“单片机原理及应用”课堂与实践教学改革与探讨

  赵仁涛，李颖宏，关丛荣，刘硕，左岐，刘仁学 

（北方工业大学电气与控制工程学院 北京 100144）

摘要：单片机原理及应用作为我校专业必修课，主要讲解MCS51系列单片机的基本结构、总线扩展、定时器/计数器、串行接口、人机接口及ADC/DAC扩展等主要知识点，是一门强调实践为主、注重学习方法的专业课程。经过多年的教学磨练和实际工程应用提升，单片机原理及应用教学团队成员更加注重培养学生系统思维方法，从课堂教学内容及例题呈现方式、实验内容更新、课外实践内容改革及课外竞赛等方面开展了大量工作，达到了丰富授课内容、提升学习兴趣、注重创新能力培养的预期效果。

关键词：系统思维；过程管理；能力培养；科技竞赛激励

"Principle and Application of Single Chip Microcomputer" Classroom and Practice Teaching Reform and Discussion

ZHAO Rentao, LI Yinghong, GUAN Congrong, LIU Shuo, ZUO Qi, LIU Renxue

North China University of Technology, Beijing, 100144

Abstract: The principle and application of the single-chip microcomputer is a compulsory course for our school. It mainly explains the basic knowledge of MCS51 series single-chip microcomputers, bus expansion, timer / counter, serial interface, human-machine interface, and ADC / DAC expansion. It is a professional course that emphasizes practice-oriented and learning methods. After years of teaching practice and practical engineering application improvement, members of the MCU principle and application teaching team have paid more attention to cultivating students' systematic thinking methods. They have been carried out in terms of classroom teaching content and example question presentation methods, experimental content updates, extracurricular practice content reforms, and extracurricular competitions. A lot of work has achieved the expected results of enriching the teaching content, increasing learning interest, and focusing on the cultivation of innovative ability.

Keywords: System Thinking; Process Management; Ability Development; Technology Competition Incentives

1、 引言

当前，国内几乎所有包含电气、自动化、电子类专业的高等院校都开设单片机原理相关课程，它是一门培养学生嵌入式系统基础的综合性专业课程。

如何能够吸引学生在课余时间系统的运用单片机原理与应用课堂所讲授内容，并结合具体应用场景解决实际问题，形成学习和实践的良好循环，是教学团队在教学中需要关注的主要问题。

近年来，单片机原理及应用教学团队不断总结教学经验和教训，归纳探索出一种“培养系统思维、注重过程管理、突出学以致用、科技竞赛驱动”的教学模式。

2、 培养系统思维方法，紧跟时代步伐

2.1 培养系统思维

系统的梳理和总结教学实践中遇到的问题和解决方法，教学团队首先设计了一个涵盖重要知识点（I/O、定时器、中断系统、人机接口、串行通信、ADC）的单片机系统——基于89S51的温度控制系统，并将系统按照课程的重要知识点分解为知识模块，帮助学生建立整个知识网络结构，引导学生掌握自顶向底的系统设计思想，使其能够在学习过程中从系统思维的角度获取相关知识。

为了达到更好的效果，与学生所选专业紧密结合，教学团队正在结合不同专业特点设计具有专业特色的单片机系统。以自动化专业为例，以基于89S51的温度控制系统为例，注重过程控制系统理论及实践。

2.2 教学内容更新

随着微电子技术的不断发展，常用单片机及外围扩展芯片正在发生较大的变革。为了保证所学知识与技术发展不脱节，从“学以致用”的角度出发，结合当前单片机及接口芯片的发展情况，对教学和实验内容进行了大幅度更新，做到每2~3年更新一次外围接口芯片型号。

3、 多措并举细化教学内容，注重过程管理

由于单片机属于综合实践课程，仅仅依靠大纲规定的38~48学时课堂教学和10~16学时实验课程，就无法保证大部分学生充分理解和掌握关键模块的硬件设计和编程方法。

为此，教学团队在围绕重要知识点的原有综合性例题基础上，搭建了基于Proteus的仿真实例^[1-2]，以直观的硬件电路、详尽的程序清单、生动的运行效果吸引学生充分利用课余时间验证关键模块的硬件连接和编程方法，起到了“延伸实验空间”的效果，基本做到疑难问题当周解决。

3.1 精心设计Proteus仿真实例

虽然单片机课程的学习不需要高深的理论推导过程，但是却是一门实践性很强的专业课程。针对这一特点和学生学习过程中对重要知识点疑问较多的问题，教学团队指导研究生基于Proteus仿真软件搭建了10个仿真实例，涵盖了课程中I/O口、定时器、串行通信、外部中断、分支及循环程序、人机接口等重点和难点内容。每个实例均提供了汇编和C程序。

3.2 实验内容调整——抓重点，保时效

单片机实验室现有规模只能容纳2个自然班进行实验，这就意味着10个自然班需要分成5次进行，不但增加了老师的工作强度，还不利于学生对重要知识点的理解。教学团队本着抓重点，保时效的原则，对自动化专业的实验教学进行了如下探索：

（1） 精简单片机实验室承担的纯编程实验，改为由实验室老师指导学生学会使用Keil和Proteus，并在限定时间内利用业余时间完成相应实验内容，提交实验报告；

（2） 结合新的授课内容变更或增加软硬结合的实验内容；

（3） 最后按照实验室容量，将自动化学生分组进行综合实验考试，根据限定时间内学生的完成情况进行评分，此次成绩占实验成绩的70%（授课老师参与指导）。

3.3 考核方式改革——过程大于结果

加大平时考核权重至50~60%，其中实验占20%，课堂出勤及随机提问占10%，章节随堂测试10~20%。通过自动化专业的试点发现课堂的出勤率明显提升。

4、 搭建课外训练平台，突出学以致用

为了进一步提高学生的学习兴趣和编程能力，研制了以增强型51单片机-C8051F020为核心芯片的课外学习板，并提供多个实验程序，起到了较好的效果。同时，开发的MSP430单片机竞赛板为多名同学提供了课外学习的硬件平台和典型程序，为迎接北京市电子竞赛奠定了基础。

4.1 设计制作51单片机课外训练板

4.1.1 设计制作课外训练板

C8051F020_V2.0是为在校学生和单片机爱好者开发的一款单片机开发板，也可作为工程人员开发参考之用。本学习板采用美国Silabs公司的C8051F020作为核心控制器,指令集与MCS51兼容，是学习C8051F系列单片机入门级MCU^[3]。针对C8051F020单片机片上的全部资源，编写了所有功能的测试程序，对该单片机的性能做了全面的测试评估，使用方便。

4.1.2 设计制作MSP430训练板

MSP430训练板采用美国TI公司的MSP430F247作为核心控制器，外扩多种硬件电路，既能作为在校学生和单片机爱好者的一款单片机学习板^[4]，也可作为工程人员开发参考之用。针对MSP430F247单片机片上的全部资源，编写了所有功能的C语言测试程序，对该单片机的性能做了全面的测试评估，为学生参加相关竞赛和后期使用奠定了坚实基础。

5、 科技竞赛驱动，形成良性循环

5.1 鼓励学生参加实际课题

在教学过程中，针对城市降雨后路面积水容易造成城市拥堵并引发危险的问题，组织了学生利用《单片机原理及应用》课堂讲解内容，设计了《城市积水监测系统》并获得了北京市大学生科学研究与创业行动计划项目校级一等奖。

此外，还指导学生参加“定量可控式智能流量计研制”、“电动遥控车位锁”、 “基于反渗透技术的自来水净化装置研制”、“多功能计步器及管理平台设计”等采用单片机作为核心芯片的科技项目，培养了1批具有较强动手能力的本科学生，并起到了较好的辐射作用。

5.2 组织校内单片机竞赛，激发学生的学习士气

为进一步激发学生的学习兴趣，配合学院科技协会的工作，教学团队先后承担了校内51单片机和MSP430单片机的竞赛组织和验收工作。每年均有20组左右的51组合15组左右的MSP430组学生参赛，规模达到2个自然班规模，涵盖学院涉及的各个专业。

5.3 服务省部级竞赛，形成辐射效应

结合智能机器人这个社会和学术热点问题，教学团队组织学生自行设计了基于单片机的智能车控制器，实现了车辆的自主平衡控制和方向控制，获得了第九届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛华北赛区二等奖。

通过校内竞赛的选拔，可以遴选出优秀学生继续参加“蓝桥杯”、北京市电子竞赛和物联网竞赛、飞思卡尔智能车以及RoboMasters竞赛。其中“蓝桥杯”2015年获奖25人。

6、 着眼课程体系建设，注重课程衔接

6.1 教学团队建设

新增电气与控制工程实验中心大学生科技训练基地的刘硕老师为授课教师，可以保证下学期开始所有专业采用小班授课方式。

单片机实验室左岐老师的加盟，可以更好的将实验室建设与智能仪器的教学结合。2位老师的加入增强了教学团队的科研能力。

6.2 课程体系无缝衔接

《单片机原理及应用》的后续课程为《智能仪器》，为了防止内容重复，注重教学内容分工，《单片机原理及应用》课程注重单片机系统基础知识和基本技能的培养，强调系统并行总线扩展；《智能仪器》以典型SPI、I²C接口芯片的时序分析、编程方法以及状态转移法程序框架为主线，对《单片机原理及应用》课程做了有力补充。

6.3 教学与竞赛内容紧密结合

此外，该教学团队还围绕单片机技能培养，组织学生参加“蓝桥杯”，自己利用单片机所学知识设计制作“RoboMasters”机器人驱动模块，获得了较好的成绩。

7、 结论

单片机原理及应用教学团队初步完成了教学内容的丰富和更新，探索了通过“自顶向底”的系统思维方式培养、课件结合仿真实例、提供课外训练板等方式激发学生的学习热情，获得了较好效果。此外，该团队注重与后续课程无缝衔接，鼓励、吸引学过单片机课程的同学积极参加校内、省部级竞赛和各种大学生科技项目，遴选出了数批能力强的竞赛队伍，起到了很好的辐射和宣传效果。

当然，无论在课堂和实验教学中还存在诸多有待改进之处，例如：实验设备有待更新和增加台套数；单片机试题库建设等。

参考文献

[1] 周润景，张文霞，赵晓宇. 基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真（第3版）[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2016.

[2] 林立. 单片机原理及应用―基于Proteus和Keil C（第4版）[M]. 北京：电子工业出版社，2018.

[3] 万光毅. SoC单片机实验、实践与应用设计：基于C8051F系列[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 沈建华，杨艳琴，王慈. MSP430超低功耗单片机原理与应用（第3版）[M]. 北京：清华大学出版社，2017.

作者简介：赵仁涛（1970-9—），男，汉族，河北省冀州人，博士，副教授，北方工业大学电气与控制工程学院自动化系责任教师，研究方向：现代检测技术与故障诊断