單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)新方法研究

劉 鳳 劉志華 王洪濤 戴俊義 李 軍

中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院 江蘇南京 211101

單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)新方法研究

劉 鳳 劉志華 王洪濤 戴俊義 李 軍

中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院 江蘇南京 211101

針對(duì)單片機(jī)課程以實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)方式存在的不足，新增了Proteus與Keil聯(lián)合仿真實(shí)踐教學(xué)模塊，構(gòu)建了“雙實(shí)踐”教學(xué)模式。通過(guò)合理組織實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，充分融合了兩種實(shí)踐教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，不僅幫助學(xué)生理解課程知識(shí)點(diǎn)和提高動(dòng)手能力，還可提高教師的備課效率和教學(xué)效果，并為學(xué)生的課后復(fù)習(xí)和自學(xué)提供條件。

單片機(jī)；實(shí)踐教學(xué)；Proteus；Keil

Abstrcat: This paper is aimed at defect existed in practical teaching for Single-chip microcomputer which used experiment box as main practical platform, and builts a “dual-practice ”model which adds proteus and keil simulation experiment block. Both practical teaching methods’advantage are performed suff ciency by rational teaching organization. This model not only helps student understand knowledge and improve the practice ability, but also helps teacher improve eff ciency on preparing for lessons and teaching effects,and supplies conditions for student to review and self-study.

Key words: single-chip microcomputer; practical teaching; Proteus: Keil

單片機(jī)課程是電子、電氣、機(jī)電、測(cè)控等專(zhuān)業(yè)主干課程,是一門(mén)應(yīng)用設(shè)計(jì)類(lèi)課程,其內(nèi)容具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性,目前大多數(shù)高校都已針對(duì)該課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn),形成“理論+實(shí)踐”的教學(xué)模式,(如圖1所示)。

圖1 “理論+實(shí)踐”教學(xué)模式

理論教學(xué)環(huán)節(jié)多以單片機(jī)結(jié)構(gòu)為主線,形成以硬件原理、指令、軟件編程、系統(tǒng)擴(kuò)展及外圍器件四大模塊為主線的循序漸進(jìn)型授課模式,實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)多以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)踐平臺(tái),實(shí)驗(yàn)箱大多采用總線式結(jié)構(gòu),不能夠直觀展現(xiàn)出單片機(jī)及其他芯片的連接結(jié)構(gòu),做實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的要求在實(shí)驗(yàn)裝置上連線即可,通過(guò)計(jì)算機(jī)串口/仿真器將程序下載到目標(biāo)板中完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程變成了對(duì)硬件的機(jī)械式操作,從而使學(xué)生失去了對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)的理解。在2010年我院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程組開(kāi)展的“單片機(jī)課程”教學(xué)問(wèn)卷調(diào)查活動(dòng)中發(fā)現(xiàn),375名學(xué)生中, 65.3%能通過(guò)參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)將程序下載到目標(biāo)板中,完成單片機(jī)各功能模塊驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；23%的學(xué)生因硬件電路調(diào)試失敗或程序編寫(xiě)錯(cuò)誤5%的學(xué)生因課程基礎(chǔ)不牢、前后知識(shí)鏈斷裂等原因無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)；僅有6.7%的學(xué)生除參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的參考程序完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外,重新調(diào)整程序結(jié)構(gòu),通過(guò)二次編寫(xiě)程序達(dá)到靈活應(yīng)用單片機(jī)軟件的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此如何在有限的實(shí)踐課程中,充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,高質(zhì)量培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、動(dòng)手能力等綜合素質(zhì)將成為單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的核心內(nèi)容,也是順應(yīng)電路設(shè)計(jì)的發(fā)展和教育信息化的必然,更是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高質(zhì)量專(zhuān)業(yè)人才的保證。筆者所在單片機(jī)課程組在教學(xué)實(shí)踐改革中發(fā)現(xiàn),Proteus軟件在單片機(jī)仿真教學(xué)中,具有較好的直觀性,將Proteus和Keil聯(lián)合仿真平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)箱實(shí)踐教學(xué)相融合的“雙實(shí)踐”教學(xué)模式將大幅度提高單片機(jī)的實(shí)踐教學(xué)效果。

2 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

Proteus與Keil仿真軟件作為理論教學(xué)的同步實(shí)踐平臺(tái),實(shí)驗(yàn)箱作為“二次實(shí)踐”的教學(xué)平臺(tái),二者構(gòu)成的雙實(shí)踐教學(xué)模式旨在提高學(xué)生動(dòng)手能力和培養(yǎng)發(fā)散思維、創(chuàng)新能力綜合素質(zhì)(如圖2所示)。

圖2 “雙實(shí)踐”教學(xué)模式

仿真實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)同步階段應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)教學(xué)目標(biāo)：一是傳授單片機(jī)方面的基本理論、知識(shí)和技能,二是培養(yǎng)學(xué)習(xí)者系統(tǒng)地掌握單片機(jī)內(nèi)部功能模塊的工作原理及使用方法,并嘗試設(shè)計(jì)各種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),為以后嵌入式技術(shù)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。Proteus與Keil聯(lián)合仿真入門(mén)簡(jiǎn)單,硬件調(diào)試過(guò)程易操作、演示過(guò)程損耗小、與工程實(shí)踐最為接近等優(yōu)點(diǎn),可作為理論教學(xué)環(huán)節(jié)的同步實(shí)踐開(kāi)發(fā)平臺(tái),教師可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容隨堂演示相應(yīng)內(nèi)部資源的仿真系統(tǒng),同一系統(tǒng)可作多個(gè)單片機(jī)內(nèi)部資源仿真實(shí)驗(yàn)演示,教師只需根據(jù)教學(xué)內(nèi)容更改部分代碼或電路即可。同時(shí),學(xué)生需要在課后完成各個(gè)功能模塊的仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)及時(shí)講評(píng)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解課程的基本知識(shí)點(diǎn),并將實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定作為 “二次實(shí)踐”的分組參考依據(jù)。

利用Proteus的單片機(jī)仿真功能讓學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),有助于學(xué)生理解課程基本知識(shí)點(diǎn),但由于仿真與實(shí)際硬件存在差別和單一仿真實(shí)驗(yàn)的枯燥性讓學(xué)生感到厭倦,因此需要有效地開(kāi)展“二次實(shí)踐”教學(xué)。該環(huán)節(jié)仍采用現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐方式,以實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)（購(gòu)買(mǎi)）實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)。由于同一門(mén)課程、不同學(xué)生的原有認(rèn)知、學(xué)習(xí)能力、自身素質(zhì)等各有差異,因此教師應(yīng)通過(guò)理論授課和仿真實(shí)驗(yàn)課充分了解學(xué)生的上述多元智能情況,參照仿真成績(jī)和多元智能因素的相似度,將學(xué)生科學(xué)分組,每組成員4～5人,不同組將分配不同的“二次實(shí)踐”教學(xué)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。該過(guò)程中,教師還應(yīng)積極促進(jìn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的分享活動(dòng),部分學(xué)生本身的學(xué)習(xí)能力強(qiáng)并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)充分掌握該課程,實(shí)驗(yàn)中教師應(yīng)鼓勵(lì)該部分學(xué)生積極去指導(dǎo)其他學(xué)生,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

3 教學(xué)內(nèi)容組織

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容組織

在單片機(jī)的理論教學(xué)中,所涉及的內(nèi)容包括單片機(jī)系統(tǒng)資源、軟件技術(shù)和系統(tǒng)擴(kuò)展三大模塊。Proteus仿真教學(xué)時(shí),應(yīng)該充分考慮學(xué)生對(duì)電路、微機(jī)原理等先修課程掌握程度的不同,教師應(yīng)盡可能用簡(jiǎn)單、典型的教學(xué)實(shí)例仿真實(shí)驗(yàn)演示每堂課程知識(shí)點(diǎn),從實(shí)例提出的問(wèn)題需求、解決方案和實(shí)現(xiàn)過(guò)程貫穿到整個(gè)教學(xué)中,實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)踐與理論教學(xué)同步。

仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容可劃分為內(nèi)部功能模塊和系統(tǒng)擴(kuò)展模塊,內(nèi)部功能模塊以MCS-51系列單片機(jī)為例,通過(guò)各組實(shí)驗(yàn)仿真單片機(jī)輸入/輸出口、定時(shí)器、中斷等資源的工作情況,由于單片機(jī)所提供的資源多以寄存器和存儲(chǔ)器的方式體現(xiàn),因此該過(guò)程教師應(yīng)重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生如何使用寄存器和存儲(chǔ)器,包括寄存器內(nèi)容的修改和查看兩部分,系統(tǒng)擴(kuò)展模塊以數(shù)碼管、按鍵等基本I/O設(shè)備擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),學(xué)生通過(guò)時(shí)鐘設(shè)計(jì)綜合課題完整掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。Proteus仿真實(shí)驗(yàn)多以Keil作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),軟件教學(xué)演示主要涉及具體語(yǔ)句的執(zhí)行效果驗(yàn)證、算法的具體實(shí)現(xiàn)、程序中語(yǔ)法錯(cuò)誤的檢查和邏輯錯(cuò)誤的驗(yàn)證等內(nèi)容,該環(huán)節(jié)中教師不可采用純軟件驗(yàn)證設(shè)置演示,應(yīng)將Proteus與Keil進(jìn)行聯(lián)調(diào)驗(yàn)證演示,讓Keil環(huán)境中關(guān)鍵語(yǔ)句的修改通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)仿真效果驗(yàn)證,以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果(如圖3所示)。

圖3 單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)圖

仿真實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中,教師還應(yīng)注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)歷程反饋。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,每完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)后必須撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原?方法、教學(xué)步驟及結(jié)論4項(xiàng)內(nèi)容,使教師及時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)的完成情況。仿真實(shí)踐課結(jié)束后還需填寫(xiě)“仿真實(shí)踐教學(xué)調(diào)查表”,調(diào)查表主要 包括責(zé)任分擔(dān)、參與程度、完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的能力以及是否有再次和組內(nèi)人員合作的意愿等,使教師了解其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn),通過(guò)學(xué)生自評(píng)、學(xué)習(xí)伙伴互評(píng)、教師評(píng)價(jià)等3方面給出學(xué)生的“仿真實(shí)踐”表現(xiàn)成績(jī)。

3.2 “二次實(shí)踐”教學(xué)內(nèi)容組織

“二次實(shí)踐”教學(xué)模式以實(shí)驗(yàn)箱及自制電路板為開(kāi)發(fā)平臺(tái),參照仿真實(shí)踐成績(jī)和個(gè)人學(xué)習(xí)能力、興趣程度多元智能因素的相似度,將學(xué)生分為3個(gè)層次進(jìn)行“二次實(shí)踐”教學(xué)組織。

3.2.1 功能性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱為硬件平臺(tái),實(shí)驗(yàn)箱集成仿真實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)功能模塊,仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)合格以上者可通過(guò)計(jì)算機(jī)將仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的程序下載到目標(biāo)板中,通過(guò)連接硬件電路,不斷調(diào)試系統(tǒng)完成仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證性工作,并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)。

3.2.2 興趣型實(shí)驗(yàn)

以小型單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱為開(kāi)發(fā)平臺(tái),仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)良好以上者通過(guò)計(jì)算機(jī)將自編寫(xiě)程序下載至芯片內(nèi)部,通過(guò)靈活設(shè)計(jì)程序達(dá)到靈活應(yīng)用軟件的目的。小型實(shí)驗(yàn)箱集成數(shù)碼管顯示、液晶顯示、電機(jī)模塊、D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換等豐富模塊,其面積在20cm×15cm內(nèi),完全滿足興趣組學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)需求,學(xué)生可通過(guò)攜帶實(shí)驗(yàn)箱在業(yè)余時(shí)間完成新的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)自主設(shè)計(jì)外圍電路和編寫(xiě)程序熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程,高質(zhì)量地培養(yǎng)了部分學(xué)生的發(fā)散思維、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)。

3.2.3 競(jìng)賽、應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程和單片機(jī)內(nèi)部各類(lèi)資源的使用方法后,教師應(yīng)鼓勵(lì)興趣實(shí)驗(yàn)階段中表現(xiàn)突出者積極參加校院、省市的電子類(lèi)科技競(jìng)賽,并從選題、參賽、評(píng)獎(jiǎng)進(jìn)行全程指導(dǎo),通過(guò)面包板、PCB板開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),大幅度提供該類(lèi)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、創(chuàng)新思維、工程應(yīng)用能力等綜合素質(zhì)。

通過(guò)合理組織安排3種不同層次的教學(xué)內(nèi)容,學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)得到不同的提高和收獲,大幅度提高課程的學(xué)習(xí)效率。

4 “雙實(shí)踐”教學(xué)模式優(yōu)點(diǎn)

新教學(xué)模式新增了仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),有助于學(xué)生拓展思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng),改變了以往單一的實(shí)驗(yàn)形式,使學(xué)生既掌握了一種新的EDA軟件技術(shù),又掌握了一種新型的實(shí)驗(yàn)分析方法,還可自主展開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。尤其在仿真過(guò)程中,學(xué)生不再是被動(dòng)地重復(fù)教師的操作,而是主動(dòng)地去探求解決問(wèn)題的方法,同樣的設(shè)計(jì)要求可以有不同的實(shí)現(xiàn)電路、不同的程序,這能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性,培養(yǎng)他們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,使學(xué)生由被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)探索,教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中是學(xué)生的引路人,為學(xué)生獲得知識(shí)提供情景、引導(dǎo)學(xué)生自己去學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并通過(guò)“二次實(shí)踐”驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

新教學(xué)模式下的單片機(jī)課程贏得學(xué)生的好評(píng),學(xué)生能夠有選擇地參加教學(xué)實(shí)踐,有效整合了實(shí)驗(yàn)資源。在今年課程組展開(kāi)的新模式教學(xué)改革班級(jí)中,90%學(xué)生主動(dòng)參加大學(xué)生科技競(jìng)賽,30%學(xué)生獲得不同層次的獎(jiǎng)項(xiàng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

“雙實(shí)踐”教學(xué)模式,打破傳統(tǒng)循序漸進(jìn)式的教學(xué)方法,以單片機(jī)的應(yīng)用為基礎(chǔ),結(jié)合基本的工業(yè)控制系統(tǒng)和實(shí)踐工作中的具體應(yīng)用,不分先后順序,將各條指令貫串于各個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)所見(jiàn)即所得的實(shí)驗(yàn),學(xué)生更容易理解各種指令的編程方法和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟。通過(guò)“二次實(shí)踐”既有效驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn),又提高教學(xué)內(nèi)容的直觀性、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,大大提高設(shè)計(jì)各種單片機(jī)系統(tǒng)的效率,對(duì)提高學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工程實(shí)踐能力都具有很大的輔助作用。

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Research on practical teaching method for Single-chip microcomputer course

Liu Feng, Liu Zhihua, Wang Hongtao, Dai Junyi, Li Jun
Institute of meteorology, PLA university of science and technology, Nanjing, 211101, China

2011-02-11 稿件編號(hào)：1102013

劉鳳，碩士，講師。