胡曉毅，解永軍

（廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子信息實(shí)驗(yàn)中心，廈門　361005）

單片機(jī)課程教學(xué)改革初探

胡曉毅，解永軍

（廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子信息實(shí)驗(yàn)中心，廈門361005）

0　引言

單片機(jī)（Microcontrollers）即單片微型計(jì)算機(jī)，也稱微控制器。它是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等微型計(jì)算機(jī)的功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)促使了電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的純電子電路設(shè)計(jì)思想到以處理器為核心的智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變革。它已然是當(dāng)今智能電子通信系統(tǒng)的核心靈魂部件。單片機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)也決定了單片機(jī)課程在電子信息學(xué)科本科教學(xué)課程設(shè)置中的必要性和重要性。

隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)以及工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)向著大容量、高性能和外圍電路集成化方向發(fā)展，目前，單片機(jī)已把眾多的外圍電路模塊全部集成在單片機(jī)，形成單片機(jī)的片上系統(tǒng)（SoC）。這就促使單片機(jī)課程必須順應(yīng)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行有效的課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法改革，以便培養(yǎng)面向社會(huì)應(yīng)用和人才市場(chǎng)的合格電子信息本科畢業(yè)生。

1　單片機(jī)教學(xué)課程定位和目標(biāo)

從技術(shù)特點(diǎn)上看，單片機(jī)技術(shù)是高級(jí)嵌入式電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的基礎(chǔ)。單片機(jī)與嵌入式技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的相互補(bǔ)充，相互協(xié)調(diào)，可以研制出滿足各種不同層次需要的電子通信系統(tǒng)設(shè)備。單片機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)決定著單片機(jī)課程擔(dān)當(dāng)著培養(yǎng)學(xué)生如何將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，如何設(shè)計(jì)出可實(shí)用的智能電子通信系統(tǒng)的重要角色。因此，單片機(jī)課程是一門技術(shù)應(yīng)用類課程，它具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，是一門以動(dòng)手實(shí)驗(yàn)為主，以驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，積極思維，創(chuàng)新設(shè)計(jì)為主體的實(shí)踐類課程。它是高校電子信息專業(yè)面向社會(huì)應(yīng)用，面向市場(chǎng)，培養(yǎng)工程技術(shù)人員的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。因而，單片機(jī)類課程在本科教學(xué)中占有非常重要的地位。

電子通信類本科專業(yè)課程的設(shè)置，一般分為以學(xué)習(xí)理論知識(shí)為導(dǎo)向和以解決工程實(shí)踐問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)計(jì)劃。課程的設(shè)置和大學(xué)的教學(xué)定位和教學(xué)目標(biāo)緊密聯(lián)系的。廈門大學(xué)的電子通信專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)之一就是要培養(yǎng)適合社會(huì)發(fā)展的多層次的復(fù)合型人才。也就是說(shuō)我們教師在課程設(shè)置和安排上既要考慮到精英教育，為研究型大學(xué)輸送學(xué)術(shù)研究人才，同時(shí)又要兼顧大眾教育，要考慮到信息社會(huì)的發(fā)展對(duì)技術(shù)和人才市場(chǎng)的需求，能及時(shí)為社會(huì)輸送合格的專業(yè)人才。對(duì)于單片機(jī)課程來(lái)講，我們的目標(biāo)是同時(shí)兼顧大眾教育和精英教育，努力完成以下兩個(gè)方面的目標(biāo)任務(wù)：①以全面提高本科教學(xué)質(zhì)量為己任，夯實(shí)學(xué)生的基本技能和動(dòng)手實(shí)踐能力。通過(guò)改進(jìn)教學(xué)方法，通過(guò)課堂學(xué)生為主角，教師為配角的主配角關(guān)系變化，教師積極激發(fā)學(xué)生多提問(wèn)題，多動(dòng)手實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力為目標(biāo)。②以引領(lǐng)學(xué)生的實(shí)踐積極性為導(dǎo)向，通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與師生間的交流等發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，為本科的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐和各類大學(xué)生競(jìng)賽項(xiàng)目輸送優(yōu)質(zhì)人才。③通過(guò)課程的改革，教學(xué)相長(zhǎng)，提高教師的業(yè)務(wù)素質(zhì)和教學(xué)能力。

2　現(xiàn)狀

單片機(jī)由于自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能快速地開發(fā)并形成低功耗、小型化電子信息的商業(yè)化產(chǎn)品。因而，眾多器件廠家也根據(jù)不用的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)合，開發(fā)生產(chǎn)了不同型號(hào)和資源的系列單片機(jī)，方便用戶選擇合適的單片機(jī)，從而最大化獲取產(chǎn)品效益。

單片機(jī)經(jīng)歷從8位單片、16位單片機(jī)發(fā)展成為32位單片機(jī)的演變過(guò)。現(xiàn)在新型的單片機(jī)已經(jīng)改變了原來(lái)單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)的概念，它已然成為單片機(jī)片上系統(tǒng)（SoC）。設(shè)計(jì)人員只需要外接傳感器電路、鍵盤顯示模塊以及后級(jí)驅(qū)動(dòng)組件，就可形成一個(gè)完整的電子通信的智能產(chǎn)品。因此，而傳統(tǒng)的單片機(jī)硬件接口電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)被弱化，如何合理高效的配置編程單片機(jī)的各內(nèi)部資源，從而形成合理可靠的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)已變?yōu)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)之一。

如前所述，單片機(jī)課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目決定了課程的教學(xué)效果。目前，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱是2006年度修購(gòu)計(jì)劃根據(jù)當(dāng)時(shí)單片機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)定制的（見圖1）。主要使用的單片機(jī)為8位的C51系列的單片機(jī)和16位的PIC系列雙單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。從所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容上和硬件接口資源上能夠滿足單片機(jī)課程的基本軟硬件實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求，達(dá)到幫助學(xué)生建立單片機(jī)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的概念和組成各種簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)。但其設(shè)計(jì)的理念已經(jīng)落后于當(dāng)今單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展。這些硬件接口模塊如簡(jiǎn)單I/O口，8255，8155，8279，ADC0809，DAC0832等這些并行接口模塊已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰了，學(xué)生做了也幾乎沒有用處。一些功能強(qiáng)大的A/D，D/A模塊也已經(jīng)由單片機(jī)器件廠家集成在單片機(jī)中。因此，原有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的接口模塊陳舊，很難滿足單片機(jī)課程和技術(shù)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)要求。

圖1　

圖2　

3　單片機(jī)課程改革思路方案

3.1教學(xué)方法的改革

以引發(fā)學(xué)生興趣為切入點(diǎn)，努力激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)手實(shí)踐的積極性，喚醒學(xué)生的求知欲望。按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)管理的方法，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三個(gè)環(huán)節(jié)（實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后）進(jìn)行改革。通過(guò)教學(xué)改革，期望在師生的共同努力下，教師能夠用“授人以魚不如授人以漁”的思路，改進(jìn)教學(xué)方法，能夠引領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)。學(xué)生能夠獲得電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力提高和科學(xué)研究思路方法的培養(yǎng)。

為此，我們首先考慮改變課堂角色，將以教師為主角的實(shí)驗(yàn)課堂，轉(zhuǎn)換為學(xué)生是實(shí)驗(yàn)的主人，改進(jìn)教學(xué)方法。作為配角，教師積極激發(fā)學(xué)生多提問(wèn)題，多動(dòng)手實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力為目標(biāo)。學(xué)生能夠獲得電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力提高和科學(xué)研究思路方法的培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)前：逐步通過(guò)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)物樣品展示激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)做好實(shí)驗(yàn)前的理論和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作。

實(shí)驗(yàn)中：教師通過(guò)以項(xiàng)目為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，誘導(dǎo)學(xué)生積極思考，采用提問(wèn)啟發(fā)式的方法，激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的主觀能動(dòng)性。幫助學(xué)生將抽象的理論概念落實(shí)應(yīng)用到具體的實(shí)驗(yàn)中，掌握電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法；幫助學(xué)生能夠不斷地思考問(wèn)題，學(xué)會(huì)提出問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)找教師討論問(wèn)題，為創(chuàng)新思維打下基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)后：以小論文的形式替換以往的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的提煉、總結(jié)以及應(yīng)用前景的思考，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生思考能力的主動(dòng)性。鼓勵(lì)學(xué)生上講臺(tái)演講自己的項(xiàng)目論文，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的認(rèn)識(shí)和培養(yǎng)。

3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容項(xiàng)目的開發(fā)

為達(dá)到課程改革的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開發(fā)包括：

（1）實(shí)驗(yàn)課前實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)：由實(shí)驗(yàn)相關(guān)的教師開發(fā)具有與本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的小應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)；讓學(xué)生初步體會(huì)到學(xué)以致用的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和設(shè)計(jì)的積極性。

（2）學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容項(xiàng)目開發(fā)：

①基本接口實(shí)驗(yàn)（30%）：目的是為了幫助學(xué)生掌握單片機(jī)各個(gè)基本資源模塊的編程配置和使用方法。主要包括單片機(jī)各基本資源的使用：如：基本輸入/輸出口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、串行通信口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的編程設(shè)計(jì)方法。每個(gè)單元接口實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)漸次性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括基本實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。教師幫助學(xué)生選擇適合自身?xiàng)l件和能力的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以此讓每個(gè)學(xué)生能夠?qū)W生能夠掌握硬件接口設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)的基本思路方法、調(diào)試方法和設(shè)計(jì)要領(lǐng)，為后續(xù)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

②應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)型（70%）：結(jié)合流行的新型外部接口模塊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同要求和不同難度的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?？捎蓪W(xué)生自由選擇，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證，經(jīng)過(guò)和教師討論確認(rèn)后，分階段進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)調(diào)試。

（3）學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成：實(shí)驗(yàn)報(bào)告改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告為項(xiàng)目總結(jié)小論文格式形式。最大化提高學(xué)生的提煉知識(shí)，探索思維的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究的素養(yǎng)。

（4）教師輔導(dǎo)：為提高教學(xué)相長(zhǎng)，相互促進(jìn)，教師輔導(dǎo)采用項(xiàng)目負(fù)責(zé)制的形式，按照系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)。

3.3實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)單片機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)：門類繁多，各有優(yōu)勢(shì)，從學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)具有多樣性和靈活性。根據(jù)目前單片機(jī)集成度高，內(nèi)部資源豐富的特點(diǎn)，根據(jù)目前單片機(jī)集成度高，內(nèi)部資源豐富的特點(diǎn)，擬采用如下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩級(jí)積木式模塊搭建架構(gòu)。

基本單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K。這部分主要是由32位單片機(jī)的核心開發(fā)板以及基本外設(shè)構(gòu)成。為了解決經(jīng)費(fèi)缺乏的問(wèn)題，我們與器件公司積極合作，借助各公司的大學(xué)教育計(jì)劃。例如我們和德州儀器TI公司的大學(xué)計(jì)劃合作項(xiàng)目。由TI公司贈(zèng)送我們近百套的32位單片機(jī)的口袋實(shí)驗(yàn)板（見圖2），利用該實(shí)驗(yàn)板的資源滿足學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)要求。除此之外，學(xué)生還可以將口袋實(shí)驗(yàn)板帶宿舍，利用課余時(shí)間進(jìn)行開發(fā)實(shí)驗(yàn)。

單片機(jī)外部接口模塊：這部分為此次平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)的核心之一。此部分為根據(jù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用系統(tǒng)需要，由實(shí)驗(yàn)教師開發(fā)完成構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的接口底板和模塊。這部分能夠保證各個(gè)外部接口模塊方便與口袋實(shí)驗(yàn)板和各個(gè)新型功能的功能模塊連接。學(xué)生可以根據(jù)需要自由組合接口資源，完成單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)任務(wù)。

3.4課程考核

課程考核主要評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的效果。為了提高促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們的考核采用兩種機(jī)制：1、對(duì)于滿足教學(xué)大綱要求為目標(biāo)的學(xué)生，我們采用實(shí)驗(yàn)考試制度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽題，在限定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分步打分的方法。2、針對(duì)部分學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程有濃厚興趣的特點(diǎn)，我們采用由學(xué)生自行獨(dú)立完成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考核方法。首先由學(xué)生提交系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)教師核準(zhǔn)后，由學(xué)生在課內(nèi)和課外時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)調(diào)試。最后結(jié)果由教師考核提問(wèn)。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，這種考核機(jī)制能夠滿足不同層次同學(xué)的要求，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4　結(jié)語(yǔ)

與2015年初我們已經(jīng)開始著手根據(jù)此改革思路開始逐漸試行。本學(xué)期（2015～2016年第一學(xué)期）我們開始采用TI的基于Tiva C系列Cortex-M4微控制器為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在TI公司的支持下，我們給選修的學(xué)生每人發(fā)一套實(shí)驗(yàn)板，有學(xué)生自己保管。從目前的情況看，學(xué)生已經(jīng)顯示出很大的興趣，不少學(xué)生出了完成基本實(shí)驗(yàn)外，還積極在課外完成提高部分的實(shí)驗(yàn)。相信隨著我們師生的的不斷努力學(xué)習(xí)和配合，經(jīng)過(guò)兩輪的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)，學(xué)生的動(dòng)手能力可以獲得較大的提高，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性也會(huì)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

胡曉毅（1966-），女，陜西西安人，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗曂ㄐ拧纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2015-11-04

2015-11-16

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，迫使單片機(jī)課程必須進(jìn)行教學(xué)改革。從單片機(jī)在本科教學(xué)中的課程定位和目標(biāo)出發(fā)，闡述單片機(jī)教學(xué)改革的思路和方法。通過(guò)教學(xué)改革，期望提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手實(shí)踐的能力。

單片機(jī)；教學(xué)改革；實(shí)踐能力

解永軍（1978-），男，山東日照人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗曂ㄐ拧纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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.