李濟生

北京交通大學計算機信息技術學院 北京 100044

單片機原理是一門重要的專業(yè)選修課程，長期以來，該課程主要以MCS51單片機為對象開展教學。隨著單片機技術的發(fā)展，新型單片機不斷涌現，逐步改變了人們對單片機的選用方法。單片機原理課程具有很強的理論性和實踐性，而現在的教學仍然沿用以前的教學模式，即將整個教學過程分為理論教學與實驗教學，這種人為地割裂教學過程的教學模式已經不能適應現代教學的需要，尤其不適應創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。本文針對單片機原理課程存在的問題進行了大膽改革，實踐證明改革效果良好。

1 課程教學的現狀和存在的問題

1.1 課程教學現狀

我校單片機原理課程多年來都是以MCS51為對象展開教學和實踐活動，雖然我們對課程進行了很多教學改革和嘗試，但從學生選課的人數和學生在課堂上的表現來看效果并不理想。特別是學生前期已經學過了匯編與接口技術課程，他們感覺這兩門課程沒有本質的差別，兩者都是使用匯編語言，接口也極為相似。因此，在理論教學中學生往往沒有興趣，做自己的事情，甚至逃課。這嚴重影響了教師的情緒，他們沒有更多的興趣和更多的精力投入到這門課程的教學工作中來，造成教學效果不佳。

另外，實驗設備的相對老化和落后也對課程的教學產生了很大的影響。如果再購置新的基于MCS51單片機的實驗平臺來替代部分舊的設備，雖然可以解決實驗平臺老化的問題，但是不利于促進課程的改革。

1.2 理論教學與實踐教學相對脫節(jié)

單片機原理課程具有很強的理論性和實踐性，但是現在的教學方式是沿用以前的教學模式，即將整個教學過程分為理論教學與實驗教學，兩者在時間上和空間上完全隔離開。這就造成理論課上學生感覺枯燥乏味，實驗課上又無從下手，這種人為地割裂教學過程的教學模式已經不能適應現代教學的需要。對于這種實踐性很強的課程能否尋找一種創(chuàng)新的教學模式，使理論教學與實踐教學進行無縫連接，是擺在任課教師面前的一個重要課題。

2 課程教學改革

2.1 教學內容要與時俱進

在淘汰舊的MCS51實驗平臺和更換新的實驗平臺之際，結合目前單片機技術的發(fā)展現狀，我們對單片機原理課程的內容進行了重新探討和定位。首先，明確單片機原理課程在培養(yǎng)方案中的地位和作用、教學目標和專業(yè)能力要求；其次，強調課程設計與時俱進，要將目前最先進的單片機技術引入到課堂教學中來。通過評估，我們將STM32單片機作為課程的首選教學對象。從我院硬件系列課程設置來講，前期的接口技術課程采用匯編語言編程并涉及對接口中的寄存器操作，而STM32單片機課程強調利用STM32的固件庫和使用C語言編程。另外，STM32中還包含了I2C，SPI，CAN和看門狗等前期課程沒有遇到的接口，且STM32中有關定時器、串口、AD轉換器的介紹要比以前學過的內容豐富得多。這樣不僅可以使課程內容與時俱進，與前期課程形成相互補充和提高的關系，同時也為后期選修嵌入式技術課程打下良好的基礎。在明確課程改革目標之后，我們對單片機原理課程進行了重新規(guī)劃，其內容包括：STM32F10X系統(tǒng)及其架構、電源控制與時鐘系統(tǒng)、通用和復用IO功能、中斷和事件、DMA控制器、實時時鐘RTC、獨立看門狗和窗口看門狗、通用定時器TIMx、控制器局域網(bxCAN)、I2C接口、SPI接口、USART接口、模擬數字轉換器(ADC)等。對課程重新規(guī)劃后，學生不僅能接觸到最新的單片機技術，而且能掌握STM32的使用和編程方法與技巧。

2.2 建立一種理論教學與實踐教學無縫連接的教學模式

針對傳統(tǒng)教學模式的弊端[1]和該課程的特點，我們對課堂理論教學和實驗教學進行了大膽的改革。嘗試把課堂理論教學搬到實驗室，使理論教學與實踐教學融為一體，并做到了無縫連接。這就使理論教學和實踐教學相互滲透和相互融合，大大強化了課程的教學效率。通過采用這種教學模式，很多難以理解的接口問題可以通過現場的實驗演示和學生親自動手實踐來解決，學生感覺到理解接口的基本概念、工作原理和編程方法容易多了。這種在實踐中學習和在學習中實踐的過程，打破了理論教室和實驗室分離的傳統(tǒng)教學環(huán)境，建立了理論與實踐合為一體的全新的教學模式[2]。這種模式將“教師講、學生聽”的被動方式變?yōu)榱藢W生全程參與的主動教學方式。通過把教學內容、實驗演示和實驗內容巧妙的結合，使教學內容更加充實，也使教學活動更加生動。

2.3 注重培養(yǎng)學生的興趣和熱情

“興趣”是最好的老師[3]和最好的學習動力，只有讓學生有了興趣，才能使他們更好地完成課程的教學內容。課堂演示實驗的設計是提高學生“興趣”的關鍵，只有設計出一個個生動有趣的實驗現象才能激發(fā)學生的興趣。為此，我們在設計實驗現象上動了很多腦筋。結合實驗平臺的資源，我們充分利用LED指示燈、按鍵開關、數碼管、LCD等資源展現實驗現象。學生可以在自己的實驗平臺上對實驗進行演示，看到期望的效果。為了改變現有接口的工作方式，要求學生在課堂上完成不同功能的實驗設計，并用正確的實驗現象展現出來。這種以實驗演示為基礎，并根據課程內容完成更復雜的實驗內容的方法，能使學生很快地進入實驗設計環(huán)節(jié)，同時也大大提升了學生對接口中各種功能的興趣。按照這個思路，我們將教學和實驗緊密結合起來，連貫操作，使學生逐步進入預想的學習境地。學生的興趣逐步地提高了，教師對課程教學完善和更新的積極性也大大提高了。

3 實踐教學改革

3.1 建設新型實驗平臺

為了配合單片機原理課程改革，學院為這門課程購置了50多臺用于課堂教學的微芯力科STM32教學實驗箱，還購置了30多臺用于課后實驗的STM3210E-LK小實驗板。如果按每個教學班60名學生計算，基本能保證每個學生上課時擁有一臺STM32教學實驗箱，與教師同步進行教學演示和課堂實驗。另外30塊STM32小實驗板發(fā)給學生進行課后實驗，保證每兩名學生使用一臺實驗裝置在課后完成相應內容的課后實驗。這樣學生就可以利用課外時間在宿舍或其他地方使用STM3210E-LK小實驗板完成各種實驗。

3.2 設計課后實驗的內容

讓學生在課后完成必要的實驗內容對這門課程的教學質量的提高是至關重要的。這些實驗的設計要緊密結合課堂教學的內容，但又要與課堂實驗有所區(qū)別。我們設計了相應的課后實驗指導書，要求學生在STM3210E-LK小實驗板上完成。實驗指導書的主要內容有：利用GPIO端口控制LED指示燈閃爍的實驗、系統(tǒng)定時器SysTick使用方法的實驗、系統(tǒng)獨立看門狗IWDG實驗、利用DMA完成存儲器到存儲器之間的數據傳送實驗、利用TIMx產生脈沖寬度調制信號PWM的實驗、利用USART的中斷方式通信實驗、單通道ADC的模擬量轉換實驗、單通道ADC的模擬看門狗實驗、利用bxCAN進行自環(huán)數據傳輸實驗、SPI1數據傳輸實驗、中斷方式的I2C1到I2C2接口間的數據傳輸實驗。上述所有實驗的現象都必須通過LED、數碼管、LCD等裝置展示出來。

3.3 強化對學生綜合應用能力的培養(yǎng)

通過上述教學過程，學生掌握了各種接口的使用方法，但如何將STM32中的各種接口有機地結合起來是衡量學生綜合應用能力的重要標志，也是我們教學要達到的目的。因此，我們在課程最后要求學生在現有實驗平臺所提供資源的基礎上，設計并完成一個綜合性的應用實驗，實驗最好與實際應用相結合，以加大綜合實訓教學的力度[4]。綜合實驗的過程就是對學生產品創(chuàng)意能力、實驗規(guī)劃和設計能力以及動手能力的培養(yǎng)，也是衡量課程教學效果的重要標志。

3.4 延續(xù)單片機原理課程改革的成果

單片機原理課程的改革對選修這門課程的學生產生了很大的影響。在畢業(yè)設計選題時，很多學生愿意選擇STM32單片機應用的題目，這在以前是不多見的。另外，受到高年級學生的影響，很多低年級學生在選擇大學生創(chuàng)新實驗項目時，也愿意選擇與STM32單片機相結合的應用題目。近年來，筆者指導的與STM32單片機有關的課題有“模糊控制在實驗田灌溉中的應用”“住宅安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計”“酒店大廳燈光節(jié)能自動控制系統(tǒng)”等。這些新技術影響了很多學生，提高了他們的綜合實踐能力，相信這將會影響他們的未來。

4 考核與評價方式

掌握STM32新型單片機技術和提高實踐能力是我們對學生的基本要求，也是課程考核的重要目標?？己藢嵺`能力而非考核記憶能力是我們課程教學對學生評價的重要方面。多年來，我們一直開卷考試，并保持部分試題源自實際應用，強調以應用為導向的試題內容。另外，我們增加了學生平時實驗成績的比例(總成績的評定方案：考試成績占50%，實驗成績占50%)，使學生在平時實踐活動中展現的能力得到認可，這樣學生在平時學習時就注重實際綜合能力的訓練。

5 結束語

將最先進的計算機技術引入到課堂，是今后教學內容改革的重要方向。學生只有掌握了最新的技術，才能站在新技術的前沿，高瞻遠矚。本課程對教學內容進行了大膽改革與嘗試，實踐證明效果顯著。只有進一步加大課程的改革力度，注重對學生綜合應用能力的培養(yǎng)，才能滿足國家對新時代人才的要求。

[1] 彭仁明,郝正同,劉剛.《單片機原理及應用》一體化教學模式的研究與實踐[J].綿陽師范學院學報,2011,30(2):131-133.

[2] 陳卉.單片機原理及其教學創(chuàng)新技術研究[J].科技創(chuàng)新導報,2011(32):144-145.

[3] 吳姝芹,范勇.應用型單片機原理課程教學探索與實踐[J].輕工科技,2012(4):165-166.

[4] 李濟生.以產品設計為導向的“ID識別技術及應用”教學研究[J].中國現代教育裝備,2013(3):44-46.