单片机课程实践与理论教学的深入分析与改革应用

段凌飞 黄健全 张宏桥

湘南学院电子信息与电气工程学院 湖南郴州 423000

随着我国网络技术、信息技术、芯片技术等的迅猛发展，现如今大部分设备都采用了单片机进行嵌入式系统设计，设备中高新技术使用越来越多，面对发展快速的知识与技能，传统单片机原理及应用课程教学知识体系已相形见绌。目前许多高校也在进行本课程教学改革，如项目式教学、仿真教学[1,2]等，其主导思想是增强实践在教学过程中的比重，提高学生的创新创业动手能力，但在教学内容、教学设备上鲜有改变，许多知识已经脱离当前技术发展。

1 单片机课程教学现状

1.1 技术落后、教程老旧

单片机技术是智能化、自动化设备的核心，而较多高校对单片机讲授知识依旧停留在20世纪90年代51架构技术上，内容与当前科技发展严重脱节，实验箱陈旧、结构复杂，以往“很复杂”的实验如AD转换、PWM信号产生、DA转换、常用总线接口等采用当前较先进单片机处理器而变得简单。一些实用技术如USB接口、无刷电机驱动、矢量PWM、CAN通讯、摄像头、彩色显示器、网路通讯等实验项目在传统的51架构单片机上难以进行。

1.2 传统教学方法落后

在传统教学中，理论教学与实践教学通常是主辅关系，理论重于实践。虽然目前许多高校提出增加实践教学课时、减少理论课时的建议，但由于教学方式落后，收效甚微，依旧按照教材目录的先后顺序进行，从芯片发展、硬件结构原理及指令系统到汇编语言程序设计方法，最后进行端口、中断系统、定时/计数器、串口技术等应用讲解。导致学生在上了大部分课程后，还未见到单片机的真面目[3]。一门应用技能型课程变得抽象，学生对所学知识觉得枯燥、乏味。

1.3 与专业知识缺乏联系

在众多专业理论课结束后，较多学生对所学知识感到空乏无力，理论与实践缺乏联系。单片机作为电子信息、电气工程、自动化等工科专业必修课是理论连通实践很好的桥梁[4]，可将数学、电路技术、信号与系统、电力电子技术、自动控制、计算机控制、嵌入式系统、网络通讯、机器人技术等理论知识变成可视的现象、作品或设备，让学生更好地理解理论如何应用于实践。

1.4 教学对象不断变化

学生常常会说“我们知道我们是被教过的最差的一届”，许多教师在教学过程中会感受到“学生一届不如一届”，其实这是社会发展的必然结果[5]。随着科技、社会文化、经济的发展、网络知识大爆炸、通讯工具的转变，使得教学对象也在不断变化，典型如学生上课玩手机、学生交流互动差等。

2 教学内容的改革

2.1 教材的改革—选择合适的单片机处理器

单片机课程教材选用的处理器要符合当前技术发展，同时兼顾学生的知识基础。目前单片机处理器适合初级阶段学习的有STM32F1系列处理器、TI的MSP430系列处理器、ATMEL的AVR系列处理器等，其性能比较如表1所示。STM32F1系列处理器属于32位处理器，其功能强大、资源丰富，但是结构复杂，知识面大，需要太多新的专业技术可能导致没有单片机基础知识的学生产生畏难情绪且完整的学习对课时要求较多。TI的MSP430系列处理器属于16位精简指令系统处理器，作为低功耗产品设计的代表，同样具有开发难度较大的特点。相比之下，ATMEL的AVR系列处理器属于高性能，低功耗的8位精简指令处理器，是采用哈佛结构、精简指令集的高速8位单片机，在市场上占有率比较高，其内部资源丰富，开发容易，适合于教学[6]。结合目前技术的发展，本教学过程采用AVR系列中的ATMEGA16处理器教材进行教学。

表1 目前常用处理器的性能比对(选取系列中相似一款比较)

2.2 教学手段的改革—仿真与实物演示相结合

近年来，采用课堂仿真和课本结合的项目式教学方式越来越多，其优点在于课堂讲解知识能方便地呈现给学生，大部分项目可通过仿真完成。仿真教学过程中程序下载和运行得益于计算机模拟，实现得非常容易。但它同时具备一些缺陷，如硬件时钟无需配置、无复位电路也可正常运行；数码管、点阵、液晶等器件同实物差别较大；对涉及运动机构反馈、温湿度测试等无法仿真实践过程；通讯仿真差，串行接口仿真缺乏物理链路操作，红外通讯、USB、网络、CAN、SD卡项目等无法进行。

结合仿真的优点，采用仿真与实物演示相结合的方式教学，在项目仿真后，有对应实物演示过程，让学生了解实践操作过程同仿真的区别，更好地取长补短。对于仿真无法进行的项目，还可采用纯硬件进行。

2.3 教学安排的改革—设计迎合学生、理论贯穿于实践、多课程知识融合项目

本课程为技能型课程，可以很直观地将学习内容可视化地展现给学生，趣味性浓，但需要学生不断实践才能掌握。课程的安排采用理论贯穿实践的项目式教学，学生实践占据整个课程课时的四分之三以上。针对学生群体的特点，课程可通过展示水立方LED阵列、循迹小车、平衡车、倒立摆、MP3播放器等可视性强、趣味性高、学生容易理解的作品，让其感受到科技感和趣味感，进而通过由简单到复杂的项目一步步实现，将单片机原理及结构理论学习穿插其中。

进行专业多课程知识融合项目设计，更好地理解单片机应用。如学习定时器的定时、PWM技术、脉冲捕获时，设计电子琴、直流电机调速项目；学习ADC转换时设计开关稳压电源项目；学习IIC总线通讯时设计EEPROM数据存储、六轴陀螺仪传感器应用项目；学习串口通讯时，设计计算机远程控制项目和GSM/GPRS无线通讯项目等。项目涉及电力电子技术、计算机控制技术、自控原理控制算法、信号与系统的信号处理、高等数学的比例积分微分、模拟电子技术的信号处理、通讯原理的无线通讯技术等知识。

2.4 实验设备的改革—灵活方便地自制设备，增加学生参与度和设计感

传统的实验设备一个试验箱上集成了许多模块，端口重复使用使得系统结构原理复杂，学生理解难度大。实验过程中，往往只按照实验指导书的接线说明接线，没有参与和设计。为了更好地让学生理解单片机系统的设计过程，提高参与性，根据课程项目安排对实验设备进行重新设计，将实验设备分为核心板、初级实验板、高级实验板3个部分，实验工具包含USB转串口、下载器或调试器、AC/DC电源等。核心板处理器所有端口采用2.54 mm排针引出，将通过杜邦线与实验板连接(如图1所示)。实验板采用分立模化设计，兼容5 V和3.3 V供电系统。初级实验板包括流水灯、交通灯、数码管显示、点阵显示、步进电机驱动、继电器控制、LCD显示、按键、PWM电机调速、PWM音乐播放、IIC通讯、AD电压采集、DA输出、红外接收等实验模块，涵盖所有单片机课程的基础实验。高级实验板则具有USB、网络、SD卡、RS485通讯、CAN通讯、PS2通讯、MP3解码、Zigbee通讯、WIFI、2.4G、GSM/GPRS通讯等实验模块，可以提供学生进一步学习使用。所有实验需要学生自行分配端口和采用杜邦线连接核心板与实验板对应实验模块，充分让学生参与设计，理解所做实验的原理和外设与单片机之间的连接方式。同时，根据教学需求更换处理器时，实验板依旧可以使用，无需重新设计或购买新的实验设备。

图1 核心板和基础实验板

3 实施过程与效果

上述的教学改革办法采取小班制改革试点后进行推广。2012年至2014年间，从我院每届新生抽取一个班作为教学改革试点。实施后与其他班级比较发现，学生在单片机学习过程中，表现出非常好的学习兴趣，主动参与积极性提高，一大部分学生可以在课程完成后自发地学习ARM、嵌入式等技术，并在使用新的处理器过程中，能快速入门和使用。结合改革试点班级学生的反馈，从2015年至今，在不断完善修改教学的项目和内容后，在我院所有单片机课程教学班级进行推广。通过调查发现，从以前教学实施过程越来越难变成对上课的内容不断往后延伸，学生学习主动性得到提高。采用单片机进行课程设计和毕业设计有显著增加，部分学生能自行设计循迹小车、倒立摆、平衡小车、开关电源等较复杂作品，能进行软件的快速傅里叶变换、矩阵变换、数字滤波、PID、模糊控制等算法的编写，对专业课程的实践运用理解更为深刻。图2为对我院某届所有学生243人进行调查的结果。

图2 单片机教改学习效果调查

同时，本课程的改革对各种竞赛也有一定的影响，从2012年至今，在大范围推广后，我院学生采用单片机进行的大学生各种竞赛、项目设计、专利申请有明显提高，其效果见表2所示。

表2 教改后学生采用单片机进行的竞赛、项目及专利成果表

表2 (续)

4 结语

2015年国务院办公厅印发的《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》指出：要健全创新创业教育课程体系，创新人才培养机制，强化创新创业实践，加强教师创新创业教育教学能力建设，改革教学方法和考核方式，完善政策保障体系[7]。通过对单片机教学内容、教学方式、教学设备的改革，经过多次调整与设计，不仅让学生接触到前沿科学技术，培养了学生自我学习、自我提高的能力，也将各种专业知识进行了很好的连接，为更好地培养具有创新创业实践能力的学生提供帮助。在教学改革过程中，教师教学项目设计过程中对先进技术的了解提高了教师的专业素养，加强了教师创新创业教学能力，为将来教学不断改革提供了有利条件，为“双一流”高校建设添砖加瓦。