處理芯片類課程的教學(xué)法改革初探

許強(qiáng) 重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 400074

處理芯片類課程的教學(xué)法改革初探

許強(qiáng) 重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 400074

針對電類專業(yè)涉及處理芯片類的專業(yè)課程，如《單片機(jī)及應(yīng)用》等，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的階段特點(diǎn)，設(shè)計“三步”教學(xué)法，第一步以基礎(chǔ)仿真教學(xué)法為主，注重初期學(xué)生的理論扎實(shí)性和生動性；第二步突出集成仿真教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生工程系統(tǒng)集成設(shè)計的培養(yǎng)；第三步虛實(shí)結(jié)合教學(xué)法，突顯實(shí)作技能培養(yǎng)的目的性，提高學(xué)生實(shí)際設(shè)計、調(diào)試和各儀器運(yùn)用綜合能力。此套教學(xué)法，減少了教學(xué)的抽象性、復(fù)雜性、節(jié)省了教學(xué)成本、增強(qiáng)了趣味性，提高了學(xué)習(xí)信心。

仿真;集成仿真;虛實(shí)結(jié)合;教學(xué)改革;

1、引言

處理芯片類課程涉及《單片機(jī)原理及應(yīng)用》《微機(jī)原理接口技術(shù)》《嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用》《EDA原理及應(yīng)用》等課程，受眾學(xué)生多，在各大專院校、 職業(yè)培訓(xùn)學(xué)校均開設(shè)，且開設(shè)的專業(yè)也多，如電子信息、計算機(jī)應(yīng)用、通信工程、機(jī)電一體、儀器儀表、自動控制等專業(yè)，這類課程的共同特點(diǎn)是注重理論，更重視實(shí)訓(xùn)，是專業(yè)職業(yè)教育的終端課，是對電氣信息類專業(yè)學(xué)生的職業(yè)生涯有巨大幫助的課程。

通過走訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)許多高校、職校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)就這類課程采用傳統(tǒng)式的教學(xué)法還有一定比例，課堂上少量的板書和大量的PPT文檔和圖文施以教學(xué)，缺乏直觀生動的教學(xué)方法，而且少有集成大系統(tǒng)在課堂上進(jìn)行圖示分析和系統(tǒng)設(shè)計過程的解析，在實(shí)驗(yàn)課上，還局限于實(shí)驗(yàn)箱上的實(shí)訓(xùn)，實(shí)驗(yàn)單一、簡單手工化，無法得到實(shí)質(zhì)訓(xùn)練，也有少量采用芯片搭建訓(xùn)練，但消耗成本高、單一實(shí)驗(yàn)周期長、內(nèi)容單一、缺少真正系統(tǒng)集成[1][2]。針對這些不足，探索符合這類課程的教學(xué)理念、內(nèi)容、方法和手段，是非常迫切的。筆者提出了基礎(chǔ)仿真教學(xué)法、集成仿真教學(xué)法和虛實(shí)結(jié)合教學(xué)法為一體的三步驟教學(xué)法，此處稱“三步”法，就是以基礎(chǔ)仿真為基礎(chǔ)訓(xùn)練，集成仿真為深度訓(xùn)練，虛實(shí)結(jié)合為工程系統(tǒng)綜合設(shè)計性演練的教學(xué)套路。經(jīng)過筆者多年的教學(xué)實(shí)踐證明，該教學(xué)法是行之有效的，學(xué)生學(xué)習(xí)效果、創(chuàng)新能力明顯得到加強(qiáng)。

2、“三步”教學(xué)法在教學(xué)過程中的應(yīng)用

2.1 基礎(chǔ)仿真法的應(yīng)用

在眾多仿真及開發(fā)軟件，如Protues、Labview、EWB、MATLAB、ORCAD、Protel、PSPIC、Multisim、VB、VC等，選中適合處理芯片類課程的仿真軟件Protues，適合數(shù)據(jù)處理分析的仿真軟件MATLAB，在處理芯片類課程的理論教學(xué)中，以MATLAB對公式、處理算法的仿真分析，目的是支持應(yīng)用環(huán)節(jié)的算法編程，比如類似自動控制PID調(diào)節(jié)算法等，讓學(xué)生真正撐握應(yīng)用中的高尖知識。但最重要的是采用Protues軟件，由于軟件本身提供了上千種虛擬器件，包括多種類型的處理芯片，并可在其上搭建虛擬系統(tǒng)，逼真模仿實(shí)際系統(tǒng)邏輯的運(yùn)行，教師在施教前，必須備好對應(yīng)章節(jié)的虛擬系統(tǒng)，比如就《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程，我們建立好了虛擬實(shí)驗(yàn)庫，所涉如接口擴(kuò)展、8255/8279/8253、鍵盤、LED動態(tài)顯示、LCD顯示、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換以及串行口和MAX232、陣列鍵盤與顯示組織、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)控制等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分覆蓋教材各章節(jié)的理論、公式和芯片模塊內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)課上，采用廣泛覆蓋原則，編排基礎(chǔ)仿真設(shè)計講解的項(xiàng)目，但基礎(chǔ)仿真系統(tǒng)項(xiàng)目突出第二步提到的集成仿真項(xiàng)目的各部件內(nèi)容。比如，為了達(dá)到圖1的綜合平臺系統(tǒng)的設(shè)計，在基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排上，選擇了接口擴(kuò)展、8255、鍵盤、LED動態(tài)顯示、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換以及串行口和MAX232等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為基礎(chǔ)仿真設(shè)計講解，并安排實(shí)驗(yàn)在8個課時左右，每個課時要讓學(xué)生完成一個老師指導(dǎo)下的設(shè)計演示驗(yàn)證小實(shí)驗(yàn)，通過動手設(shè)計電路圖、程序，并與課堂講解內(nèi)容相結(jié)合，從而鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識。

基礎(chǔ)仿真法一定在入門階段使用（即各章節(jié)講解段）。由于電路圖與程序逼真地結(jié)合，動感十足，讓課堂教學(xué)更生動直觀，學(xué)生易理解、互動性強(qiáng)，讓課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課既是可行的，又具有吸引性和挑戰(zhàn)性。

2.2 集成仿真教學(xué)法的應(yīng)用

由于芯片類課程教材大多數(shù)特點(diǎn)是：按章節(jié)，孤立解析相應(yīng)模塊的原理，加上傳統(tǒng)教學(xué)中一般很難作到，將實(shí)際工程產(chǎn)品再結(jié)合章節(jié)內(nèi)容，實(shí)施直觀詳細(xì)全面解析。不少學(xué)生把這類課程僅作為功能原理學(xué)習(xí)課，學(xué)完課程后很難將所學(xué)融入自主工程設(shè)計中去，更談不上創(chuàng)造了，其后果是學(xué)生僅為考試而學(xué)，因考試的本身又以功能原理的知識點(diǎn)為主。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生所學(xué)離實(shí)際工程應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)，為此學(xué)生常常產(chǎn)生怨言、社會對大學(xué)生職業(yè)能力產(chǎn)生質(zhì)疑。

如何擺脫這種只顧原理知識點(diǎn)，不顧工程職業(yè)素質(zhì)訓(xùn)練的缺陷教學(xué)，我們制定了第二階段教學(xué)法：集成仿真教學(xué)法。即集成前期多項(xiàng)單一仿真項(xiàng)目為一體（即：應(yīng)用系統(tǒng)）的過程實(shí)施教學(xué)法。

Protues為集成仿真教學(xué)法的開展提供了可能，在教學(xué)實(shí)踐過程中，筆者總結(jié)了如下實(shí)施過程：

1）、建立好與理論、公式相結(jié)合的單一仿真項(xiàng)目；其項(xiàng)目本身一定要是集成系統(tǒng)的部件內(nèi)容。如2.1所述例舉，講到哪里，添加相應(yīng)模塊到集成環(huán)境中，如圖1，并添加必要的程序(程序略)，注重添加修改的每一步分析比較。

2）、所講項(xiàng)目內(nèi)容要設(shè)計成多個小設(shè)計作業(yè)和演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，布置給學(xué)生，借助學(xué)生的參與體驗(yàn)，互動性地講解這些內(nèi)容，分析系統(tǒng)環(huán)境的這些內(nèi)容硬件集成和軟件組合的過程和原理。

圖1 集成綜合平臺

圖2：0～5電壓測量表功能

圖3 波形發(fā)生器圖

圖4 簡易交通燈控制器

3）、隨時變換工程集成仿真思路，比較思路的效果，來擴(kuò)大學(xué)生創(chuàng)新意識。

比如就“單片機(jī)”課程，在數(shù)據(jù)顯示操作上，采用LCD：AMPIRE128*64來替代LED顯示數(shù)據(jù)；將PID智能化的算法[3]通過編程，加載到A/D到D/A的溫度、壓力控制課題等等。通過一系列比較創(chuàng)新式的現(xiàn)身傳授，學(xué)生的創(chuàng)新思維被透導(dǎo)激發(fā)出來，由此帶來學(xué)生自信心，并愿積極主動參與各類學(xué)科的創(chuàng)新活動，如“全國電子大賽”，“盛群杯”以及各種“社團(tuán)”。

4）、建立多套基于工程應(yīng)用的集成仿真實(shí)驗(yàn)庫，選擇一套作為學(xué)生的動手綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，安排6個學(xué)時來設(shè)計調(diào)試。比如“單片機(jī)”課程，其中一套如圖1的多功能的集成綜合平臺，有電壓表功能（圖2，LED數(shù)字顯示電壓值）、波形發(fā)生功能（圖3）、交通信號燈功能（圖4，LED每兩位顯示例計時時間），通過左列按鍵設(shè)定功能鍵進(jìn)行按鍵選擇，并指導(dǎo)學(xué)生如何集成虛擬器件，如何掌握按鍵選擇下的多功能集成編程技巧等。

2.3 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)法的應(yīng)用

集成仿真可以鍛煉學(xué)生的模塊集成和邏輯開發(fā)能力，能保障實(shí)際系統(tǒng)制作的快速順利進(jìn)行。

但是，我們也不能將實(shí)驗(yàn)教學(xué)完全建立在仿真的基礎(chǔ)上。仿真實(shí)驗(yàn)不是萬能的，它也有自己的缺陷：降低學(xué)生對真實(shí)器件的認(rèn)知程度；降低學(xué)生對實(shí)際出現(xiàn)問題的分析、解決能力，缺乏實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和真實(shí)調(diào)試儀器的運(yùn)用能力。為此教學(xué)過程中，采用第三步虛實(shí)結(jié)合教學(xué)法。

理論課上，教師利用實(shí)際學(xué)生制作過程中的問題，交流、討論和歸納。實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生動手將虛擬集成系統(tǒng)轉(zhuǎn)換制作成實(shí)際系統(tǒng)，獲取調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。安排上，進(jìn)入集成仿真階段時，就將集成仿真上所用到的芯片、必要的工具和消耗品按組發(fā)放到每組學(xué)生手中，讓學(xué)生明白按自己獨(dú)立設(shè)計的集成仿真系統(tǒng)來完成實(shí)作，給出實(shí)作在考核中的份量，實(shí)踐中我們采用實(shí)作占考核總成績的30%考核比例方案，課時安排上集中2課時為評判課，按制作布局、功能完成程度，按比例加以考核。

3、結(jié)論

按照“三步教學(xué)法”，首先合理規(guī)劃虛擬仿真項(xiàng)目與實(shí)作項(xiàng)目、內(nèi)容，以虛擬項(xiàng)目訓(xùn)練學(xué)生的理論分析、邏輯設(shè)計、程序編制、虛擬邏輯調(diào)試和虛擬創(chuàng)新等能力，以實(shí)作訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)際布版、芯片焊接和系統(tǒng)調(diào)試等能力。

通過實(shí)施改革，在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，出現(xiàn)讓教師頗感意外一些新氣象：

第一，工程內(nèi)容的理論與實(shí)際結(jié)合的講解更生動，更豐富，學(xué)生理解掌握更容易，目的性更明確；

第二，學(xué)生參與性更強(qiáng)，無論是課堂上、實(shí)驗(yàn)室還是課堂外，都在互相比拼、更有激情，常常學(xué)生為一些問題的解決而通宵達(dá)旦地工作，這種現(xiàn)象是以前沒有看到過的；

第三，學(xué)生主動性加強(qiáng)，常常在課后主動查閱大量的相關(guān)資料，主動與同學(xué)、教師探討問題，學(xué)習(xí)不再是被動的、實(shí)驗(yàn)不再是簡單的手工課，自主學(xué)習(xí)的潛力得到充分挖掘和發(fā)揮；

第四，學(xué)生創(chuàng)新意識得到激發(fā)，利用仿真的個性化、易操作化、易集成化和低成本化的特點(diǎn)，不斷優(yōu)化算法、不斷改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、不斷優(yōu)化程序并調(diào)試，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用創(chuàng)新版本；

第五，虛實(shí)結(jié)合也訓(xùn)練了學(xué)生的使用儀器的能力，如示波器、邏輯分析儀和開發(fā)器使用，并積累了系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)和提高學(xué)生工程設(shè)計與創(chuàng)新能力；

第六，參與課外科研社團(tuán)活動更積極，更有信心，為此學(xué)生還獲得過全國創(chuàng)業(yè)大賽金獎和“盛群杯”單片機(jī)大賽多個獎項(xiàng)。

第七，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的深度加深、廣度加大，長期訓(xùn)練后，改變了因?qū)W生“無技術(shù)”、“無經(jīng)驗(yàn)”而在就業(yè)職業(yè)道路上被拋棄的局面。

本文提出的教學(xué)改革，提升了電氣信息類專業(yè)課堂教學(xué)趣味性，推進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室發(fā)展，提供了工程人才的更快培養(yǎng)的變革，是培養(yǎng)工程創(chuàng)新人才的新模式。

[1]吳志祥等.Proteus仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)和科研中的應(yīng)用[J].電子工程師.2007, 33 (11):45-48. [2]周潤景,袁偉停.基于PROTEUS的ARM虛擬開發(fā)技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2007 [3]徐凱,許強(qiáng).仿真技術(shù)在電氣信息類專業(yè)中的應(yīng)用 [J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報.2009,21(1)113-117.作者簡介許強(qiáng)（1964-），男，高級工程師，主要研究方向：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)，測量與控制，智能交通，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.130

本文系重慶交通大學(xué)教改基金項(xiàng)目（編號SYJ200918）