高校單片機實驗教學(xué)的改革初探

劉院英 胡愛華 趙寶琴

【摘要】本文分析了目前高校單片機實驗教學(xué)中存在的不足,并從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面提出了單片機實驗課程改革的一些思路。教師只有不斷豐富教學(xué)內(nèi)容,改進(jìn)教學(xué)方法,才能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力,實現(xiàn)教與學(xué)的最佳統(tǒng)一。

【關(guān)鍵詞】單片機;實驗;教學(xué)改革

MCU College of Teaching Reform Experiment

Liu YuanyingHu AihuaZhao Baoqin

【Abstract】This paper analyzes the current experimental teaching in colleges and universities MCU shortcomings, and from the teaching content and teaching methods proposed by both the microcontroller experiment ideas for curriculum reform. Only by continuously enrich the content of teacher education, improve teaching methods, in order to develop students practical ability and creative ability to achieve the best unity of teaching and learning.

【Key words】Microcontroller; Experiment; Teaching reform

單片機又稱微控制器,是微型計算機的一個重要分支。由于單片機具有功能強、體積小、可靠性好、價格便宜、應(yīng)用靈活等特點,因此廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域,可以說單片機已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。目前高校的計算機類、電子類、控制類等專業(yè)都開設(shè)了單片機課程。該課程是一門理論性和實踐性都很強的課程,因此實驗教學(xué)應(yīng)該占很重要的地位。然后,目前很多高校中單片機實驗教學(xué)存在問題,如何通過改革單片機實驗教學(xué)的內(nèi)容和方法,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,進(jìn)一步發(fā)揮他們的主觀能動性和創(chuàng)新能力,成為了本學(xué)科實驗教學(xué)的重中之重。

1.單片機實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

大多數(shù)高校在單片機課程的理論教學(xué)中,先介紹單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳、再講匯編指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計、然后講存儲器擴(kuò)展、最后講單片機系統(tǒng)的擴(kuò)展和各種外圍芯片的應(yīng)用。實驗課一般在匯編語言程序設(shè)計講完之后才開始進(jìn)行。實驗課設(shè)置存在以下問題。

1.1實驗設(shè)備不能鍛煉學(xué)生的動手能力;實驗教學(xué)一般使用教學(xué)用實驗箱,實驗箱在出廠時,已經(jīng)把單片機和外圍芯片的大部分接線連接好了。實驗時,學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書給出的接線圖、實驗方法和步驟操作,通過安裝在PC機上的仿真軟件,把匯編程序輸?shù)絇C機上,然后通過串口通信,把編譯好的機器碼傳送到單片機實驗箱。實驗結(jié)果通過PC機、示波器、萬用表以及其它一些輔助設(shè)備觀察。

這種實驗箱性能穩(wěn)定,避免了學(xué)生自己搭建實驗設(shè)備帶來的不確定性,從—定程度上可以讓學(xué)生盡快熟悉和進(jìn)入實驗環(huán)境。但是,它缺少培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合運用知識的能力,也不利于進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性。本來單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就看不見摸不到,學(xué)生們學(xué)起來感覺很抽象,再加上實驗箱中單片機和外圍芯片的連接也早已經(jīng)固定好,所以很不利于學(xué)生們掌握單片機和其它芯片的連接。甚至有的同學(xué)做完了實驗,竟然不知道單片機在本實驗中起到什么作用。

1.2實驗課時少;由于課時限制等因素,單片機原理與應(yīng)用實驗學(xué)時很少,一般在8-12個課時左右。其中入門實驗、軟件實驗和驗證性實驗至少要占4個課時,所以設(shè)計型和綜合型實驗開出率不高,其結(jié)果是學(xué)生對所學(xué)的知識缺少一個整體的了解與認(rèn)識。

1.3學(xué)生在思想上不重視;我國目前的文化教育,重視理論輕視實踐,這造成了學(xué)生們從小就重視理論知識的學(xué)習(xí)而輕視動手實踐。另外,在考核方式上,實驗課一般作為理論課考試分值的一部分,即使實驗課單獨考核,往往也只占很少的學(xué)分,并且只要寫過實驗報告就基本可以通過。久而久之,大部分學(xué)生也滋生了重視理論課程輕視實驗的思想。

通過以上分析可以看出,目前單片機的實驗教學(xué)顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合運用知識的能力,也不能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性,學(xué)生普遍反映單片機這門課太難學(xué)或者沒有收獲。為了適應(yīng)當(dāng)今社會對單片機行業(yè)人才的需求,必須對單片機實驗教學(xué)進(jìn)行改革。

2.單片機實驗教學(xué)的改革

針對單片機實驗教學(xué)存在的問題,可以從以下幾個方面進(jìn)行改革。

2.1教學(xué)內(nèi)容的改革。

2.1.1增加C5l的編程訓(xùn)練;目前教學(xué)中,單片機的開發(fā)采用匯編語言。匯編語言是一種面向機器的語言,其匯編指令與機器指令一一對應(yīng),要想完成某種操作,就必須考慮計算機的硬件如何工作。由于匯編語言程序要安排運算的每一個細(xì)節(jié),這就使得編寫匯編語言程序比較繁瑣、復(fù)雜。一個簡單的計算公式或計算方法,也要用一系列匯編指令一步一步來實現(xiàn)。另外,調(diào)試匯編語言程序要比調(diào)試高級語言程序困難得多。

現(xiàn)在市場上單片機開發(fā)己經(jīng)普遍采用了C51高級語言。和匯編語言相比,C51高級語言具有程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好、易于維護(hù)等優(yōu)點,一條C語言相當(dāng)于幾條匯編指令,完成同樣功能程序的行數(shù)也大大縮小,更便于復(fù)雜算法的實現(xiàn)和調(diào)試。C51與C語言十分類似,通過先修課程C語言的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)有一定的基礎(chǔ),學(xué)起C51會很快入門。所以為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開發(fā)能力,我們可以在實驗中給學(xué)生增加C51的編程訓(xùn)練。

2.1.2 Protues軟件的學(xué)習(xí);Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件,運行于Windows操作系統(tǒng)上。它支持主流單片機系統(tǒng)的仿真,如68000系列、8051系列、AVR系列、PI C12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。還可以仿真模擬電路、數(shù)字電路、RS232、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)、各種虛擬儀器等。同時由于在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能,同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài),因此在該軟件仿真系統(tǒng)中,也具有這些功能。

在單片機的實驗教學(xué)中,可以讓學(xué)生自學(xué)Proteus。學(xué)生學(xué)習(xí)了Proteus之后,可以在課余時間利用這些虛擬工具完成一些實驗題目,整個過程如同操作硬件仿真器一樣。過去需要到實驗室操作電子儀器設(shè)備、電子元件才能完成單片機等實驗,現(xiàn)在只要一臺電腦,就可在該軟件環(huán)境下快速輕松地實現(xiàn)。對于學(xué)習(xí)單片機的學(xué)生來說,擁有一臺計算機和一套Proteus軟件,就可以隨時隨地開展單片機的學(xué)習(xí)了。

2.1.3 實驗內(nèi)容的調(diào)整;目前市場上單片機實驗設(shè)備種類繁多,但總的來說,都能夠完成相關(guān)的軟件實驗和硬件實驗。在教學(xué)中,我們可以把實驗分成入門實驗、軟件實驗、驗證實驗、設(shè)計性實驗及綜合性實驗五部分。入門實驗主要是完成對單片機仿真實驗箱的硬件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境的熟悉。軟件實驗可以幫助學(xué)生盡快掌握匯編指令,提高編程水平,這類實驗可以選擇外部RAM數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)區(qū)清零、數(shù)據(jù)排序等讓學(xué)生們練習(xí)。驗證性實驗所用的例子應(yīng)該與實際生活相結(jié)合,實驗指導(dǎo)書給出實驗要求、實驗步驟、相應(yīng)連線以及軟件程序,讓學(xué)生按實驗指導(dǎo)書實現(xiàn)相應(yīng)功能。比如我們可以給出8155控制交通燈的實驗讓學(xué)生們驗證。通過驗證性實驗,學(xué)生們可以進(jìn)一步了解單片機及外圍芯片的作用,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。設(shè)計性實驗,可以培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力及創(chuàng)新能力。這類實驗可以選擇利用P1口進(jìn)行輸入輸出、利用定時器進(jìn)行定時、利用中斷系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場控制、利用A/D,D/A芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換、利用串口進(jìn)行兩機通信。實驗指導(dǎo)書只列出各個實驗項目的目的、要求和原理性的說明,學(xué)生在實驗過程自行設(shè)計完成任務(wù)。綜合性實驗要求學(xué)生要有廣闊的知識面,要對所學(xué)知識有較全面的掌握。開設(shè)綜合性實驗的目的,是為了提高學(xué)生的實驗技能和和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。實驗的項目包括:電子音響、LED點陣顯示、數(shù)字溫度傳感器、邏輯加密IC存儲卡讀寫等實驗。在進(jìn)行這部分實驗的過程當(dāng)中,學(xué)生可任意挑選感興趣的實驗項目,自行在課余時間完成。在實現(xiàn)此類實驗過程中,學(xué)生們可以利用所學(xué)的C51編程和Proteus軟件來幫助完成任務(wù)。

2.2教學(xué)方法改革。

2.2.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣;為了提高學(xué)生對單片機課程的學(xué)習(xí)興趣,可以在剛開課時給學(xué)生布置課下作業(yè),讓他們在網(wǎng)上搜索單片機的用處以及列舉他自己身邊單片機的影子。或者邀請有單片機開發(fā)經(jīng)驗的技術(shù)人員來學(xué)校作有關(guān)單片機的講座,使學(xué)生了解單片機在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、計算機外部設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)學(xué)生們明白了單片機的作用,尤其是看到廣闊的就業(yè)前景之后,學(xué)習(xí)興趣自然就會提高。

2.2.2 用目標(biāo)教學(xué)法促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí);目標(biāo)教學(xué)法是指提出教學(xué)目標(biāo),通過努力實現(xiàn)目標(biāo),達(dá)到教學(xué)目的的一種教學(xué)方法。在教學(xué)過程中,教師以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向,整個教學(xué)過程圍繞教學(xué)目標(biāo)展開。在教學(xué)目標(biāo)的刺激下,學(xué)生為實現(xiàn)目標(biāo)而努力學(xué)習(xí)。這種方法的突出特點是教學(xué)活動過程中確立以理論為實踐服務(wù)的指導(dǎo)思想,注重知識的實用性,有的放矢地培養(yǎng)學(xué)生,倡導(dǎo)教學(xué)過程中師生間的互動性,并以此來確保教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。教學(xué)過程一般分為制定目標(biāo)—展示目標(biāo)—實施目標(biāo)—檢測目標(biāo)—矯正深化達(dá)成目標(biāo)等幾個階段。

將這種方法應(yīng)用到單片機實驗教學(xué)中,可以引起學(xué)生的興趣,提高學(xué)生獨立思考能力和解決問題的能力。實施時,教師先制定本次實驗要實現(xiàn)的目標(biāo),并在實驗室演示目標(biāo)問題的實際運行過程。然后,讓學(xué)生從硬件設(shè)計部分入手,再到軟件編程,使軟、硬件相結(jié)合,最后,由老師進(jìn)行檢查,指出軟硬件設(shè)計過程中不合理的地方,由學(xué)生進(jìn)行修改,從而完成單片機實驗課的整個過程。在實施的過程中,老師可以引導(dǎo)學(xué)生將實際應(yīng)用與所學(xué)的知識點、指令、原理緊緊地聯(lián)系在一起,使學(xué)生清楚地了解理論知識在實際應(yīng)用中的作用。在解決問題的過程中,學(xué)生置于實際問題之中,使學(xué)生可以清楚地認(rèn)識到單片機的原理、概念在實際生活中的意義。這對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)創(chuàng)造能力及分析、解決問題的能力極有益處。

2.3 增加實驗學(xué)時數(shù)。單片機是實踐性很強的一門課程。單片機實驗是掌握單片機應(yīng)用技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié),對理工科大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用。筆者認(rèn)為應(yīng)該增加實驗課學(xué)時,讓學(xué)生有盡量多的時間在實踐中進(jìn)行學(xué)習(xí),如果再配合目標(biāo)教學(xué)法,很多理論知識點完全可以從課堂上的理論教學(xué)轉(zhuǎn)移到實驗教學(xué)中。當(dāng)然這也利于綜合性設(shè)計實驗的開展。

2.4 實驗考核模式的改革。目前,很多高等院校對單片機這門課程只有理論考試沒有實驗考核,有的院校即便有實驗考核,也只是僅看本學(xué)期實驗課所做實驗的實驗報告而已,不進(jìn)行任何考試。要改變單片機實驗教學(xué)的現(xiàn)狀,就必須把理論與實驗分開,分別考試。考試雖然不是檢查和促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的唯—手毆,但是不考試會給學(xué)生造成—個誤區(qū),認(rèn)為實驗課不重要,因此也就不會認(rèn)真學(xué)習(xí)。因而筆者在參考了其他一些高校的做法后認(rèn)為。在做完所有實驗之后,我們進(jìn)行一次考試。教師事先擬定好幾個題目,題目的內(nèi)容與本學(xué)期所做實驗的內(nèi)容相近,由考生抽簽來決定自己做的題目并當(dāng)場于規(guī)定的時間內(nèi)完成?？荚嚂r,學(xué)生可以帶課本、以前寫好的實驗報告等資料?？荚嚦煽冇山處煓z查實驗結(jié)果后給出。期末實驗課成績由實驗課考試成績(占80%)和平時出勤情況、實驗報告提交情況(共占20%)進(jìn)行綜合評定給出。

3.結(jié)束語

由于單片機本身軟、硬兼?zhèn)涞奶攸c,在單片機課程的教學(xué)中,實驗環(huán)節(jié)直接關(guān)系到教學(xué)效果的好壞。本文分析了目前高校單片機實驗教學(xué)中存在的不足,并從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面提出了單片機實驗課程改革的—些思路。隨著單片機技術(shù)的迅速發(fā)展,教師應(yīng)不斷調(diào)整教學(xué)理念,豐富教學(xué)內(nèi)容,改進(jìn)教學(xué)模式,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力,實現(xiàn)教與學(xué)的最佳統(tǒng)一,以適應(yīng)科技時代不斷發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡漢才。單片機原理及其接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社.2004.

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

[3] 李莉.單片機實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].電腦與電.2008,4:71—72

[4] 高健.目標(biāo)教學(xué)法在單片機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育,2009,2:89—90.

[5] 魯曉麗, 張國輝.單片機實驗教學(xué)改革的探索[J].黑龍江科技信息.2008,35:269—270

收稿日期:2009-11-04