周冠玲

摘 要： 本文对当前单片机教学中存在的问题进行了分析， 对实践教学提出了行之有效的改革措施， 其中一项重要改革就是在 《2013版电气工程及其自动化专业教学计划》中， 增设了 “单片机实用技术实践” 课程。

本文针对单片机实践课程的教学内容进行了深入的剖析， 指出在单片机教学上不仅要重理论， 更应注重实践， 切实培养学生的动手能力、 应用能力和创新能力， 归根结底要扎扎实实培养学生的单片机系统的设计能力。

关键词： 单片机， 实践教学， 应用项目

单片机广泛应用在家用电器、 智能仪器仪表、 工业自动化、 自动控制、 通信、 国防技术尖端、 汽车电子设备等领域。 单片机课程是高等院校电子信息工程、 通信工程、自动化、 电气控制等专业学生的必修课。 通过本课程的学习， 要使学生掌握程序设计的基本方法和技巧， 培养学生对单片机简单应用系统的综合设计能力， 为后续课的学习和从事自动化系统及相关领域的实际工作打下坚实的基础。 因此搞好单片机课程的教学， 对培养学生解决实际问题的能力和创新能力具有重要的意义。

一、 单片机课程的特点及教学中存在的问题

单片机课程是一门综合性、 实践性、 应用性很强的课程， 课程内容复杂、 抽象。一般的单片机教学过程是这样安排的： 首先讲解单片机的硬件结构及工作原理， 然后用较大的篇幅讲解指令系统、 程序设计， 再接下来讲解中断及简单的接口技术， 最后才介绍单片机的简单应用。 这样的教学过程往往是将知识的讲解一教到底， 学生只有在课程学习的最后才能接触到单片机的简单应用系统。 在教学中我们发现， 相当一部分学生对大量的抽象概念、 繁杂的内容往往产生乏味、 畏难的情绪， 有一些学生在课程学习不到一半的时候， 甚至就失去了兴趣， 严重影响了教学效果。

另外， 单片机实践教学验证性实验较多， 综合性实验不足。 目前单片机实验大多都在实验箱上完成， 实验内容比较单一， 基本上是验证性或训练性实验， 这些实验电路固定， 学生只需连几根线、 编写简单的程序就可完成， 这大大限制了学生动手能力的训练， 更不利于学生综合应用知识能力和创新能力的培养。

还有， 两周的课程设计是单片机主要的实践环节， 其内容是设计一个电子闹钟，电路板是现成的， 学生的主要任务就是软件编程。 此课设虽然是一个比较综合的实践项目， 但学生在学习的最后依然对单片机产品的开发过程和设计方法缺乏完整的了解，依然不具有单片机系统的综合设计能力。

二、 单片机实践教学改革的措施

针对上述单片机实践教学中存在的问题， 我们在2013版教学计划中对单片机的实践教学进行了重要的改革， 其措施就是增设 “单片机实用技术实践” 课程， 本实践课共两周。 本课程将通过10个典型的单片机应用项目训练， 使学生在实践中逐步掌握单片机开发过程中用到的软硬件技术， 从而切实达到把单片机知识融会贯通， 提高学生解决实际问题的能力。 目前我们正在研究和研制这10个综合性实践项目， 为2013版教学计划的实施做好充分的准备。

这10个典型的单片机应用项目是点阵LED显示屏的设计、 LCD电子广告屏的设计、 数字电压表的设计、 红外遥控器的设计、 直流电机控制器的设计、 智能倒车雷达的设计、 公交车报站系统的设计、 智能家居环境监测系统的设计、 电话远程控制家用电器系统的设计、 无线数字收音机的设计。

在教学时， 不同专业方向的学生可选择不同的实践项目， 这些项目可以在Proteus上进行虚拟仿真设计， 也可以制作真实电路板让学生真刀实枪地来设计和调试。 学生通过这些实际项目可以在硬件设计、 制版、 焊接、 软件编程、 调试等方面得到全方位的训练， 由此可以让学生进一步掌握单片机应用系统常用硬件电路的设计方法及软件编程技巧， 让学生熟悉单片机产品完整的开发过程和开发方法， 有效地培养学生单片机系统的综合设计能力。

上述10个项目可以制作成一个个独立的电路板， 学生在实践周通过自己的设计要实现电路板的基本功能， 能力强的学生还可对其功能进行扩展。 也可以将10个项目集成到一块电路板， 这样学生可以根据自己的兴趣选择不同的模块进行设计， 也可以通过不同模块的相互组合， 设计成较为复杂的应用系统。

不论是具有独立功能的电路板还是综合性电路板都带有与主机通信的USB接口，这样在主机上可利用串口在线下载程序对电路板进行调试， 使得学生只要有一台电脑和一根串行下载线， 就可以到课堂外进行训练， 这大大扩展了学生研究和训练的时间和空间， 而不必受到实践场所的限制， 给实践活动带来了很大的灵活性， 同时也可以增加学生的主观能动性。

由此看来， 单片机的综合性实践项目不仅适用于课堂教学， 还可以作为课外拓展学生能力的重要活动内容。 通过这些项目的训练， 可以让学生切身体会到单片机强大的控制功能及应用的广泛性， 由此提高学生学习单片机的兴趣。

三、 对典型应用项目内容的研究

“单片机实用技术实践” 两周的实践课， 是在学生学习了 “微机原理与接口技术”课程后， 为进一步提高学生单片机应用系统设计能力而开设的， 课程的目标是让学生在实践中逐步学习和掌握单片机系统开发过程中用到的软硬件技术， 使其通过对单片机应用系统的设计、 制作和调试一系列过程的训练， 提高学生的动手能力和实践能力。

1.Proteus仿真软件和Keil开发软件的引入

为了在较短的时间内能将基本知识和应用实例立体化地呈现给学生， 本课程的首要任务是让学生先熟悉单片机仿真软件Proteus的使用， 使他们能够在Proteus上进行虚拟仿真设计和调试， 另外让学生学会使用Keil C51软件， 以进行简单的C语言软件开发。

在单片机实践教学中引入Proteus， 不但可以利用该软件提供的丰富元件库， 使元器件虚拟化， 更易于学生理解系统硬件组成， 而且可以把编译好的程序代码装入仿真元件中， 通过运行仿真系统可以像焊接好的电路板一样看到系统的执行效果， 使抽象程序具体化。

为了缩短产品研发周期， 实际的单片机应用系统大多利用C语言开发， 因此提高学生使用Keil C51软件进行C语言的开发能力也是本课程的重点。 通过在Keil中编译，把生成的.HEX文件加载到Proteus电路中的单片机上， 学生便可看到真正单片机系统的运行结果。 因此， 学会使用Proteus仿真软件和Keil开发软件可以让学生走出实验室， 在家里或宿舍随时随地地学习单片机。

针对Proteus仿真软件和Keil开发软件的学习， 设置了三个实践项目， 另外还有两个备选项目。

（1） 三个实践项目

项目一： 单片机的仿真技术 （4学时）

【教学内容】 教师首先介绍单片机产品的开发设计过程， 其次介绍Proteus软件的基本使用方法， 并通过简单的实例来介绍电路原理图的仿真设计， 再用编好的软件讲解仿真调试的步骤和方法。 此部分内容采用8位LED显示实例进行教学， 教师在实验室边讲解边指导学生操作。

项目二： Keil C51软件的使用及C语言编程 （4学时）

【教学内容】 教师讲解Keil C51软件的基本使用方法， 介绍C51程序设计基本语法规范， 讲解用C51编写简单程序的方法和技巧。 此部分内容采用简易交通灯仿真实例进行教学， 教师在实验室边讲解边指导学生操作。

项目三： 点阵LED显示屏的仿真设计 （8学时）

【教学内容】 让学生进一步掌握Proteus仿真软件和Keil C51软件的使用及C51简单程序设计， 要学会电路原理图的仿真设计及LED显示屏动态扫描的显示方法。 此部分内容在教师指导下由学生独立完成。

（2） 两个备选项目(www.daowen.com)

项目一： LCD电子广告屏的仿真设计

项目二： 数字电压表的仿真设计

2. 典型应用项目的内容安排

本课程通过典型单片机应用项目的训练， 可以使学生在实践中逐步掌握单片机开发过程中用到的软硬件技术， 以提高学生的实际设计能力。 此部分内容设置了两个实践项目， 另外还有与其对应的四个备选项目， 学生可以根据自己的兴趣和能力进行选择。

项目一： 直流电机控制器的设计 （16学时）

【教学内容】 由单片机输出脉宽调制PWM信号来控制直流电机的转速， 要求能改变电机旋转方向， 能用光电传感器检测电机转速， 并显示之。

此项目的硬件设计在教师指导下完成， 焊接、 软件编程、 调试由学生独立完成。

两个对应的备选项目是智能倒车雷达系统的设计和公交车报站系统的设计。

项目二： 智能家居环境监测系统的设计 （16学时）

【教学内容】 学会烟雾、 温度、 湿度传感器的应用， 实现单片机对家居的烟雾、 温度、 湿度信号进行采集和处理， 达到对家居环境实时监控的目的。

此项目的硬件设计在教师指导下完成， 焊接、 软件编程、 调试由学生独立完成。

两个对应的备选项目是电话远程控制家用电器系统的设计和无线数字收音机系统的设计。

四、 单片机实践教学方法的研究

1. 以教师为主导， 以学生为主体

在实践过程中， 要以教师为主导， 以学生为主体， 要充分发挥学生的主观能动性，积极引导学生去发现问题、 分析问题、 解决问题。

在实践当中， 教师要提醒学生实践项目的每一部分内容都可用不同的方法实现，要启发同学主动去分析、 比较每种方法的优缺点， 让同学在有限的时间内尽量多动手、多思考。 比如， 单片机和外设传输数据时， 可以采用中断方式， 也可以采用查询方式；延时可以用软件实现也可以用硬件实现； 数据的显示可以采用共阴极的LED， 也可以采用共阳极的LED等。 对于这些， 要求学生都能灵活运用不同的编程方法实现。

2. 灵活组合， 因材施教

任课教师应根据学生的具体情况做到对教学内容由简单到复杂逐渐过渡， 实践项目除了必选项目外， 还有6个备选项目， 学生可以根据兴趣和能力灵活选择， 以求在教学中做到因材施教。

3. 集中和开放适度结合

在仅仅两周之内要完成3～4个综合项目的训练， 时间非常紧张， 所以在实验室内进行的集中实践要加强管理， 制订严格的计划和时间表， 以提高效率。 除此之外要适度增加开放的时间， 鼓励学生走出实验室， 充分利用课余时间进行设计和调试。 这种集中和开放适度结合的方式， 不仅能够发挥学生的灵活性和主动性， 还可以突破时间的约束。

4. 既见树木又见森林， 案例教学贯穿始终

前边提到， 单片机教学往往是将知识的讲解一教到底， 学生只有在课程学习的最后才能接触到单片机的简单应用系统， 这种只见树木不见森林的教学方法非常不利于学生综合实践能力的培养。

为改变单片机教学的弊端， 就要改变以往的教学内容和方法， 案例教学要贯穿始终。 在教学的第一堂课就要向学生展示及概略讲解10个典型项目的应用， 让学生一下就看到森林， 以此提升他们的学习兴趣。 在单片机基础教学的过程中尽量采用案例教学的方式， 各个知识点中用到的例子要突破书本的局制， 尽量围绕10个应用项目的内容来讲解。 基础性实验内容也要加以改变， 以前在实验箱上做的验证性实验， 如定时器、 并口、 串口、 中断等实验， 都可以从10个典型项目中提取出来作为实验内容。 案例教学贯穿始终会把理论联系实际做到实处， 会切实加强学生综合应用知识的能力。

总之， 单片机课程所涉及的内容丰富、 理论抽象、 实践性强， 在教学过程中我们深深体会到： 应该不断地更新教学内容， 改进教学方法， 合理安排教学过程中的每一个环节， 尤其是实践环节。 单片机教学重基础更应重应用， 只有如此才能培养出具有专业知识、 具备实践能力、 符合社会需要的技术人才。

参考文献

［1］ 张毅刚. 单片机原理及应用 ［M］. 北京： 高等教育出版社，2007.

［2］ 张毅刚. 基于Proteus的单片机课程的基础实验与课程设计 ［M］. 北京： 人民邮电出版社，2012.

［3］ 李生明， 杨红.Proteus软件在学习单片机中的应用 ［J］. 清远职业技术学院学报，2010 （6）：40-42.

［4］ 宋戈， 黄鹤松， 员玉良， 蒋海峰.51单片机应用开发范例大全 （第2版） ［M］. 北京： 人民邮电出版社，2012.

［5］ 杨居义. 单片机课程设计指导 ［M］. 北京： 清华大学出版社，2009.