单片机课程教学改革初探

胡晓毅，解永军

（厦门大学信息科学与技术学院电子信息实验中心，厦门　361005）

单片机课程教学改革初探

胡晓毅，解永军

（厦门大学信息科学与技术学院电子信息实验中心，厦门361005）

0　引言

单片机（Microcontrollers）即单片微型计算机，也称微控制器。它是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等微型计算机的功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。单片机技术的出现促使了电子信息系统设计从传统的纯电子电路设计思想到以处理器为核心的智能化系统设计的变革。它已然是当今智能电子通信系统的核心灵魂部件。单片机技术的特点也决定了单片机课程在电子信息学科本科教学课程设置中的必要性和重要性。

随着半导体集成技术以及工艺的不断发展，单片机向着大容量、高性能和外围电路集成化方向发展，目前，单片机已把众多的外围电路模块全部集成在单片机，形成单片机的片上系统（SoC）。这就促使单片机课程必须顺应单片机技术的发展，进行有效的课程内容和实验方法改革，以便培养面向社会应用和人才市场的合格电子信息本科毕业生。

1　单片机教学课程定位和目标

从技术特点上看，单片机技术是高级嵌入式电子信息系统设计开发的基础。单片机与嵌入式技术应用系统的相互补充，相互协调，可以研制出满足各种不同层次需要的电子通信系统设备。单片机技术的特点决定着单片机课程担当着培养学生如何将知识应用于实际，如何设计出可实用的智能电子通信系统的重要角色。因此，单片机课程是一门技术应用类课程，它具有很强的工程应用背景，是一门以动手实验为主，以驱动学生自主学习，积极思维，创新设计为主体的实践类课程。它是高校电子信息专业面向社会应用，面向市场，培养工程技术人员的重要实践环节。因而，单片机类课程在本科教学中占有非常重要的地位。

电子通信类本科专业课程的设置，一般分为以学习理论知识为导向和以解决工程实践问题为导向的教学计划。课程的设置和大学的教学定位和教学目标紧密联系的。厦门大学的电子通信专业的培养目标之一就是要培养适合社会发展的多层次的复合型人才。也就是说我们教师在课程设置和安排上既要考虑到精英教育，为研究型大学输送学术研究人才，同时又要兼顾大众教育，要考虑到信息社会的发展对技术和人才市场的需求，能及时为社会输送合格的专业人才。对于单片机课程来讲，我们的目标是同时兼顾大众教育和精英教育，努力完成以下两个方面的目标任务：①以全面提高本科教学质量为己任，夯实学生的基本技能和动手实践能力。通过改进教学方法，通过课堂学生为主角，教师为配角的主配角关系变化，教师积极激发学生多提问题，多动手实践，以实现提高学生分析问题、解决问题的能力为目标。②以引领学生的实践积极性为导向，通过实验项目设计与师生间的交流等发现和培养具有创新意识、动手能力强的学生，为本科的大学生创新项目实践和各类大学生竞赛项目输送优质人才。③通过课程的改革，教学相长，提高教师的业务素质和教学能力。

2　现状

单片机由于自身的技术优势，能快速地开发并形成低功耗、小型化电子信息的商业化产品。因而，众多器件厂家也根据不用的产品应用领域和场合，开发生产了不同型号和资源的系列单片机，方便用户选择合适的单片机，从而最大化获取产品效益。

单片机经历从8位单片、16位单片机发展成为32位单片机的演变过。现在新型的单片机已经改变了原来单片机微型计算机的概念，它已然成为单片机片上系统（SoC）。设计人员只需要外接传感器电路、键盘显示模块以及后级驱动组件，就可形成一个完整的电子通信的智能产品。因此，而传统的单片机硬件接口电路的设计已经被弱化，如何合理高效的配置编程单片机的各内部资源，从而形成合理可靠的单片机应用系统已变为单片机系统设计的一个重点之一。

如前所述，单片机课程是实践性很强的课程，实验平台和实验项目决定了课程的教学效果。目前，单片机实验室的实验箱是2006年度修购计划根据当时单片机的技术特点定制的（见图1）。主要使用的单片机为8位的C51系列的单片机和16位的PIC系列双单片机实验平台。从所开设的实验项目内容上和硬件接口资源上能够满足单片机课程的基本软硬件实验的教学要求，达到帮助学生建立单片机技术开发应用的概念和组成各种简单的单片机系统。但其设计的理念已经落后于当今单片机技术的发展。这些硬件接口模块如简单I/O口，8255，8155，8279，ADC0809，DAC0832等这些并行接口模块已经被市场淘汰了，学生做了也几乎没有用处。一些功能强大的A/D，D/A模块也已经由单片机器件厂家集成在单片机中。因此，原有单片机实验箱的接口模块陈旧，很难满足单片机课程和技术发展的实验要求。

图1　

图2　

3　单片机课程改革思路方案

3.1教学方法的改革

以引发学生兴趣为切入点，努力激发学生的学习动手实践的积极性，唤醒学生的求知欲望。按照项目设计管理的方法，从实验教学的三个环节（实验前，实验中和实验后）进行改革。通过教学改革，期望在师生的共同努力下，教师能够用“授人以鱼不如授人以渔”的思路，改进教学方法，能够引领学生主动探求知识。学生能够获得电子系统设计的能力提高和科学研究思路方法的培养。

为此，我们首先考虑改变课堂角色，将以教师为主角的实验课堂，转换为学生是实验的主人，改进教学方法。作为配角，教师积极激发学生多提问题，多动手实践，以实现提高学生分析问题、解决问题的能力为目标。学生能够获得电子系统设计的能力提高和科学研究思路方法的培养。

实验前：逐步通过与实验内容相关的实物样品展示激发学生的兴趣，引导学生主动做好实验前的理论和实验设计的准备工作。

实验中：教师通过以项目为导向的实验内容的设计，诱导学生积极思考，采用提问启发式的方法，激发学生动手实践的主观能动性。帮助学生将抽象的理论概念落实应用到具体的实验中，掌握电子信息系统设计和调试的方法；帮助学生能够不断地思考问题，学会提出问题，鼓励学生主动找教师讨论问题，为创新思维打下基础。

实验后：以小论文的形式替换以往的实验报告。教师启发引导学生进行知识的提炼、总结以及应用前景的思考，进一步激发学生思考能力的主动性。鼓励学生上讲台演讲自己的项目论文，加深学生对科学研究的认识和培养。

3.2实验内容项目的开发

为达到课程改革的目标，实验内容的开发包括：

（1）实验课前实物演示实验：由实验相关的教师开发具有与本次实验内容相关的小应用系统实物演示实验；让学生初步体会到学以致用的乐趣，激发学生进行实验准备和设计的积极性。

（2）学生实验内容项目开发：

①基本接口实验（30%）：目的是为了帮助学生掌握单片机各个基本资源模块的编程配置和使用方法。主要包括单片机各基本资源的使用：如：基本输入/输出口、定时器、中断系统、串行通信口、A/D和D/A转换器的编程设计方法。每个单元接口实验中，根据特点，结合实际电子应用系统设计渐次性的实验内容，包括基本实验和提高实验两个部分。教师帮助学生选择适合自身条件和能力的实验项目，以此让每个学生能够学生能够掌握硬件接口设计和软件的设计的基本思路方法、调试方法和设计要领，为后续的系统实验打下良好的基础。

②应用系统设计型（70%）：结合流行的新型外部接口模块的特点，设计不同要求和不同难度的应用系统设计型实验。可由学生自由选择，进行系统设计方案的论证，经过和教师讨论确认后，分阶段进行设计实验的设计调试。

（3）学生实验报告的完成：实验报告改传统实验报告为项目总结小论文格式形式。最大化提高学生的提炼知识，探索思维的能力，培养学生的科学研究的素养。

（4）教师辅导：为提高教学相长，相互促进，教师辅导采用项目负责制的形式，按照系统实验的各个项目对学生进行辅导。

3.3实验硬件平台设计

根据单片机技术的特点：门类繁多，各有优势，从学生系统设计、创新设计出发，实验平台设计具有多样性和灵活性。根据目前单片机集成度高，内部资源丰富的特点，根据目前单片机集成度高，内部资源丰富的特点，拟采用如下实验平台两级积木式模块搭建架构。

基本单元实验模块。这部分主要是由32位单片机的核心开发板以及基本外设构成。为了解决经费缺乏的问题，我们与器件公司积极合作，借助各公司的大学教育计划。例如我们和德州仪器TI公司的大学计划合作项目。由TI公司赠送我们近百套的32位单片机的口袋实验板（见图2），利用该实验板的资源满足学生的基本实验要求。除此之外，学生还可以将口袋实验板带宿舍，利用课余时间进行开发实验。

单片机外部接口模块：这部分为此次平台设计开发的核心之一。此部分为根据技术的发展和应用系统需要，由实验教师开发完成构成标准的接口底板和模块。这部分能够保证各个外部接口模块方便与口袋实验板和各个新型功能的功能模块连接。学生可以根据需要自由组合接口资源，完成单片机系统设计的目标任务。

3.4课程考核

课程考核主要评价学生学习和教师教学的效果。为了提高促进学生的学习积极性，我们的考核采用两种机制：1、对于满足教学大纲要求为目标的学生，我们采用实验考试制度。通过现场抽题，在限定的时间内完成实验内容，分步打分的方法。2、针对部分学生对单片机课程有浓厚兴趣的特点，我们采用由学生自行独立完成单片机应用系统设计的考核方法。首先由学生提交系统设计方案，经教师核准后，由学生在课内和课外时间进行系统方案的设计调试。最后结果由教师考核提问。经实践检验，这种考核机制能够满足不同层次同学的要求，有利于激发学生的学习兴趣。

4　结语

与2015年初我们已经开始着手根据此改革思路开始逐渐试行。本学期（2015～2016年第一学期）我们开始采用TI的基于Tiva C系列Cortex-M4微控制器为教学实验平台。在TI公司的支持下，我们给选修的学生每人发一套实验板，有学生自己保管。从目前的情况看，学生已经显示出很大的兴趣，不少学生出了完成基本实验外，还积极在课外完成提高部分的实验。相信随着我们师生的的不断努力学习和配合，经过两轮的单片机实验课的教学，学生的动手能力可以获得较大的提高，学习主动性和积极性也会大大提高。

［1］用于C系列的TivaWare.http://www.ti.com.cn/tool/cn/SW-TM4C

［2］Tiva C Series TM4C123G LaunchPad（EK-TM4C123GXL）.http://www.ti.com/ww/en/launchpad/launchpads-connected-ek-tm4c123gxl. html#project0

Microcontrollers（MCU）；Teaching Reformation；Practice Ability

Teaching Reformation of MCU Course

HU Xiao-yi，XIE Yong-jun

（The Teaching Experiment Center，School of Science and Technology，Xiamen University，Xiamen 361005）

1007-1423（2015）34-0018-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.005

胡晓毅（1966-），女，陕西西安人，硕士，教授级高级工程师，研究方向为水声通信、单片机与嵌入式系统设计

2015-11-04

2015-11-16

随着单片机技术的发展，迫使单片机课程必须进行教学改革。从单片机在本科教学中的课程定位和目标出发，阐述单片机教学改革的思路和方法。通过教学改革，期望提高学生的学习积极性和动手实践的能力。

单片机；教学改革；实践能力

解永军（1978-），男，山东日照人，硕士，高级工程师，研究方向为水声通信、单片机与嵌入式系统设计

With the development of microcontroller，it is necessary for the teaching reformation of MCU course.Based on the course orientation and aim，discusses the idea and methods of MCU course reformation.Through the reformation，improves the students’learning enthusiasm and practical ability.