“单片机原理与接口技术”教学改革与实践

摘要：单片机原理与接口技术是一门实践性很强的专业基础课，传统的教学方法重理论轻实践，学生在课程选完以后不能自己设计和实现一定的任务。为了改变这一状况，提出了从培养学生兴趣入手，调动学生学习的主动性和积极性，从感性认识入手、汇编语言与C语言并重，软件仿真与仿真器验证结合，动手实践做出实物的教学方法。

关键词：单片机；教学方法；实践；动手能力

作者简介：侯俊才（1975-），男，青海乐都人，西北农林科技大学机电学院，讲师；郭文川（1969-），女，陕西临潼人，西北农林科技大学机电学院，副教授。（陕西 杨凌 712100）

基金项目：本文系西北农林科技大学教学改革重点项目（项目编号：JY0901009）的研究成果。

中图分类号：G642.3     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）30-0196-02

单片机原理与接口技术是工科院校机械、电子、通信等专业及相近专业的主干课程。该课程面向应用，实践性和综合性很强。许多专业开设单片机课程设计，学生毕业设计中也常涉及单片机，学好这门课程的意义是显而易见的。对于这门课程，传统的教学方法以讲为主，重理论轻实践。教师基本上是采用汇编语言，按照教材目录顺序授课，实验课采用实验箱。进行实验时，学生只要对硬件按照实验说明进行简单连线，并不清楚原理。在这种方法下，对学生而言，大量的概念都是第一次接触，而且抽象，没有感性认识，往往不能充分理解；再加上汇编语言难懂，在实验课时，学生往往不能完成完整的程序编写，或调试不通，无法在实验箱上验证。这样一来教学效果不理想。

针对以上问题，我们在教学过程中不断摸索和改进，总结出了一套激发学生学习兴趣、学习主动性和积极性、结合感性认识、汇编语言与C语言并重、多媒体讲解辅以软件演示、仿真软件和仿真器并用、动手做出实物的理论与实践并重的教学方法，经过教学验证效果良好。

一、从感性认识入手，培养学生对课程的兴趣

兴趣是学习的最大动力。当学生有了兴趣，就有了学习的积极性和主动性。第一堂课一开始就从身边常见电器出发提出疑问，启发学生积极思考和讨论。比如空调如何实现温度显示、如何完成温度设定、如何在达到设定温度时切换工作模式、智能洗衣机是如何完成洗衣的、键盘如何识别我们按下的按键？在学生思考讨论后，告诉学生是通过单片机来实现的。然后给学生演示事先准备好的Protues仿真软件下的一些实例，如单片机采集DS18B20的温度数值并显示的实例，单片机采集SHT11温湿度通过LCD1602显示、同时通过串口和PC机通信的实例，电子万年历演示实例等。学生很直观地看了这些仿真实例后，发现完成这样一些功能的实际电路很简单，从而对这门课产生极大的兴趣，有了自己也想实现这样一些设计的想法。有了兴趣、设计的欲望，就有了学习的积极性和主动性，就能在学习这门课时投入精力。教学实践中证明这种以简单实例演示单片机应用的方法对激发学生学习这门课的兴趣是很有效的。

二、课程讲解与实例演示结合

1.以实物为教具，加强感性认识

传统的的单片机课程都是按照教材顺序，先讲解单片机的结构和功能，再讲解寻址方式和111条汇编指令。在这部分内容讲解时，老师往往忽略了学生是初次接触这么课程，并不知道单片机为何物，学生在感性认识上并不清楚单片机和PC机的区别。为此，我们在讲解单片机的结构与功能时，以具体的单片机芯片和部分单片机课设时学生完成的作品为教具，让学生传阅观察，并进行部分作品的演示，让学生有感性认识，知道单片机具体是什么样，单片机工作时要辅以外围电路。

2.实例仿真展现单片机的指令执行过程

传统教学法，基本都是按照教材内容顺序，通过板书或多媒体进行讲解，指令和程序都是逐条进行分析，数据在存储器中怎么传送看不见、摸不着，程序是否能够编译通过，能否正常运行，并无法知晓。有时出现错误指令时发现不了，比如指令PUSH A，好多學生，甚至老师认为是正确指令，不对程序编译一般很难发现是错误指令。

我们在授课中采用软件辅助教学法，在像传统教学法一样讲授的同时，采用Keil和Protues进行仿真，演示程序执行过程中数据在存储器及外设间的传送，以及程序最终功能的实现。比如单步调试展示寻址和指令的执行过程，不能否认在传统教学过程中，讲解寻址方式和指令时，学生很容易混淆。在学完后自己写指令时往往会写出一些不存在的指令，而且对程序的执行过程并不清楚。我们采用Keil软件进行辅助教学。在讲解这部分内容时，以举例的形式用讲过的指令在Keil下编程，汇编，形成目标文件，然后进行单步执行，调出Keil下的存储器窗口（Memory Window）和项目工作区窗口（Project workspace），然后按F11健单步执行，在执行过程中让学生观察寄存器和存储器单元内容的变化，很直观的让学生观察到如何寻址和指令如何执行。在此基础上，编写非法指令，比如在程序中加入指令PUSH A，然后对程序进行编译，Keil会提示程序出错，因为汇编没有PUSH A指令，正确的指令应该为PUSH ACC。PUSH A中对A是寄存器寻址，但PUSH后面只能是直接地址，所以要用ACC。再对学生讲解寄存器寻址和直接寻址的区别，这样一来学生的影响深刻，容易掌握了。

同样，在讲解扩展、串口和A/D\D/A转换时，可以用仿真软件连接电路，加载程序后仿真。然后调出相关窗口，通过单步执行，让学生一遍观察程序的执行情况，一遍观察电路中电平的变化。通过直接观察让学生认识和掌握编程方法，以及单片机执行中程序和硬件的关系，让学生体会到汇编语言就是针对硬件的语言。

三、汇编与C语言并重

当前，许多高校在单片机教学过程中选用的程序设计语言是汇编语言。汇编语言确实具有占用内存空间少，可直接对硬件内部进行控制，运行效率高，实时性好的优点，而且通过汇编语言的学习可以更好的了解单片机的硬件。但是汇编语言指令抽象复杂，艰涩难学，而且程序对硬件的依赖性强，移植性很差。学生学习时往往很难看懂程序，自己编程时往往写错指令，编程效率很低。

我们的学生在前期都学过C语言，在单片机中C语言能完成汇编语言的功能，且易学易懂，移植性好，编程方便，功能强大；更主要的是C语言编程对硬件的依赖性不强，程序可读性强，修改方便。采用C语言开发软件速度要比汇编语言快，以Keil C软件作为编译环境，操作方便，易上手。一般比较复杂的任务，编程较长，这时用C语言比汇编语言有明显的优势，所以，我们要求学生掌握单片机C语言。

既然C语言有如此多的优点，那么我们是不是应该摒弃汇编语言呢？不行！因为汇编语言是面向机器的计算机语言，通过汇编语言的学习可以帮助学生进一步学好单片机的硬件结构，对于开发单片机应用系统会有很大的帮助。

所以我们主张汇编与C语言并重的教学方法。如何在有限的课时内让学生掌握两种语言编程呢？因为学生先修课已学习了C语言，所以讲课时采用以汇编为主，在举例时以两种语言的编程来讲解，逐步讲解针对单片机编程时C语言的特殊之处。通过这种方法使学生学会汇编和C语言对单片机的编程，让学生更深地体会两种语言的优缺点。

四、采用软件仿真与仿真器实习结合的实验环节

传统的单片机教学法中，实验环节一般都是在实验箱上做调试和仿真，脱离了实验箱，学生就无法验证实验。由于学生对汇编语言不熟悉，编程难免出错，加上对硬件实验箱不熟悉，许多学生在短短的2个实验课时内完成不了编程、调试、和实验箱上的仿真，所以实验效果不好。

为了解决上述被动局面，在课堂上教会学生Keil软件和Protues软件的使用，在实验课前给学生布置实验任务，学生在课前就可以编程、调试，甚至可以完成仿真运行。在上实验课时再对照实验箱上的实物进行相应的连线，对事先编好的程序按实际硬件进行修改，再经过编译、调试就可以在仿真器上进行仿真运行，大大节省了编程和调试的时间。[2]

这两个软件的应用，还可以帮助学生课外自学和实践，学生可以验证课本知识，也可以自己做一些设计，使学生完全摆脱了因为没有仿真器而无法实践的困局。

需要强调的是，虽然软件可以完成程序的调试以及许多电路的仿真，但在仿真器上的实习是必不可少的。这是因为软件仿真时很理想的，在仿真软件中运行正常的程序和电路，而在仿真器上仿真时会出现这样那样的问题。这就要求学生去分析问题、解决问题，增强了动手能力和实际解决问题能力。

五、增强实践环节，提高学生动手能力

单片机是一门实践性很强的课程，如果学习时纯粹之上谈兵，那么在实际设计时就会发现困难重重，问题不断。为此，在教学中一定要增强实践环节。在单片机课程的课程设计中，我们要求学生在课程设计时，一方面要完成在软件中的仿真，第二方面要求完成实物电路。要求学生先设计出合理的电路，采用C语言或汇编语言完成编程，进一步完成程序的调试，再在仿真软件下进行仿真；仿真通过后，提供给学生相应的电子元件，要学生动手焊接电路，烧录程序，调试，直到正确运行。这样一来大大调动了学生积极性，提高了动手能力。

如前所述，软件仿真时很理想，完成起来较容易。但将电脑上的东西变为可以正确工作的实物并非简单。学生在焊接电路、烧录程序、调试电路时会出现各种各样的问题。学生通过不断地调整和修改才能完成实物。在这样的一个实践过程中，不但提高了学生实际动手能力，而且也提高了学生分析问题和解决问题的能力。

六、结束语

探讨了单片机教学改革的途径，提出激发学生兴趣提高学生学习的积极性和主动性，从感性认识入手，汇编与C语言并重的教学，采用教学软件与仿真器结合，动手实践完成实物的教学途径。经过在教学过程中应用，证明这套教学方法效果很好，教学质量得到明显提高，学生反映良好。

參考文献：

[1]牛昱光.单片机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]王海华.基于Proteus和Keil的单片机实验教学探究[J].科技信息,

2009,(3).

（责任责任：麻剑飞）

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