高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革初探

劉院英 胡愛(ài)華 趙寶琴

【摘要】本文分析了目前高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(dòng)手能力和創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的最佳統(tǒng)一。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);實(shí)驗(yàn);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(jī)又稱微控制器,是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支。由于單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性好、價(jià)格便宜、應(yīng)用靈活等特點(diǎn),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(guò)程控制等領(lǐng)域,可以說(shuō)單片機(jī)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。目前高校的計(jì)算機(jī)類、電子類、控制類等專業(yè)都開(kāi)設(shè)了單片機(jī)課程。該課程是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程,因此實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題,如何通過(guò)改革單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法,充分調(diào)動(dòng)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(dòng)性和創(chuàng)新能力,成為了本學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重中之重。

1.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

大多數(shù)高校在單片機(jī)課程的理論教學(xué)中,先介紹單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳、再講匯編指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、然后講存儲(chǔ)器擴(kuò)展、最后講單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展和各種外圍芯片的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)課一般在匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)講完之后才開(kāi)始進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)課設(shè)置存在以下問(wèn)題。

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力;實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般使用教學(xué)用實(shí)驗(yàn)箱,實(shí)驗(yàn)箱在出廠時(shí),已經(jīng)把單片機(jī)和外圍芯片的大部分接線連接好了。實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)給出的接線圖、實(shí)驗(yàn)方法和步驟操作,通過(guò)安裝在PC機(jī)上的仿真軟件,把匯編程序輸?shù)絇C機(jī)上,然后通過(guò)串口通信,把編譯好的機(jī)器碼傳送到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)PC機(jī)、示波器、萬(wàn)用表以及其它一些輔助設(shè)備觀察。

這種實(shí)驗(yàn)箱性能穩(wěn)定,避免了學(xué)生自己搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來(lái)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(shí)驗(yàn)環(huán)境。但是,它缺少培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識(shí)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(dòng)性。本來(lái)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就看不見(jiàn)摸不到,學(xué)生們學(xué)起來(lái)感覺(jué)很抽象,再加上實(shí)驗(yàn)箱中單片機(jī)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(jī)和其它芯片的連接。甚至有的同學(xué)做完了實(shí)驗(yàn),竟然不知道單片機(jī)在本實(shí)驗(yàn)中起到什么作用。

1.2實(shí)驗(yàn)課時(shí)少;由于課時(shí)限制等因素,單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)很少,一般在8-12個(gè)課時(shí)左右。其中入門實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)至少要占4個(gè)課時(shí),所以設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率不高,其結(jié)果是學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)缺少一個(gè)整體的了解與認(rèn)識(shí)。

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

通過(guò)以上分析可以看出,目前單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識(shí)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(dòng)性,學(xué)生普遍反映單片機(jī)這門課太難學(xué)或者沒(méi)有收獲。為了適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)單片機(jī)行業(yè)人才的需求,必須對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。

2.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

針對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題,可以從以下幾個(gè)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(jī)的開(kāi)發(fā)采用匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的語(yǔ)言,其匯編指令與機(jī)器指令一一對(duì)應(yīng),要想完成某種操作,就必須考慮計(jì)算機(jī)的硬件如何工作。由于匯編語(yǔ)言程序要安排運(yùn)算的每一個(gè)細(xì)節(jié),這就使得編寫匯編語(yǔ)言程序比較繁瑣、復(fù)雜。一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式或計(jì)算方法,也要用一系列匯編指令一步一步來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外,調(diào)試匯編語(yǔ)言程序要比調(diào)試高級(jí)語(yǔ)言程序困難得多。

現(xiàn)在市場(chǎng)上單片機(jī)開(kāi)發(fā)己經(jīng)普遍采用了C51高級(jí)語(yǔ)言。和匯編語(yǔ)言相比,C51高級(jí)語(yǔ)言具有程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),一條C語(yǔ)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(shí)現(xiàn)和調(diào)試。C51與C語(yǔ)言十分類似,通過(guò)先修課程C語(yǔ)言的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)有一定的基礎(chǔ),學(xué)起C51會(huì)很快入門。所以為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開(kāi)發(fā)能力,我們可以在實(shí)驗(yàn)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(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件,運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上。它支持主流單片機(jī)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(shí)由于在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能,同時(shí)可以觀察各個(gè)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(jī)的實(shí)驗(yàn)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(shí)間利用這些虛擬工具完成一些實(shí)驗(yàn)題目,整個(gè)過(guò)程如同操作硬件仿真器一樣。過(guò)去需要到實(shí)驗(yàn)室操作電子儀器設(shè)備、電子元件才能完成單片機(jī)等實(shí)驗(yàn),現(xiàn)在只要一臺(tái)電腦,就可在該軟件環(huán)境下快速輕松地實(shí)現(xiàn)。對(duì)于學(xué)習(xí)單片機(jī)的學(xué)生來(lái)說(shuō),擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一套Proteus軟件,就可以隨時(shí)隨地開(kāi)展單片機(jī)的學(xué)習(xí)了。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整;目前市場(chǎng)上單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類繁多,但總的來(lái)說(shuō),都能夠完成相關(guān)的軟件實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)中,我們可以把實(shí)驗(yàn)分成入門實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及綜合性實(shí)驗(yàn)五部分。入門實(shí)驗(yàn)主要是完成對(duì)單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)箱的硬件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的熟悉。軟件實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生盡快掌握匯編指令,提高編程水平,這類實(shí)驗(yàn)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所用的例子應(yīng)該與實(shí)際生活相結(jié)合,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)給出實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟、相應(yīng)連線以及軟件程序,讓學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。比如我們可以給出8155控制交通燈的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生們驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生們可以進(jìn)一步了解單片機(jī)及外圍芯片的作用,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力。這類實(shí)驗(yàn)可以選擇利用P1口進(jìn)行輸入輸出、利用定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)、利用中斷系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)通信。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)只列出各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的、要求和原理性的說(shuō)明,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程自行設(shè)計(jì)完成任務(wù)。綜合性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生要有廣闊的知識(shí)面,要對(duì)所學(xué)知識(shí)有較全面的掌握。開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)的目的,是為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目包括:電子音響、LED點(diǎn)陣顯示、數(shù)字溫度傳感器、邏輯加密IC存儲(chǔ)卡讀寫等實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行這部分實(shí)驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中,學(xué)生可任意挑選感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,自行在課余時(shí)間完成。在實(shí)現(xiàn)此類實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生們可以利用所學(xué)的C51編程和Proteus軟件來(lái)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(jī)的興趣;為了提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣,可以在剛開(kāi)課時(shí)給學(xué)生布置課下作業(yè),讓他們?cè)诰W(wǎng)上搜索單片機(jī)的用處以及列舉他自己身邊單片機(jī)的影子?；蛘哐?qǐng)有單片機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來(lái)學(xué)校作有關(guān)單片機(jī)的講座,使學(xué)生了解單片機(jī)在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、計(jì)算機(jī)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(jī)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(huì)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(guò)努力實(shí)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(guò)程中,教師以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向,整個(gè)教學(xué)過(guò)程圍繞教學(xué)目標(biāo)展開(kāi)。在教學(xué)目標(biāo)的刺激下,學(xué)生為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)而努力學(xué)習(xí)。這種方法的突出特點(diǎn)是教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中確立以理論為實(shí)踐服務(wù)的指導(dǎo)思想,注重知識(shí)的實(shí)用性,有的放矢地培養(yǎng)學(xué)生,倡導(dǎo)教學(xué)過(guò)程中師生間的互動(dòng)性,并以此來(lái)確保教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。教學(xué)過(guò)程一般分為制定目標(biāo)—展示目標(biāo)—實(shí)施目標(biāo)—檢測(cè)目標(biāo)—矯正深化達(dá)成目標(biāo)等幾個(gè)階段。

將這種方法應(yīng)用到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可以引起學(xué)生的興趣,提高學(xué)生獨(dú)立思考能力和解決問(wèn)題的能力。實(shí)施時(shí),教師先制定本次實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),并在實(shí)驗(yàn)室演示目標(biāo)問(wèn)題的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程。然后,讓學(xué)生從硬件設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程中不合理的地方,由學(xué)生進(jìn)行修改,從而完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課的整個(gè)過(guò)程。在實(shí)施的過(guò)程中,老師可以引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際應(yīng)用與所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)、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(shí)在實(shí)際應(yīng)用中的作用。在解決問(wèn)題的過(guò)程中,學(xué)生置于實(shí)際問(wèn)題之中,使學(xué)生可以清楚地認(rèn)識(shí)到單片機(jī)的原理、概念在實(shí)際生活中的意義。這對(duì)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(wèn)題的能力極有益處。

2.3 增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)。單片機(jī)是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課程。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)是掌握單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié),對(duì)理工科大學(xué)生實(shí)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(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí),讓學(xué)生有盡量多的時(shí)間在實(shí)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(shí)點(diǎn)完全可以從課堂上的理論教學(xué)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。當(dāng)然這也利于綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

2.4 實(shí)驗(yàn)考核模式的改革。目前,很多高等院校對(duì)單片機(jī)這門課程只有理論考試沒(méi)有實(shí)驗(yàn)考核,有的院校即便有實(shí)驗(yàn)考核,也只是僅看本學(xué)期實(shí)驗(yàn)課所做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告而已,不進(jìn)行任何考試。要改變單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀,就必須把理論與實(shí)驗(yàn)分開(kāi),分別考試?？荚囯m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(huì)給學(xué)生造成—個(gè)誤區(qū),認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課不重要,因此也就不會(huì)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(shí)驗(yàn)之后,我們進(jìn)行一次考試。教師事先擬定好幾個(gè)題目,題目的內(nèi)容與本學(xué)期所做實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容相近,由考生抽簽來(lái)決定自己做的題目并當(dāng)場(chǎng)于規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成?？荚嚂r(shí),學(xué)生可以帶課本、以前寫好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告等資料。考試成績(jī)由教師檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果后給出。期末實(shí)驗(yàn)課成績(jī)由實(shí)驗(yàn)課考試成績(jī)(占80%)和平時(shí)出勤情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交情況(共占20%)進(jìn)行綜合評(píng)定給出。

3.結(jié)束語(yǔ)

由于單片機(jī)本身軟、硬兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn),在單片機(jī)課程的教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)課程改革的—些思路。隨著單片機(jī)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(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的最佳統(tǒng)一,以適應(yīng)科技時(shí)代不斷發(fā)展的需要。

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收稿日期:2009-11-04