基于學(xué)生應(yīng)用能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)的單片機(jī)教學(xué)改革

張娟梅 付春仙

摘要針對(duì)高等院?！秵纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用》的教學(xué)現(xiàn)狀,從教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)手段和模式以及教學(xué)方法等方面分析現(xiàn)狀,提出有效可行的改革方案,以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和實(shí)踐能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞單片機(jī)教學(xué) 應(yīng)用能力 實(shí)踐能力 教學(xué)改革

中圖分類號(hào):G420文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

目前在許多高校里,《單片機(jī)原理及應(yīng)用》這門課程是應(yīng)用電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化甚至機(jī)電一體化等專業(yè)學(xué)生的必修課,尤其從學(xué)生就業(yè)方面來(lái)考慮,由于單片機(jī)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,因此對(duì)學(xué)生的應(yīng)用能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)是必要的。筆者結(jié)合多年單片機(jī)教學(xué)的實(shí)際情況和學(xué)生平時(shí)上課的表現(xiàn)以及考試的結(jié)果,仔細(xì)分析學(xué)生的反饋意見,發(fā)現(xiàn)目前的單片機(jī)教學(xué)當(dāng)中存在著諸多問(wèn)題和不足亟待解決和改革。為了保證教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果,讓學(xué)生畢業(yè)后能夠盡快適應(yīng)工作崗位,基于應(yīng)用能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 明確教學(xué)目標(biāo),合理組織教學(xué)內(nèi)容

目前有些高校開設(shè)本課程的目標(biāo)并不明確。目標(biāo)不明確主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是“為什么要學(xué)?”,二是“學(xué)什么?”,三是“如何學(xué)?”。教學(xué)目標(biāo)不僅要讓學(xué)生在他的求職簡(jiǎn)歷中反映這門課程的成績(jī),而且要使學(xué)生在招聘企業(yè)的有關(guān)單片機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)的筆試或面試中,能夠反映學(xué)生的應(yīng)用能力和實(shí)踐能力?？紤]到單片機(jī)的概念多、專有名詞多、內(nèi)容抽象、編程語(yǔ)言指令多、綜合性強(qiáng)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力強(qiáng)等特點(diǎn),在教學(xué)時(shí)數(shù)的限制下對(duì)于單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織至關(guān)重要。

目前《單片機(jī)原理及應(yīng)用》的教學(xué)內(nèi)容分為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分,理論教學(xué)內(nèi)容主要包括:單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu),匯編語(yǔ)言指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì),系統(tǒng)擴(kuò)展, 接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì);實(shí)踐教學(xué)主要包括實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。

長(zhǎng)期以來(lái),單片機(jī)的教學(xué)都是以匯編語(yǔ)言為主,而匯編語(yǔ)言的學(xué)習(xí)和單片機(jī)抽象的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān),其程序涉及到存儲(chǔ)器、寄存器、狀態(tài)標(biāo)志等,使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中難閱讀、難理解、難編程,容易感覺(jué)枯燥乏味從而失去了學(xué)習(xí)的激情和興趣,致使教學(xué)質(zhì)量和效果都不盡人意。而C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言,它具有豐富的庫(kù)函數(shù),可以減少大量的代碼編寫負(fù)擔(dān),可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算。同時(shí),C語(yǔ)言較匯編語(yǔ)言有可讀性、可維護(hù)性好,便于維護(hù)、調(diào)試以及移植容易等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多的單片機(jī)編程人員轉(zhuǎn)向使用C語(yǔ)言開發(fā)程序。另外,一般學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)之前剛剛學(xué)習(xí)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言,而且單片機(jī)的C語(yǔ)言KEIL C的大部分和標(biāo)準(zhǔn)C是一樣的,這樣有利于學(xué)生在短期內(nèi)掌握單片機(jī)的C語(yǔ)言編程。

在實(shí)踐教學(xué)中,由于Proteus具有強(qiáng)大的仿真功能以及原理圖和PCB設(shè)計(jì)能力,而且可以與Keil C整合構(gòu)建完整的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái),①完全可以替代硬件電路相對(duì)固定的實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái),讓學(xué)生進(jìn)行豐富靈活的實(shí)踐。使用Proteus進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生從原理圖制作,程序開發(fā),仿真驗(yàn)證和測(cè)試以及PCB制作等一系列的全面且完備的能力。另一方面,學(xué)校實(shí)驗(yàn)室引入Proteus,可以減少大量由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞和維護(hù)帶來(lái)的資金投入。因此,在單片機(jī)的教學(xué)中引入單片機(jī)C語(yǔ)言開發(fā)工具Keil C51和仿真工具Proteus的相關(guān)內(nèi)容,增加一些具體應(yīng)用實(shí)例的教學(xué)和實(shí)踐,以培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)的應(yīng)用能力和實(shí)踐能力為目標(biāo),將有助于提高單片機(jī)教學(xué)的質(zhì)量和教學(xué)效果。

2 充分利用現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)資源,改革教學(xué)手段,構(gòu)建新的教學(xué)模式

目前大多數(shù)院校的單片機(jī)教學(xué)手段都是以板書講授為主,缺乏生動(dòng)、直觀的一些輔助手段,實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),而且實(shí)驗(yàn)時(shí)間一般安排在“匯編指令系統(tǒng)”講完之后,理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間的不對(duì)應(yīng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)課堂上理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐相聯(lián)系。另外實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),很少進(jìn)行開放性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致學(xué)生過(guò)度追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而忽略了軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試等過(guò)程,單片機(jī)的應(yīng)用能力、開發(fā)技巧得不到很好的鍛煉。因此,在教學(xué)手段方面引入多媒體教學(xué),在單片機(jī)C語(yǔ)言開發(fā)工具Keil C51和仿真工具Proteus的平臺(tái)支持下,②先利用Proteus可以快速地完成元器件的放置和原理圖的設(shè)計(jì),然后在Keil C51開發(fā)環(huán)境下編寫程序,把源程序編譯連接后,學(xué)生可從窗口中清楚地看到程序每條指令的地址、機(jī)器碼和源代碼。而且還可以通過(guò)單步運(yùn)行,還可看到單片機(jī)內(nèi)部特殊功能寄存器的變化。這樣不僅可以幫助學(xué)生比較直觀地學(xué)習(xí)單片機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu),而且容易理解堆棧、定時(shí)器、中斷向量、中斷調(diào)用等抽象的概念。在Keil C51下生成一個(gè)可運(yùn)行的目標(biāo)文件(如HEX文件),再添加到Proteus的平臺(tái)下就可以進(jìn)行系統(tǒng)仿真了。Proteus所進(jìn)行的是一種交互式仿真,在仿真進(jìn)行中可以對(duì)各控制按鈕和按鍵等進(jìn)行操作,系統(tǒng)實(shí)時(shí)地輸出對(duì)輸入的響應(yīng)。這樣在課堂教學(xué)中配合多媒體手段,可以節(jié)約大量的繪圖時(shí)間,而且可快速靈活地修改硬件設(shè)計(jì)和軟件編程,實(shí)現(xiàn)不同功能的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

利用多媒體不僅可以增加知識(shí)的傳授量,使教學(xué)更直觀,教學(xué)內(nèi)容更加豐富多彩、形象、生動(dòng),而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。這樣實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以和理論教學(xué)同步進(jìn)行,在教室中教師利用仿真軟件和學(xué)生一起做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),③課下讓學(xué)生提前在Keil C51和仿真工具Proteus的平臺(tái)下做設(shè)計(jì)性、動(dòng)手性實(shí)驗(yàn),最后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)踐,這樣就可增強(qiáng)他們自主分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。課程學(xué)完之后通過(guò)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)這一實(shí)踐環(huán)節(jié),使學(xué)生從單片機(jī)的選型、外圍接口電路設(shè)計(jì)、編程及調(diào)試等各環(huán)節(jié)進(jìn)行一次系統(tǒng)的綜合訓(xùn)練,例如電子鐘、步進(jìn)電機(jī)控制器、單片機(jī)交通燈控制器等的軟、硬件設(shè)計(jì),使學(xué)生具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)能力。

在教學(xué)手段方面,采用板書和多媒體相結(jié)合進(jìn)行直觀教學(xué)以及學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐操作外,還應(yīng)充分發(fā)揮校園網(wǎng)、Internet在教學(xué)中的作用。教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)查閱、消化和運(yùn)用一些網(wǎng)絡(luò)資源,如廠家提供的芯片技術(shù)資料、單片機(jī)論壇和教學(xué)網(wǎng)站里面大量的設(shè)計(jì)案例、技術(shù)文章和單片機(jī)軟硬件資源,為自己進(jìn)行單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。

3 綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法,提高教學(xué)質(zhì)量和效果

在單片機(jī)的教學(xué)中根據(jù)不同的教學(xué)對(duì)象和教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)方法,如演示法、實(shí)物法、互動(dòng)法、類比法、啟發(fā)法、討論法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法等,可以起到事半功倍的教學(xué)效果。上單片機(jī)第一堂課,教師可以帶一個(gè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的實(shí)物到教室,為學(xué)生演示一個(gè)單片機(jī)控制的“走馬燈”實(shí)例,其它上課時(shí)間也可以根據(jù)需要通過(guò)實(shí)物或多媒體向?qū)W生演示單片機(jī)的工作過(guò)程,這不僅可以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣,而且使學(xué)生對(duì)單片機(jī)及外圍電路有一個(gè)感性認(rèn)識(shí),為其逐步學(xué)會(huì)應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。講課過(guò)程中要有師生間的交流互動(dòng),鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑,并為學(xué)生提供自由提問(wèn)、質(zhì)疑、探究、討論問(wèn)題的機(jī)會(huì),讓學(xué)生通過(guò)個(gè)人、小組、集體等多種形式解難釋疑。作為教師,要密切注意學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的表現(xiàn),適當(dāng)適時(shí)啟發(fā)學(xué)生思考,充分挖掘不同層次學(xué)生的潛力,這是取得良好教學(xué)效果的保證。另外,對(duì)重點(diǎn)概念卻比較抽象的知識(shí)可采用類比法進(jìn)行教學(xué)。比如中斷、定時(shí)器溢出概念,可分別用接電話和鬧鐘等生活中的事例來(lái)類比講解,有助于學(xué)生理解和掌握這些難懂的概念。當(dāng)學(xué)生對(duì)單片片機(jī)的應(yīng)用有了初步了解后,可以針對(duì)某個(gè)知識(shí)塊采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法對(duì)學(xué)生提出具體的設(shè)計(jì)要求,比如對(duì)并行I/O口的使用這部分內(nèi)容,可以給出這樣一個(gè)任務(wù),單片機(jī)的P1口連接8個(gè)按鍵,P0口通過(guò)上拉電阻接8個(gè)發(fā)光二極管,編程實(shí)現(xiàn)按下某個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管亮的程序。運(yùn)行成功后可以改變硬件連接,比如斷開上拉電阻,觀察運(yùn)行結(jié)果;或者改變P1口為P2口,如何修改程序等,通過(guò)對(duì)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,可以達(dá)到對(duì)并行I/O口的靈活使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng),從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)模式和教學(xué)方法等多方面提出了單片機(jī)改革的必要性和具體措施,在單片機(jī)的教學(xué)中引入單片機(jī)C語(yǔ)言開發(fā)工具Keil C51和仿真工具Proteus,在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中取得良好的教學(xué)效果,值得其他院校借鑒。

注釋

①房惠龍.基于Proteus的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)建[J].常州:常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007(6).

②林志琦等.基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

③張玉均.基于Proteus的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)研究與探討[J].太原:太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007(76).