基于案例貫穿的單片機課堂教學設計與實踐

鄧加川 劉淑波

摘? 要? 通過分析單片機原理與應用課程的特點和傳統教學方法的不足，利用案例教學法對課程進行教學改革。提出基于案例貫穿課堂教學設計的基本內容，并以中斷系統為例，設計基于案例貫穿的課堂教學設計，取得了良好的教學效果。

關鍵詞? 單片機原理與應用；案例教學法；課堂教學設計；教學改革

中圖分類號：E251.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）11-0078-04

0? 引言

單片機是在一塊半導體芯片上集成的一個微型計算機，因體積小、價格低、穩定性強、可靠性高、面向實時控制等優點，以單片機為核心的控制系統廣泛應用在武器裝備、智能儀器儀表、工業控制以及家電等領域中[1]。單片機原理與應用課程成為工科院校自動化、電子信息等相關專業的必修專業課。

在海軍大連艦艇學院開設的單片機原理與應用課程中，主要學習典型單片機的基本工作原理以及單片機應用系統軟硬件的設計方法。以目前國內使用最多MCS-51系列的單片機為載體，系統地學習單片機的基礎知識、硬件結構、編程語言、中斷控制、串行通信、定時計數以及接口擴展等知識。課程的特點是理論和實踐緊密聯系，更側重于知識的實踐和應用。因此，在教學實踐過程中，既要注重傳授學生專業基礎知識，又要重視對學生實踐技能的培養，讓學生在理解專業知識的基礎上，掌握單片機應用系統的開發實踐技能。

案例教學法由美國哈佛商學院提出并成功運用和實施，傳入我國已經有30多年的歷史。是一種以學生為主體，教師為主導，調動學生學習興趣，激勵學生自主、合作、探究性學習的學習方法[2]。將案例教學法用于課堂教學過程中，能夠實現教學相長，調動學生主動學習的積極性；同時，該方法具有生動具體、直觀易學的優點，有助于學生理解知識點[3]。

因此，有不少高校教師，在課程教學中都引入了案例教學法，并取得了不錯的教學效果。比如：趙文山[4]從課程內容和案例教學的特點出發，以“電路分析”課程為例，探討了案例教學中課前教案編寫、課上教學組織和課后拓展討論的實施方法。經實踐表明，案例教學能夠加深學生對知識點的理解。萬佑紅等人[5]以“智能控制”課程為載體，從傳統教學存在的問題出發，提出了案例教學的設計與實施方式。有效加強了學生對理論知識的理解，提高了學生的創新思維。

以上這些教學改革均取得了不錯的效果，對“單片機原理與應用”課程中引入案例教學方法起到了一定的示范作用。

1? 單片機原理與應用課程教學現狀

長期以來，老師們都反映單片機原理與應用課程知識點雜，不好教，學生更是普遍反映，課程太難，上課根本不知所云，一直提不起學習的興趣。這就導致課程的教學效果一直不理想。通過調研發現，主要問題如下。

1.1? 課堂教學缺乏設計

由于人才培養方案的調整，導致單片機原理與應用課程學時少、內容多。上課過程中，教師關注的重點是如何把知識點講完講清楚，很少針對課程的教學內容進行課堂教學設計。往往在課上只是知識點的羅列，孤立地講解課程內容的每一個知識點，沒有講清楚知識點之間的關系，邏輯性不強，導致學生產生厭學心理。

1.2? 理論教學與實踐教學環節脫節

在傳統的教學過程中，理論教學環節和實踐教學環節是分開的。理論教學環節，大多是以教師為中心，上課手段比較單一，以傳授講解理論知識為主，學生聽課為輔。這就導致了學生只能被動地接受理論知識，由于單片機理論知識枯燥難懂，這不僅不利于激發學生的學習興趣，也很難調動學生學習的主觀能動性。實踐教學環節中，所需要完成的實驗任務和理論課沒什么關聯，學生也不知道完成實驗任務有什么作用。只是機械地按照實驗步驟，利用單片機實驗箱完成仿真實驗。

1.3? 重工作原理而忽略工程應用

在理論和實踐的教學過程中，都采用了大量的時間來介紹單片機的工作原理，引導學生入門單片機課程。原理性的內容往往是枯燥乏味的，不利于激發學生的學習興趣。另外，在授課過程中，過分強調單片機的工作原理，而忽略單片機知識的工程應用，不利于培養學生單片機應用系統的開發能力和創新能力。以上導致了單片機原理與應用課程的學習效果不理想。

可以看出，傳統教學模式不能調動學生學習的積極性和主動性，學生被動地接收知識，課堂教學效果自然不理想。為改變現狀，根據課程的教學內容，精心挑選和設計教學案例，采用案例教學法對課程進行教學改革。

通過分析單片機原理與應用課程在傳統教學中存在的問題，以及案例教學法在課程改革中取得的成功經驗，在這些已有的研究基礎之上，將案例教學法引入單片機原理與應用課程教學中，提出基于案例貫穿的課堂教學設計的基本內容，實踐基于案例貫穿的課堂教學。

2? 案例貫穿課堂教學設計的基本內容

將案例貫穿的教學方法引入單片機原理與應用課程教學中，根據教學計劃的要求以及單片機原理與應用課程的特點，分析教學內容和教學對象，來確定教學案例的背景及內容。用教學案例貫穿理論教學、實踐教學的整個過程：理論教學過程中完成引題和過渡；實踐教學中完成對理論知識的鞏固和提升。從分析教學內容、教學對象和設計教學案例、教學流程的基本內容，來完成基于案例貫穿的課堂教學設計。

2.1? 教學內容分析

根據人才培養方案中對課程的要求編寫課程教學計劃，在教學計劃中明確每部分知識的教學目標。針對教學內容，要分析各部分之間的邏輯關系，明確重難點內容。教師要清楚學生對每一部分知識的掌握程度，為課堂教學案例內容難度的設計打下基礎。

2.2? 教學對象分析

通過分析學生的專業性質和學習習慣，來設計教學案例的使用背景；通過分析學生的現有知識基礎，對新知識的渴望程度以及學習新知識可能存在的問題，來設計教學案例的背景和內容。通過對授課對象的學情分析，可以做到因材施教，量身定做課堂教學案例。

2.3? 教學案例設計

教學案例的精心設計是案例貫穿課堂教學能取得成功的前提。單片機原理與應用課程是專業背景課的范疇，蘊含工程應用，所選案例不能憑空捏造。根據教學對象為軍校學生，案例背景要具有軍味。設計教學案例內容時，首先要以教學內容分析為基礎，要有助于學生理解難點知識、掌握重點知識；其次，要具有趣味性和啟發性，吸引學生注意力，啟發學生思考，培養學生能夠從工程設計的角度去理解武器裝備的工作原理；最后，要結合課程的特點，能夠將理論教學和實踐教學聯系起來。

2.4? 教學流程設計

基于案例貫穿教學成功的關鍵在于教學流程的設計。用教學案例來完成各部分內容之間的引題和過渡，讓整個授課思路更加清晰、合理。在教學過程中，首先用圖片、視頻等方式展現教學案例的使用場景，引出教學案例，抓住學生的好奇心。以教學案例實現的整個過程為授課思路，完成各知識點之間的引題和過渡，最后根據所學的理論知識，讓學生完成教學案例的實現。

根據學生對知識的掌握程度，在教學案例的基礎之上進行擴展，完善和設計實作課教學案例。

3? 案例貫穿課堂教學設計實例

以教學內容中重要功能部件的“中斷控制系統”一節為例，根據案例貫穿課堂教學設計的基本內容，完成一次課的課堂教學設計實例。

3.1? 課堂內容分析

中斷控制系統一共四學時，其中理論課兩學時，實作課兩學時；實作課安排在理論課之后。學習三個方面的內容：中斷的概念；中斷控制系統的結構和中斷程序的設計。其中中斷控制系統的結構，以及中斷服務程序的設計，是實現中斷的軟硬件基礎，是教學重點內容；中斷控制系統的結構比較復雜，需要設置的特殊功能控制寄存器比較多，是教學的難點內容。

針對“中斷的概念”，要求學生能夠闡述51單

片機響應中斷的整個過程；針對“中斷控制系統的結構”，要求學生能夠說明中斷控制系統的基本組成，理解和能夠設置與中斷控制相關的特殊功能寄存器。針對“中斷程序設計”，要求學生能用C51語言來定義中斷函數，編寫中斷服務程序。

3.2? 教學對象分析

課程的教學對象是大學三年級的軍校學生。設計教學案例時優先選擇具有軍味背景的、和武器設備相關的單片機應用系統。學生通過前期課程的學習，已經掌握電路分析基礎、模擬電路、數字電路等硬件電路相關的課程，具備硬件電路設計基礎；也掌握C語言程序設計等軟件編程相關的課程，具備軟件設計編程能力。為單片機課程的學習打下軟硬件設計基礎。

學習“中斷控制系統”之前，學生已經對單片機的內部結構有基本的認識，以及會用單片機的I/O口和外圍設備進行信息交互，能夠用單片機去點亮LED燈。學生現在對單片機和以前數字電路課程中所學的芯片有什么區別，以及對單片機內部功能模塊功能的實現充滿好奇和疑惑。

3.3? 教學案例設計

以單片機在某型武器上的應用作為教學案例。某型武器具有兩種工作模式：執勤模式和攻擊模式。為節省能耗，該型武器長期工作在執勤模式下，攻擊模式處于掉電狀態，為保證攻擊模式下，武器系統電路的有效性，需要外部電路發出喚醒信號，喚醒攻擊模式下系統電路的自檢，自檢完成后，若沒有攻擊命令，繼續工作在執勤模式下。

教學案例的內容：設計單片機應用系統，來模擬實現該型武器在喚醒信號作用，兩種工作模式的轉換。用黃色的發光二極管來模擬該型武器工作在執勤模式下，用紅色發光二極管模擬攻擊模式系統自檢的過程。外部電路的喚醒信號是隨機產生，接在單片機的P3.2引腳，低電平有效。在設計系統時，可以用按鍵按下來模擬喚醒信號的作用。

根據學生現有的知識，也能夠完成系統的設計與實現。通過用不斷查詢P3.2端口的電平信號來實現兩種工作模式的轉換。這種實現方式的缺點是執行效率比較低，并且喚醒信號輸入以后得不到及時的處理。通過查詢法的缺點引出課程的教學內容。

在理論課上用教學案例來完成課堂教學的引題、過渡，通過學習中斷知識的過程，引導學生完成教學案例的設計和分析過程，以及通過給學生演示完成后的效果吸引注意力，學生會迫不及待地想去實現。課后讓學生動手完成教學案例的實現過程，就順理成章了，還能達到學生對課上知識的鞏固。

對案例內容進行擴展，作為學生實作的內容。擴展內容為：在喚醒狀態下，武器正處于自檢工作時，收到攻擊命令后，該型武器會起爆。攻擊命令信號是脈沖信號，接在單片機的P3.3引腳上，用蜂鳴器響來模擬該型武器起爆。實現過程用到中斷的知識有：外部中斷0和1的程序設計、和中斷相關特殊功能寄存器的設計以及中斷優先級等知識?？梢匀采w中斷相關的知識，能檢驗學生對理論知識的掌握情況。

3.4? 教學流程設計

在學習新課內容之前，先用圖片和視頻給學生展示教學案例的使用背景，引出教學案例的內容。用電路開發板給學生教學案例的實驗現象，引起學生的興趣。通過提問“如何實現？”和“查詢方式實現的缺點”，引入新課內容“單片機的中斷系統”。

經過課前的鋪墊，學生很迫切地想知道，到底什么是“單片機的中斷”，來引出“中斷的概念”。根據教學案例的實現過程，畫出過程示意圖，如圖1所示，根據演示案例的中斷響應流程圖，講解中斷相關的基本概念，有助于學生理解和掌握知識。

由“在單片機中，能夠實現中斷處理的功能部件被稱為中斷系統”過渡第二部分內容，“中斷控制系統”。教學案例中的喚醒信號會觸發外部中斷0中斷，以外部中斷0的響應過程為例，來學習單片機中斷控制系統的結構以及和中斷相關的特殊功能寄存器。

以“外部中斷0的中斷響應過程”為例，梳理從中斷源發出中斷請求到單片機CPU響應中斷的整個過程，來強調重點教學內容以及為中斷程序的設計打下基礎。由教學案例中斷的實現，需要單片機的硬件和軟件編程相結合來實現，引出“中斷程序的設計”

最后，具體分析課前教學案例的實現過程，對單片機中斷相關的理論知識進行學以致用。課后讓學生完成教學案例的實現過程，來鞏固課堂知識。

在實作課上，讓學生根據教學案例的擴展內容，完成系統的設計與實現的整個過程，可以加深學生對單片機中斷知識的理解，做到學以致用。

4? 結束語

教學案例貫穿整個教學過程，完成教學內容的引出和每部分教學內容之間的過渡，課堂教學設計清晰合理。從工程應用的角度來學習單片機中斷的理論知識，增加學生對知識的實踐與理解。

經過一輪教學發現，在單片機原理與應用課程中使用基于案例貫穿的課堂教學設計，不僅能夠提升學生在教學過程中的參與度，還能激發學生學習單片機課程的興趣。學生將所學的理論知識運用到實踐中，對理論知識掌握得更加牢固。使用案例貫穿的教學方法后，課后作業的完成率和正確率明顯高于以前的班級，并且在完成中斷相關的實驗時，所需的時間少很多。這充分說明學生基本上掌握了中斷的相關知識，案例貫穿的教學方法是可行的。

5? 參考文獻

[1] 王玉琳，陳甦欣，衛道柱，等.單片機課程任務驅動教學法的研究與實踐[J].電氣電子教學學報，2022，44（1）：124-128.

[2] 黃松平，張維明，丁兆云.“指揮控制原理”課案例選擇應注意的幾個關系[J].高等教育研究學報，2020，43（3）：108-111.

[3] 謝成祥，張永春.“過程控制技術”課程案例教學的探?索與實踐[J].常州工學院學報，2019（4）：72-75.

[4] 趙文山.電路分析課程案例教學的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2018（19）：14-16.

[5] 萬佑紅，樊春霞，徐豐羽，等.控制科學與工程研究生《智能控制》課程的案例教學探索[J].科技創新導報，?2020，17（2）：187-188.