芯片资料，为单片机的选型和硬件电路的搭建奠定基础。
4加强师资建设
为了达到教书育人、为人师表的目的，我们要求单片机教学组的教师应具有合理和优化的知识结构、职称结构和年龄结构，当然必须是一只乐于奉献、积极向上、认真负责和互相帮助的教学团队。在提升教学质量方面，教学团队定期进行经验交流，要求年轻教师完成历届全国大学生电子竞赛所涉及到单片机的题目，同时参与指导学生参加各种电子竞赛。
5完善考核制度
由于我院在2007－2010年获得了中地共建资金的支持，实验设备大幅度增加，我们也增强了对学生动手能力的培养。单片机原理与应用课程的成绩评定主要由平时成绩(20%)，实验成绩(40%)，期末结业考试(40%)构成。平时成绩主要考察学生平时作业完成情况，增加了实验部分的比例，减少期末结业考试的比例，促使学生更加重视实践环节。在实验评定方面，主要考察学生平时实验的完成情况，特别是课程设计部分有无创新、特色、技巧等。最后期末结业考试基本覆盖整个教学内容。
6结语
实践证明，通过教改，我院学生的单片机应用能力得到了很大提高，参加各种电子竞赛的获奖率增加，学习热情高涨。由于我校为石油类高校，学生就业绝大多数在石油企业，但近几年每一年都有部分学生进入地方企业从事单片机开发。随着就业压力的加大，学好单片机可以为学生的理想择业增加砝码，拓宽就业面。
参考文献：
[1] 李建忠. 单片机原理与应用[M]. 2版. 西安:西安电子科技大学出版社,2008:12-25.
[2] 杨立林. 单片机原理与应用课程教学的实践与思考[J]. 江苏技术师范学院学报:自然科学版,2009,15(2):62-66.
[3] 顾亚雄,张禾,赖欣. 测控技术与仪器专业课程体系改革探索[J]. 实验技术与管理,2008,25(6):142-145.
[4] 杨明欣,郑郁正,赵建,等. 结合电子设计竞赛进行单片机课程改革[J]. 实验科学与技术,2007,5(4):94-97.
[5] 王贵恩,叶翠安. 单片机实训课程体系的改革与实践[J]. 广州交通职业技术学院学报,2005,14(4):100-103.
Reform and Practice of Microcontrollers Principle and Application
SHI Mingjiang, GU Yaxiong, ZHANG He
(School of Electronic Information Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 637001,China)
Abstract: In order to cultivate high-quality talents, attach importance to basic, improve the quality principle, the paper analyzes the microcontrollers’ principles and applications to summed up the problems. According to the characteristics of MCU, theory teaching, practical teaching, construction of teaching staff and examination system are described. It emphasized on application-oriented and adopt a variety of teaching methods to enhance student proficiency. Practice proves that reformed teaching methods had excellent efficiency and improved learning interest as well as creative ability was increased.
Key words: Single Chip Microcomputer; teaching; reform; practice
(编辑：姚彦如)